发信人: ding()
整理人: terryh(2002-03-24 15:02:28), 站内信件
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发信人: December (Li), 信区: Network
标 题: 千兆位网络互连协议 (1)
发信站: 龙门客栈 (Mon Sep 29 20:42:44 1997), 转信
千兆位网络互连协议
卿华 卢泽新
一、网络互连简介
网络世界发展迅猛,各种技术丰富多采。在过去的20年中最为成功的一
项技术就是网络互连(Internetworking)技术。网络互连是指将使用不同链路
或MAC层协议的单个网络连结,成一个整体,使之能够相互通信的一种技术和方
法。网络互连有别于桥接(Bridging),桥接只能互连MAC层相同的网络。
正是由于发展和设计了网络互连协议(如IP),才使网络互连成为可能。
互连网中的主机利用互连协议服务,必要时通过路由器进行通信。
网络互连的最大优点在于能集合任意多个网络而成为规模更大的网络,
并且能互通互连,资源共享。
由于网络发展的历史和人们对不同网络的需求,才使多种网络(如
Ethernet、ATM、FDDI等)并存,也正因为如此,才显示出网络互连技术的必要
性和巨大的威力。随着技术的发展,我们很有必要研究千兆位级的网络互连协
议及技术。
几年前,曾有人预言,为了达到千兆位的速率,当前所使用的TCP/IP和OSI
协议均将被彻底淘汰。事实上,将当前的互连协议进行适当的调整修改,就完全
能以千兆位的速率传输,其中的许多设计思想和工作原理仍然适用。当然,多媒
体应用也向网络互连协议提出了挑战,这些应用要求网络在性能上保障最大延
迟和最小带宽。
为了研究千兆位网络互连技术,我们从两个方面着手。首先分析提高协
议速度的技术和方法,并研究这些技术对千兆位网络协议将产生哪些影响;其
次,指出当前协议的缺陷,并进一步阐明新协议的重要特点。在当前众多的互连
协议中,我们选择应用最为广泛的TCP/IP为代表来展开研究和讨论。
对于不同的子网,IP均能进行数据报文封装,并将IP地址映射成物理层地
址。子网通过路由器连接,如果通信的两个主机位于不同的子网上,那么,路由
器的任务就是选择合适的路径在主机之间转发报文。
IP仅支持两个主机间报文传送,为了支持两个主机应用之间的数据传
输,TCP/IP协议簇定义了两个传输层协议:TCP和UDP。为了标识应用,增设了传
输层端口号,16位的传输层端口号和IP地址唯一标识一个特定应用。
UDP协议十分简单,是一种不可靠的传输协议,而TCP则复杂得多。TCP提
供一种可靠、有序的字切流传输服务,通过滑动窗口和应答机制来进行流量控
制及错误处理。窗口的大小限制了发送方一次可发送若干个没有应答报文的数
目,接收方接收报文后进行校验和检查,同时返回一应答,发送方若超时,则重
发。
二、提高互连速度的机制与技术
80年代以来,网络研究人员开展了提高性能的研究,提出了许多加快速度
方面的设想、策略和具体措施。其中一些技术,如内存管理和中断处理与操作
系统紧密相关,在此不做深入讨论。我们仅讨论与网络互连协议紧密相关的一
些技术。
1.更好的搜索技术
在TCP/IP体系结构中,有几个处理需要在表中搜索信息。如果寻找协议
控制块和选择路由,有两种方法可以减少搜索开销:
(1)通过缓存常用信息,避免一般搜索;
(2)寻求平均运行时间合适的搜索算法。
构造一个有效缓存的关键在于最大化缓存的命中率,同时最小化搜索和
维护的开销。网络交通模式的类型使缓存技术十分有效,网络中的报文通常像
一列火车一样穿行,一组报文都向同一目的地行进。据统计,在网络中有30%的
报文有着相同的目的地,在传输层中,主机所接收报文的70%都有相同的端口
号。正因为如此,仅缓存一个控制块或路由信息,实际上可取得很高的命中率。
当网络交通不符合以上模式时,命中率将十分低。典型的例子就是事务处理,即
上千个用户有规律地访问单个系统。
尽管采用缓存技术可以解决部分问题,但是,日益庞大的路由表仍十分棘
手,随着网络规模的增大,它们越发庞大和难以维护。为了减小路由表,人们将
研制新的IP协议。
2.减少或消除校验和开销
校验和处理是网络处理的一个主要开销,因为校验和计算涉及到报文中
的每一个字节,需读取每一个字符,并以一定的方式加到校验和中。
优化校验和计算的第一步是求和时利用主机字长和字节顺序,以减少内
存访问和字节交换的开销。在提高校验和性能方面还有两个建议:其一是简单
地去掉校验和,尤其是在本地局域网环境中传输报文,这种情况通常假定传输无
差错;其二是将校验和字段移到报文尾部,这样,当校验和计算完毕发送方时,
便可发送报文。
3.预测
有一种观点认为:由于TCP协议具备许多特点和功能,如重发、窗口、紧
急数据等,因而实现以后开销一定很大。这种观点假定每一个TCP报文所有功
能的代码都要执行。事实上,TCP的行为是高度可预测的,因而人们可充分利用
这一特点来优化TCP实现中的数据通路部分。
研究表明,在已建立好的TCP连接中,报文头部字段只有序列号、应答
号、窗口、校验和及紧急数据指针发生改变,而其中只有应答号与校验和字段
的改变是不可预测的,其它项的改变都是可预测的。鉴于此,国外研究人员提出
了一个TCP接收方算法,称为头部预测(Header Predication)。
4.更多的飞行数据
在千兆位网络中发送1个位且穿行一段距离的时间,并不比在当前普通的
网络中所传输的时间短,二者之所以不同,在于千兆位网络中传输数据的数目增
大了1000倍。传输数据的总量通常称为延迟带宽积,因为它等于网络延迟乘以
网络带宽。
延迟带宽积越大,意味着协议窗口和序列号应越大。因为接收方窗口的
大小反映了在未收到应答之前,发送方可连续发送数据的多少。显然,窗口大小
最好协商为延迟带宽积。对于千兆位网络通路,延迟带宽积通常为上百兆字
节。然而,不幸的是,当今的网络协议通常规定窗口大小不超过64K字节,因此,
需要修改协议,通过定义一可选项来扩充窗口大小。
当一部分研究人员正在改进TCP/IP的实现时,另一部分研究人员正致力
于研究轻权协议(Lightweight Protocol),最初的设想是设计一个更简洁的
协议,执行起来比现在的TCP/IP协议快。一个典型的轻权协议就是XTP。
改进TCP/IP的结果是使轻权协议不再那么引人注目。首先,协议本身的
开销十分小(约150个指令),即使进一步削弱也不会导致协议性能的明显改
善。其次,如果不对协议功能(如错误处理)进行折衷的话,很难发现TCP/IP有
可删除的部分。
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