（计算机应用技术专业论文）计算机网络间隙整形的原理与实现.pdf

摘要 摘要 随着计算机网络的快速发展，人们对网络服务质量的要求也越来越高。拥塞 控制是网络服务质量研究领域的重要课题之一，是制约网络传输效率的关键性障 碍。自1 9 8 6 年网络拥塞现象被观察到以后，许多网络专家学者一直都在对拥塞控 制进行研究，并提出了一些思想和算法，如基于开环控制理论的漏桶算法、在 t c p i p 中使用的基于闭环控制理论的拥塞控制算法以及资源预留和准入控制等。 本文分析了网络拥塞发生的原因，讨论了网络拥塞控制的方法。最后，提出了 一种新型拥塞控制算法一间隙整形。 间隙整形完全不同于现有的通信量整形。它是指在上游节点发出一个帧后， 延长原有的帧间间隙，等待一个时间间隙t ，以便下游节点处理完这个帧后再发 送下一个包。这样，下游节点就不会被“淹没”，如果网络的所有链路都采用自j 隙 整形，则网络上所有的节点都不会被“淹没”，那么这个网络就不会发生拥塞。 论文也将对t 的取值进行分析，并引用电子科技大学吴少智在基于虚电 路的微通信元系统架构的拥塞控制与建模中提出的间隙整形算法进行论证。 间隙整形是一种全新的拥塞控制解决方案，它的实现是在网络接口上完成 的。本文仔细的从苍片设计的角度理解了符合i e e e 8 0 2 3 标准的以太网卡的硬件 组成。并以r e a l t e k 8 1 3 9 d 网卡为例，实现了间隙整形的硬件方案。本文在 r e m t e k 8 1 3 9 d 芯片引脚中找到了能控制数据帧发送的信号，并让它通过我们设计的 延时器，达到间隙整形的效果。 此外，本文在分析网络设备的驱动程序的结构和特殊性后，以r e a l t e k 8 1 3 9 系列以太网卡驱动程序为例，利用定时中断机制，通过修改和添加必要的函数， 完成了间隙整形的软件解决方案。 论文的最后给出的测试结果为间隙整形理论的正确性和可行性提供了可靠的 依据。 本文对间隙整形的研究是在曾家智教授“新型网络体系结构”课题下完成的， 但是间隙整形理论和论文中的实现方案对任何网络都是具有通用性的。 关键词：拥塞控制，帧间间隙，问隙整形，网卡 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e t ，t h er e q u e s tf o rq u a l i t yo fs e r v i c eo f n e t w o r ki sh i g h e ra n dh i g h e r t h ec o n g e s t i o nc o n t r o l l i n gi sa ni m p o r t a n tt o p i co fq o s r e s e a r c hf i e l da n di t sa l s oak e yo b s t a c l eo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y 。s i n c et h e p h e n o m e n o nw a so b s e n r c di n1 9 8 6 m a n ye x p e r t sk e e pd o i n gr e s e a r c ho nc o n g e s t i o n c o n t r o l l i n g t h e yp u tf o r w a r dm a n yi d e a sa n da r i t h m e t i c s ，s u c ha st h el e a k yb u c k e t a l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do no p e n i n gl o o pc o n t r o l l i n gt h e o r e t i c s ，t h ea l g o r i t h mt h a t u s e di nt c p i pw h i c hi sb a s e d0 1 1c l o s e dl o o pc o n t r o l l o n gt h e o r e t i c sa n da d m i t t a n c e c o n t r o l l i n g t h ep a p e ra n a l y s e dt h er e a s o nw h yt h en e t w o r kc o n g e s t i o nh a p p e n e da n dt h e m e t h o dt oc o n t r o li t a n dt h e n ，昏v co u tan e wc o n g e s t i o nc o n t r o l l i n ga r i t h m e t i c , t h a ti s i n t e rf r a m eg a p s h a p i n g i f gs h a p i n gi sd i f f e r e n tf r o mo t h e rt r a f f i cs h a p i n g i ti n d i c a t e st h a taatt i m e w i l lb ed e l a y e d ，w h i c hi sb ep r o l o n go nt h eo r i g i n a li f ga f t e re a c hf r a m ew a ss e n t t h e a tt i m ec o u l db ee n o u g hf o rt h en e x tp e e rt od e a lw i t ht h ef r a m e i tm a k e st h en e x tp e e r w o n tb e “f l o o d ”1 fe v e r yp e e ri nt h en e t w o r kw o n tb e “f l o o d ”t h en e t w o r kw o n t c o n g e s t t h ep a p e ra l s od i s c u s s e dt h ev a l u eo fat ，a n dr e f e r e d t h ec o n g e s t i o n c o n t r o l l i n ga n dm o d e l i n gb a s e do nm i c r o c o m m u n i c a t i o nu n i ta r c h i t e c t u r eo fv i r t u a l c i r c u i t yw r i t e db yw us h a o z h io fu e s t ct od e m o n s t r a t ei t i f gs h a p i n gi san e ws o l u t i o no fc o n g e s t i o nc o n t r o l l i n g ；i t sr e a l i z a t i o ni s c o m p l e t e do nn e t w o r ki n t e r f a c e t h ep a p e rc o m p r e h e n d e dt h ec o m p o s i n go fa ne t h e m e t c a r dw h i c hi sa c c o r d i n gw i t hi e e e 8 0 2 3 ，f o r mt h ev i e wo fc h i pd e s i g n t h es o l u t i o n u s e dr e a l t e k 8 1 3 9 da sa ne x a m p l et or e a l i z et h ei f gs h a p i n gw i t hh a r d w a r em e t h o d ，b y f i n d i n gap i nw h i c hc a nc o n t r o lt h es e n d i n go ff r a m e ，a n dd e l a y i n gi t ss i g n a lw i t ha d e l a y e rt h a tw ed e s i g e nw i t hf p g a o t h e r w i s e ，i nt h ep a p e r , t h es t r u c t u r ea n dp a r t i c u l a r i t yo fn e td e v i c ew e r e d i s c u s s e d ，a n dt h e na1 f gs h a p i n gs o l u t i o ni ns o f t w a r em e t h o dw a sp u to u t ，w h i c hu s e t h et i m i n gi n t e r r u p tm e c h a n i s ma n dm o d i f yo ra d df u n c t i o n s ，t or e a l i z et h ei f g n a b s t r a c l s h a p i n g a tt h el a s to ft h ep a p e r ，s o r u et e s tr e s u l td a t aw a sg i v e ，w h i c hi st h ed e p e n d a b l e g i s to fc o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo fi f gs h a p i n g t h er e s e a r c ho ni f gs h a p i n gi sc o m p l e t e do nt h eb a c k g r o u n do f “n e wn e t w o r k a r c h i t e c t u r e ”p r o j e c tt o o kc h a r g eb yp r o z e n gj i a z h i b u tt h ei f gs h a p i n gt h e o r e t i c s a n ds o l u t i o nc a nb eu s e di na n yn e t w o r ka r c h i t e c t u r e k e y w o r d s ：c o n g e s t i o nc o n t r o l l i n g ，gi f gs h a p i n g ，n e t w o r ki n t e r f a c ec a r d i l l 缩略语 缩略语 a r p aa d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t s a g e n c y ( 美国国防部) 高级研究计划署 o s i o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l 开放式系统互联参考模型 q o so u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 a t m a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 异步传输模式 m a cm e d i aa c c e s sc o n t r o l媒体访问控制 p h y p h y s i c a ll a y e r i e e e 8 0 2 3 标准p h y 子层 m i i m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e媒体无关接口 f p g af i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y现场可编程门阵列 i f g i n t e rf r a m eg a p帧问间隙 s u n as e r v e ru n i tn e t w o r k a r c h i t e c t u r e服务元网络体系结构 s d us e r v e td a t au n i t服务数据元 m c e sm i c r oc o m m u n i c a t i o ne l e m e n ts y s t e m微通信元系统 m p e gm o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p动画专家组 v h d lv i s u a lh a r d w a r ed e s i g nl 釉g i l a g c虚拟硬件设计语言 1 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：啦 日期：文0 年证月日 | 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 魏边导师铭益睦 日期：如0 年q 月o 日 第一章引言 1 1 课题背景 第一章引言 计算机网络经历了4 0 年发展，从只有4 台主机的a r p a n e t 到现在上亿的 i n t e r n e t 终端，发展十分迅速。特别是9 0 年代后随着计算机通信技术的飞速发展 和网络技术的成熟，计算机网络应用到各行各业，走进我们的生活的每个角落， 网络已经成为人们工作生活中不可分割的一部分。目前，实用的网络体系结构都 是层次结构，例如o s i 、t c p i p 、s p x i p x 和a t m 等。最普遍应用的i n t e r n e t ， 使用的是基于a r p a n e t 层次网络结构发展而来的t c p f l p 体系。在1 9 6 9 年美国 国防部高级研究计划署( a r p a ) 开发a r p a n e t 的时候，计算机网络的应用还只 是学术研究性质，网络的应用主要局限于一般数据信息的有效传输，同时底层通 信技术也不够发达，因此采用层次体系结构。其出发点在于简化协议设计的复杂 性。每一层能够接受下层提供的服务，并能向上层提供增值服务。层次网络体系 结构具有如下的优点： 1 ) 体系结构的适应性好。这是因为从a r p a n e t 到i n t c r n e t 的发展过程中， 涌现了各种各样的实际的网络技术，而t c p i p 融合了众多不同技术的网络，能 消除网络差异与i n t e r n e t 完全连接，成为了互联网中的主流网络体系。 2 ) 作为分层的体系结构，各个层次的功能相对独立，便于设计。1 9 7 4 年， i s 0 发布了著名的i s o f l e c 7 4 9 8 标准，它定义了网络互联的7 层框架，也就是开 放式系统互连参考模型。 虽然t c p f l p 同时满足了一部分可扩展性和可靠性的需求，不幸的是牺牲了 速度和效率。t c p f l p 最初的开发设计是基于窄带网络传输文本信息的。随着网络 技术的蓬勃发展，人们对网络应用的要求越来越高，对网络服务的高效性、可靠 性、多样性等提出了更高的要求，如对视频、语音等多媒体信息的实时传输，对 网络的q o s 、安全等方面的要求，此时t c p f l p 的弊端也逐渐暴露出来，层次结构 的特点使得把新的技术和标准引入现有网络中变得困难，只能在原有层次结构中 进行修补。这种扩展始终很受限制，不能很好的满足新服务的需求：另外由于几 个网络协议层的冗余操作而使网络性能下降。虽然t c p f l p 也在不断发展，但是 由于其开放性的固定层次体系结构的限制，这种需求和限制的矛盾将是长期的。 电子科技大学硕士学位论文 解决这个闯题的根本办法是设计更加合理的网络体系结构，给网络使用者更好的 网络功能支持。 从2 0 世纪9 0 年代开始，在国际网络界就进行了许多关于高性能的网络体 系结构的研究。电子科技大学计算机学院的曾家智老师在研究了这些体系结构， 对现有网络中服务类别进行分析、归纳，针对现有的分层网络体系结构存在的层 间功能重叠和复杂的分层处理过程所带来的网络服务效率低下的问题后，提出了 一种基于服务元的网络体系结构。服务元只提供服务，不接受服务，所以避免了 层闯交互和服务传递的开销。服务元不仅能为本节点应用提供服务，而且不同节 点的服务元可以合作向某一节点或整个网络提供服务。服务元网络体系结构具有 简洁、可扩展和容易实现的特点。 对服务元网络体系结构进行研究与实现，是探索新的网络体系结构研究领 域，解决层次网络结构本质缺陷的有效方法，是改善现有网络服务的有益尝试。 1 2 课题任务以及本人工作简介 本课题任务来自电子科技大学计算机学院新型网络研究室所承担开发的 酸蕊创新项目。课题任务主要是基于l i n u x 系统平台，研究、设计并实现一个 初步的基于服务元网络体系结构的原型系统。课题任务的开发环境基于： 硬件：p c 机( i 3 8 6 ) ，f p g a 开发板 软件：l i n u xk e r n e l2 4 2 0 ，g c c ，k g d b 在这个项目中，本人负责网络接口间隙整形的设计与实现。间隙整形是曾家 智教授等在服务元网络体系结构中，为了解决网络拥塞问题而提出的创新性的想 法。项目期间，本人翻阅i e e e 8 0 2 3 标准以及r t l 8 1 3 9 d 度的以太网卡资料，结合 网络设备驱动程序，分析以太网卡的硬件组成以及工作原理，给出在原有r t l 8 1 3 9 网卡的电路基础上，通过添加自己设计的延时器来完成8 1 3 9 以太网卡的间隙整形 的硬件实现方案；利用r t l 8 1 3 9 自带的定时器寄存器，修改r t l 8 1 3 9 的驱动程序， 添加定时中断函数，修改发送函数，中断响应函数，数据发送函数，i o c f l 处理函 数，实现软件方式的间隙整形。 1 3 本文结构 本文共分为七章。 2 第一章引言 第一章，引言。介绍本课题的背景、意义以及任务，概述本人在该课题中的 责任以及工作简述 第二章，服务元网络体系结构。在这一章节，将简明地介绍服务元网络体系 结构的概念以及它产生的背景，介绍传统层次网络存在的结构性的问题。此外， 还将给出微通信元系统结构的参考模型的简述。 第三章，网络拥塞与间隙整形。这章的前半部分，我会向大家介绍网络拥塞 的概念、成因以及现在常见的几种拥塞控制算法。间隙整形是一个新的概念，在 这一章节的后半部分，将明确地给出间隙整形的概念，并介绍间隙整形的意义， 以及我们要给出的实现方法的思想。 第四章，间隙整形的软件实现。这章的内容则是详细的介绍间隙整形的软件 实现，主要介绍网络设备的驱动程序，以及我们对f 1 1 8 1 3 9 以太网卡驱动程序的改 进，利用r t i 8 1 3 9 的定时机制实现间隙整形的方案。 第五章，间隙整形的硬件实现。这章的内容是详细的介绍间隙整形的硬件实 现，包括硬件的构成，设计原理，以及改进方法。 第六章，功能模块的测试。介绍本人工作的开发环境，以及对间隙整形功能 模块的测试。 第七章，总结。主要是对课题任务期间工作的总结，阐述间隙整形的实现过 程中解决的问题，以及有待解决的问题。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章服务元网络体系结构 本章简要分析了层次网络体系结构的特点及存在的缺陷，分析、归纳现有网 络的服务类别，针对现有的分层网络体系结构存在的问题提出服务元网络体系结 构。本章将详细介绍服务元的分类模型、功能元素及服务，地址结构，服务元网 络体系结构的节点模型、优势以及层次网络体系结构向服务元网络体系结构的过 渡。 2 1 传统层次网络存在的问题 提出层次网络的出发点在于简化协议设计的复杂性。层由实体( 硬件和或软 件) 构成，能够接受下层提供的服务，并能向上层提供增值服务。层具有封装性、 隐蔽性和抽象性。这种层次划分虽然提供了良好的适应性和独立性，但它毕竟是 三十多年前的产物，必然会受到历史的局限。随着全球互联网的蓬勃发展，人们 对网络的利用和依赖的增加，t i ：p 口层次网络体系及互联网其它的局限所带来的 矛盾也不断突出。主要表现在如下几个方面： 1 ) 可扩展性差，不能满足多种网络服务的需要。随着技术的发展，对网络 的应用需求是不断提高，但是基于层次性体系结构的t c p i p 很难随意扩展，如 前所述，t c p i p 在设计之初就没有认真考虑各种服务质量的要求问题。目前在主 机上只提供了不可靠的数据报( u d p ) 服务和可靠的数据流( t c p ) 服务，路由 上采用的是简单的尽力转发机制，无法保证数据传输的时间特性( 延迟，抖动等) 。 只能在各层打补丁，来满足不断增加的需求。但是这样的结果，会降低网络通信 效率和计算机的处理性能。 2 ) 各层功能冗余。目前，实用的网络体系结构都是层次结构，例如o s i 、 t c p i p 、s p 1 p x 和a t m 等。其中，o s i 参考模型被公认是最严格的。尽管t c p 腰 比o s i 等协议具有较高的效率，但是功能冗余重复，影响了它在宽带网络中的应 用。n 层向n + l 提供的服务s n n + l 是n 1 层向本层提供的服务s n 1 n 和本层自身 提供的服务s n 的并集，记为： s r d n + l = s nos n 一1 n ( 2 1 ) 进行叠代后有： 4 第二章服务元网络体系结构 s i l ，n + l = s n u s n l u s n - 2 s 2 u s l ( 2 2 ) 由( 2 2 ) 可知，n 层网络协议所提供的服务是第1 层到第n 层各层自身提供 服务的并集。为了提高效率，各层服务能力不应该具有交集，因为交集表示各层 服务功能重复。交集是不提供增值服务的。 毋2 p m 存在的低效率问题在于各层的服务能力具有大量的交集。许多功能在 不同的层次中都有处理，从而导致网络许多地方功能重复( 如校验) ，数据报文冗 余信息多，层间地址多，处理复杂，并导致整体性能的下降。 3 ) 层次结构不适合保证端到端的服务质量。层次结构的优先级是分层处理 的，各层的优先级位数和类型不一致。如果各层处理不一致，则会造成混乱；如 果一致，则会造成重复处理，效率低。 4 ) 没有很好的安全保障机制。作为一种开放的系统，最早是没有考虑网络 应用的安全性的，虽然现在开发了很多安全协议机制，但是网络安全仍然是一个 十分严重的问题。作为一个开放的层次固定的体系结构系统，黑客随时可以方便 的研究存在的漏洞来进行攻击，同时，由于网络的许多方面缺乏用户的有效控制， 信息都暴露在网络上，黑客也可以通过获得的相关信息进行拒绝服务，冒充，破 解等多种形式的网络攻击。为了保证信息安全，目前我国的关键网络只好采用物 理隔离的办法来防止来自外部的攻击，这大大降低了网络的使用效果，给工作带 来不便。 通过如上所述，我们知道，现在的基于t c p i p 的互联网网络技术在许多方 面已经越来越不能满足人们对网络的需求，特别是一些高级的网络服务，一些敏 感部门的网络需求。虽然t c p i p 也在不断发展，但是由于其开放性的固定层次 体系结构的限制，这种需求和限制的矛盾将是长期的。解决这个问题的根本办法 是设计更加合理的网络体系结构，给网络使用者更好的网络功能支持。因此，无 论国外还是国家都很重视网络体系结构的研究工作。 2 2 服务元网络体系结构概述 面对目前网络体系结构发展的窘迫局面，2 0 0 2 年，曾家智教授同样提出了 种无层次的服务元网络结构体系( s u n a ) 。服务元网络体系结构抛弃了网络 层次的概念，分析计算机网络应用中所有服务功能元素，而每个功能独立的服务 功能元素对应某一类中的一个服务元模块，其网络功能部件就是服务元( s u ) 。 各个s u 完成相对独立的网络功能，相互之间并不传递服务。不同s u 可以协调 5 电子科技大学硕士学位论文 配合实现各种不同的网络功能，为应用提供各种不同的服务。s u 对应的是网络 基本功能。网络应用服务功能元素与服务元的对应关系如表2 1 所示。 表2 - 1 服务元归纳表 类型 服务功能元素对应包的域对应服务元 网络位的编码和解码 接口 验错基本硬头和硬技验n i c 服务元 类 成包和拆包 m a c 介质分配 资源监控( 类r t c i )广义1 c m p 专用域广义差错控制服务元 实时贽源预留( 类r s v p ) 类r s v p 专用域资源预留服务元 o o s优先级处理仅基本软头优先级处理服务元 类 防抖动( 类r t p ) 类r t p 专用域类r t i 服务元 无连接服 发送数据基本硬头含校验无连接发数据服务元 务类接收数据同上无连接收数据服务元 有连接服 建立连接建立连接服务元无 务类释放连接 连接专用域( 台校验) 释放连接服务元 保序、流控、拥塞控制( 卡 有连接发数据服务元 纠错) 有连接收效据服务元 安全加解密 e s p 专用域安全净荷服务元 类数字认证a l l 专用域认证服务元 o s p f报文在数据域o s p f 服务元 r 口 报文在数据域r 口服务元 路 e g p 报文在数据域e g p 服务元 由b g p 报文在数据域b g p 服务元 类d v m r p 报文在数据域d v m r p 服务元 单播递交 仅基本首部单播递交服务元 组播递交 仅基本酋部组播递交服务元 源选径递交 源选径专用域源选径递交服务元 其他类i c m p , i g m p , 分片，r t c p 报文在数据域各种广义差错控制服务元 注#服务元一般都要使用基本首部，所以表中一般不再列出 地方每一个基本网络服务功能称为服务功能元素，而服务功能则定义为服务 功能元素的集合。纵观各种网络，其服务功能元素归纳如表1 第一列所示。某些 服务元素只在路由器中完成，例如o s p f 、r i p 、e g p 、b g p 、d v m r p 和各种路 由递交等功能。某些服务功能元素只能由主机完成，例如分片功能，对于宽带网 络而言，路由器和路由交换机等网络设备是不应参与分片的。应该采用类似i p v 6 6 第二章服务元网络体系结构 的方法，当源主机所发包的尺寸大于某网络的最大传输单元m t u 时，网络设备 向源主机返回允许的包尺寸，源主机重发允许尺寸的包。 服务元网络体系结构也是模块化结构，模块是服务元。服务元网络体系结构 是服务元及其相互之间交互使用的规则的集合。服务元是能够提供服务而又隐藏 内部细节的最小实体( 硬软件) 服务元不接受服务，只( 对应用层和整个网络) 提供服务服务元提供服务是通过服务数据元( s d u ) 完成的，服务元是s d u 的 发送者( 源) 、接收者( 目的) 、转发者( 递交) 或变换者。这样的定义使s u 相 对于对象或者角色来说更加合理。为了便于设计，根据当前网络通信的要求，对 服务元的类别，功能都进行了详细的定义。 2 3 服务元网络体系结构模型 服务元提供服务是通过服务数据单元s d u 完成的。s d u 又称为包p a c k e t 。 服务元是s d u 的发送者( 源) 、接收者( 目的) 、转发者( 递交) 或变换者。 按照启动服务的方式和与s d u 的关系，服务元可以分为五类，对应模型如 图2 - i 所示。其中，第一、二、三和四类服务元是s d u 的源和目的，用矩形表示。 矩形下方的下箭头和上箭头表示服务元按规定顺序发送或接收的一系列s d u 。 i 壤彻 鲞理闯默求助黼舳 靠鳍弗塔 l 第一类服务元h 第二共服务元 螽三类服务元 d 第四类服务元己第五类服务元 图2 1 五类服务元模型 第一类服务元由于执行系统调用而启动服务。矩形上方粗箭头表示执行系统 调用。粗箭头的方向表示应用的信息流向：上箭头表示接收；下箭头表示发送。 例如应用执行系统调用w r i t e ( ) ，启动有连接发送数据服务元，它把应用发送的 数据分成小块组成一系列的包发送，还要接收一系列的确认包。粗箭头的方向向 下。又例如应用执行系统调用c o n n e c t ( ) ，启动( 主动) 建立连接服务元，通过 7 电子科技大学硕士学位论文 三次握手建立连接。下方的上、下箭头表示先发出的第一次握手的包，再接收第 二次握手的包，后发出的第三次握手的包。如果应用为了接收而执行c o n n e c t ( ) 则粗箭头的方向向上。第一类服务元是为本节点( 应用) 提供服务的。对于没有 0 s 的节点，系统调用将被a p i 函数取代。 第二类服务元因网络发生不正常事件或请求帮助而启动服务，并主动向某节 点发警告或求助信息。第三类服务元由于收到此警告或求助信息而启动服务，进 行内部处理。i 节点的第二类服务元和j 节点的第三类服务元协作向i 节点或j 节 点提供服务。例如路由器的第二类服务元向源主机的第三类服务元发数据格式错 的信息。又例如l 节点p i n g 服务元求助j 节点p i n g 服务元进行可通性测量。 第四类服务元周期性地启动或收到相关包启动。其服务通过按规定顺序发送 和接收的一系列的包完成。并且通常是通过包的组播方式进行收发。例如路由选 择协议服务元，动态地为网络各自路由器填写路由表。路由递交类型服务元接收 的到包按路由表递交到相应端口。第四类服务元用于各相关节点协作为整个网络 系统提供服务。 第五类服务元由于s d u 的到来而启动服务并对s d u 进行变换后输出。三角 形上方的下箭头表示源于本节点s d u 的到来，输出的s d u 由三角形下方的下箭 头表示；三角形下方的上箭头表示源于其它节点s d u 的到来，产生的s d u 由三 角形上方的上箭头表示。例如压缩解压服务元、身份验证服务元、安全净荷服务 元和n i c 服务元等。由于第五类服务元功能是两两互逆的，我们将互逆的服务元 的两个三角形画在一起。 第五类服务元中，谁的输出作为谁的输入并不是固定的，只要收、发方匹配 即可。特例是n i c 服务元，它总是发送包所经过的本节点的最后一个服务元。它 一方面通过介质访问控制把本节点的包转换为b i t 流放在网络介质上，另一方面 从网络介质抓取b i t 流到本节点转换成包。考虑到：1 、网络接口层功能完全由网 卡完成，而服务团队其它服务元基本由主c p u 完成，二者可以并行；2 、由于网 络接口层只提供服务，并不接受服务，所以网卡既能作为层次结构的最下层，又 能作为新结构中的一个n i c 服务元。 服务元网络体系结构的节点模型如图2 2 所示。 8 第二章服务元网络体系结构 图2 - 2 服务元网络体系结构节点模型 节点模型分为两部分：应用层和服务层。服务层只提供服务，应用层只接受 服务。由于它们都不是典型的层，所以我们分别称之为应用群和服务团队。应用 群包括应用基础( 网络管理和域名解析) 、典型应用( w w w 、e m a i l 和f t i 等) 和一般应用。请注意应用群包含了所有的应用，而不只是共性的应用。应用群是 各种应用的松散集合。服务团队是服务元的有组织的集合，它除了向本节点应用 层提供服务外，还能和其它节点服务元合作向整个网络系统提供服务或向某一节 点提供服务。 2 4 层次网络结构向服务元网络体系结构的过渡 新型网络结构的使用和推广不能一蹴而就，必须考虑市场状态，设备配置的 情况。根据美国国际市场调查公司d a t a q u e s t 的最新报告显示，到2 0 0 6 年底全球 的互联网用户数量已达1 6 亿。i n t e m e t 的普遍性也是为什么t c p i p 层次网络体系 结构虽然存在这样那样的缺陷，但至今仍在使用的原因。 所以，我们提出了层次网络结构向服务元网络体系结构的过渡的解决方案。 基本沿用原有的网卡，仅仅稍作改变( 将主机地址设为网卡地址，主机地址可以 由用户来设置，主机地址采用i p v 4 或i p v 6 的m 地址) 就能使用。第一步保持系 统调用不变，使t c p i p 的浩如烟海的应用程序和建立在t c p 、u d p 上的所有软 件都可以照常使用；第二步通过增添服务元，扩充系统调用以便直接支持话音和 视频信号的实时传送。服务元体系结构中，由于省去了帧的处理，路由器甚至“第 四层”交换机的硬件结构和包转发率和价格都将和现在的第二层交换机相近。廉 价的新网络系统通过包转换器和现有因特网相连使过渡可以逐渐展开。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 5 小结 传统的层次网络体系结构的缺乏安全性、可扩展性，效率低下，这使得目前 的互联网的发展面临严峻的挑战。互联网无法满足保证服务质量等新需求，而日 益严重的安全问题已经成为燃眉之急。联合国于2 0 0 4 年1 1 月成立了联合国互联 网治理工作组( w g i g ) 。2 0 0 5 年8 月美国自然科学基金会n s f 正式公布了重构 互联网的计划。 曾家智教授提出的“服务元网络体系结构”抛弃了传统网络层次的概念，分 析计算机网络应用中所有服务功能元素，而每个功能独立的服务功能元素对应某 一类中的一个服务元模块，其网络功能部件就是服务元。各个s u 完成相对独立 的网络功能，相互之间并不传递服务。不同s u 可以协调配合实现各种不同的网 络功能，为应用提供各种不同的服务。服务元网络体系结构的提出为新型高效能 网络的研究做出了有益的尝试。 1 0 第三章网络拥塞与问隙整形 第三章网络拥塞与间隙整形 1 9 6 9 年美国国防部高级研究计划署( a r p a ) 建立a r p a n e t 时，a r p a n e l 还只有四个站点。时间才过去不到4 0 年，互联网便以爆炸式的速度遍及全球。如 此惊人的发展速度和发展规模，这种数量上的惊人的膨胀，使互联网出现越来越 多的严重问题。其中保证服务质量、网络信息安全以及抗毁性都是急需解决问题。 解决网络拥塞是保证服务质量的重要课题之一。虽然t c p i p 也有拥塞控制 机制，但是面对网络中突发的流量高峰，将无能为力，将出现严重的丢包现象。 并且，t c p i p 的拥塞控制和重传机制的代价是很相当大的。为此，在计算机网络 研究中，也提出了一些解决方案，其中包括了通信量整形、带宽管理、优先级区 别服务等技术。 3 1 网络拥塞 3 1 1 拥塞控制的基本概念 当网络中存在过多的数据包时，网络的性能就会下降，这种现象称为拥塞。 在网络发生拥塞时，会导致吞吐量下降，严重时会发生“拥塞崩溃”( c o n g e s t i o n c o l l a p s e ) 现象。一般来说，拥塞崩溃发生在网络负载的增加导致网络效率的降低 的时候。最初观察到这种现象是在1 9 8 6 年1 0 月，在这个过程中，两台主机之阀 的吞吐量从3 2 k b p s 下降n 3 4 0 b p s 。 只蹯鱼蠢 图3 - 1 网络负载与吞吐量及响应时间的关系 对于拥塞现象，我们可以进一步用图3 - 1 来描述。当网络负载较小时，吞吐 量基本上随着负载的增长而增长，呈线性关系，响应时间增长缓慢。当负载达到 1 1 电子科技大学硕士学位论文 网络容量时，吞吐量呈现出缓慢增长，而响应时间急剧增加，这一点称为k n e , 。 如果负载继续增加，路由器开始丢包，当负载超过一定量时，吞吐量开始急剧下 降，这一点称为a i 纸拥塞控制机制实际上包含拥塞避免( c o n g e s t i o na v o i d a n c e ) 和拥塞控制( c o n g e s t i o nc o n t r o l l i n g ) 两种策略。前者的目的是使网络运行在k n e e 附近，避免拥塞的发生；而后者则是使得网络运行在c l 难的左侧区域。前者是一 种“预防”措施，维持网络的高吞吐量、低延迟状态，避免进入拥塞；后者是一种“恢 复”措施，使网络从拥塞中恢复过来，进入正常的运行状态。 3 1 2 拥塞产生的原因 拥塞发生的主要原因在于网络能够提供的资源不足以满足用户的需求，这些 资源包括缓存空间、链路带宽容量和中间节点的处理能力。由于互联网的设计机 制导致其缺乏“接纳控制”能力，因此在网络资源不足时不能限制用户数量，而只 能靠降低服务质量来继续为用户服务，也就是“尽力而为”的服务。 p 瑚 s路由器1路由器2d 图3 2 ( a ) 原始网络 s路由器l路由器2d 图3 - 2 ( b ) 增大链路带宽后的网络 拥塞虽然是由于网络资源的稀缺引起的，但单纯增加资源并不能避免拥塞的 发生。例如增加缓存空间到一定程度时，只会加重拥塞，而不是减轻拥塞，这是 因为当数据包经过长时间排队完成转发时，它们很可能早已超时，从而引起源端 超时重发，而这些数据包还会继续传输到下一路由器，从而浪费网络资源，加重 网络拥塞。另外，增加链路带宽及提高处理能力也不能解决拥塞问题，例如，图 3 - 2 ( a ) 中，四个节点之间的链路带宽都是1 9 2 k b p s ，传输某个文件需要用时5 分钟；当第一个节点和第二个节点之间的链路带宽提高到1 m b p s 时( 如图3 2 ( b ) 所示) ，传输完该文件所需时间反而大大增加到了7 个小时! 这是因为在路由器 r 1 中，数据包的到达速率远远大于转发的速率，从而导致大量数据包被丢弃，源 第三章网络拥塞与间隙整形 端的发送速度被抑止，从而使得传输时间大大增加。即使所有链路具有同样大的 带宽也不能解决拥塞问题，例如图3 - 3 中， cd 图3 3 网络节点缓存溢出引发网络拥塞 所有链路带宽都是1 g b p s ，如果a 和b 同时向c 以1 g b p s 的速率发送数据， 则路由器r 的输入速率为2 g b p s ，而输出速率只能为1 g b p s ，从而产生拥塞。 单纯地增加网络资源之所以不能解决拥塞问题，是因为拥塞本身是一个动态 问题，它不可能只靠静态的方案来解决，而需要协议能够在网络出现拥塞时保护 网络的正常运行。目前对互联网进行的拥塞控制主要是依靠在源端执行的基于窗 口的t c p 拥塞控制机制。网络本身对拥塞控制所起的作用较小，但近几年这方面 的研究已经成了一个新的热点。 3 1 3 拥塞控制的基本原理 根据网络拥塞产生的原因，我们可以从相应的环节寻找拥塞控制的方法。比 如平缓网络流量，限制数据突发，增大网络节点带宽，资源优化管理，根据下游 节点判断上游节点的出口带宽等等。 按照实现的机制的不同，拥塞控制的方法可以分为两类： 1 开环拥塞控制 开环拥塞控制的基本思想是： a 造成拥塞的主要原因是网络流量通常是突发性的。数据包在网络中的流通 就像汽车在公路上行驶一样，在闲时发生交通堵塞的概率几乎为零，而在下班高 峰期时，几乎每个交通要道都在堵塞。原因就是交通高峰期，汽车的数量突增， 而可供行驶的道路有限，才造成交通堵塞。所以开环控制就是要在带宽资源有限 电子科技大学硕士学位论文 的情况下，尽可能的平滑高峰期的“车辆数 b 强迫数据包以一种可预测的速率发送。限制网络节点数据包发送的速率是 开环拥塞控制的中心的思想，当数据包以一种可预测的速率发送时，网络某一节 点上流通的数据包的量也应该是可以预测的，这样就能根据带宽资源的允许范围， 设置网络节点的发送速率了如果网络中每个节点在任一时刻的数据包流通量都 在许可范围，那这个网络也就理所当然的不会发生拥塞了。这就是开环拥塞控制 的思想。 开环拥塞控制是指在实现拥塞控制机制的时候，不去考虑当前网络的具体状 态。这一类拥塞控制机制只能通过好的设计来避免网络拥塞的发生。比如当前使 用最多的令牌桶算法和漏桶算法都属于开环拥塞控制的算法。开环拥塞控制原理 比较简单，其中心思想就是限制网络节点数据包或数据帧( 以下统称为数据包) 的平均发送速率。但是因为其设计时是将网络节点独立出来的，所以在实际应用 中，它不能根据网络状态来改变它所限制的最大发送速率或者平均发送速率。也 就是说，开环拥塞控制没有自适应能力，用户必须根据所在网络的实际情况来设 置这个速率。开环拥塞控制在a i m 网中广泛使用。 开环拥塞控制主要就是用于避免网络拥塞的发生。我们所研究的帧间间隙整 形就是属于开环拥塞控制的范围。 2 闭环拥塞控制 简单的说，闭环拥塞控制就是基于网络反馈机制的拥塞控制，它的设计原理 是通过三个步骤实现拥塞控制。 第一步，监控当前网络，发现何时何地发生拥塞； 第二步，把发生拥塞的消息传给能采取动作的站点； 第三步，调整网络状态，解决网络拥塞。 闭环拥塞控制的实现关键在于判断网络是否产生拥塞，以及拥塞的程度。一 般的，用下面的几个参数来衡量网络是否拥塞以及拥塞程度。 1 ) 缺乏缓冲区造成的丢包率。网络节点的缓冲区溢出必然会造成数据包的 丢失，一旦发生缓冲区溢出，应当反馈拥塞信息。 2 ) 平均队列长度。即使缓冲区足够大，如果在起等待队列过长，中的数据 包过多，也可能造成等待中的数据包的生存时间过期造成丢包。所以如果缓冲区 队列过长，也应当适时的反馈网络拥塞信息。 3 ) 超时重传的包的数目。在闭环拥塞控制中，目的端节点收到每个数据包 后都应返回相应的确认信息，当发送端节点在一定时限内没有收到该确认信息， 1 4 第三章网络拥塞与间隙整形 判定数据包丢失，并重传该数据包。当连续一段时间内超时重传的数据包的数目 超过一定数量，则确认网络中产生了拥塞。千兆网卡在流量大于2 0 0 m b p s 时，正 常的丢包率小于万分之五；百兆网卡在流量大于6 0 m b p s 时，正常的丢包率小于 万分之一。 4 ) 平均包延迟。数据包从发送到收到确认信息的时间长度称为数据包往返 时间，该时间一般会被自动统计，而某一个数据包的实际往返