网络所有权、服务模式和性能.pdf

下载 第1 3章网络所有权 服务模式和性能 13 1 概述 前几章已讨论了计算机网络技术的首要特征 网络规模 每种技术都可划入三种技术中的 一种 局域网 城域网或广域网 其中大部分属于局域网或广域网 这种划分有利于比较网络 结构 很有用处 本章继续讨论网络的另外三个特征 网络所有权 网络为所连计算机提供的服务类型和 系统性能 对每个特征 本章将介绍它们的基本概念 并用范例来说明在实际的网络中这些功 能是如何实现的 由于这些特征提供了各种技术相似和不同之处的许多细节 因而可以在它们 之间作更精确的比较 后面的章节将运用并扩展本章所引入的概念 尤其是本章中出现的两种服务模式将贯穿于 讨论协议软件的章节中 13 2 网络所有权 使用网络的公司或个人都可以拥有网络的硬件或软件 它们也可为通信公司所拥有 单个 公司或个人拥有和使用的网络称为私有 p r i v a t e 的 而公共线路运营商拥有的网络称为公有 p u b l i c 网络 局域网技术大多数用于私有网络 实际上 一栋大楼或一个站点的局域网通常为一个单位 所有 所以大多是私有网络 该单位购买局域网所需要的软件和硬件 安装线路 并操作网 络 大单位也可拥有连接多个地点的计算机的私有广域网 公司购买如包交换机之类的广域网 硬件 并操作网络 例如 单位设计网络连接 分配地址 控制路由 当然 私人公司只能在属于本公司的地方安装线缆 要建立私有广域网 公司必须向公共 线路运营商例如电话公司租用连接两个站点之间的线路 由于租用的线路只在公司的站点间传 送数据 其他公司不能介入 所以该广域网也被认为是私有的 与私有网络相反 公用网络类似于电话系统 任何用户都可以享受服务 并且连上计算 机 公用网络系统允许某用户的计算机与其他任何用户的计算机进行交流 公用网络要有吸引 力 就必须能供许多地方的许多用户使用 因此 绝大多数公用网络是广域网 对于网络来说 公用 p u b l i c 是指服务上的公用 而非所传输数据的公用 特别是公用 网络能提供私有 p r i v a t e 通信 当两台计算机通过公用网络来交换消息时 只有这两台计 算机能收到该数据 而且 虽然一些公用网络允许一组计算机进行通信 类似于电话会议 但公用网络没有广播地址 它不转发广播包 因此 这种网络的公用性 p u b l i c 和电话系统 有相似之处 只有那些付了服务费的用户才能使用 私有网络的主要优点是所有者有完全的支配权 所有者可以决定何时或如何使用网络 也 可决定哪些计算机允许连接 而且 所有者可确保网络与组织之外的计算机完全隔离 确保与 其他公司的计算机完全不发生联系 这种隔离可以保护组织的数据 可使公司的计算机或通信 第13章 网络所有权 服务模式和性能计计105 下载 不受外界的干预 这就提高了安全性 当然 一个大的私有网络在安装和维护上费用较高 除了购买网络硬件 公司必须雇用和 培训人员来安装 管理和运行网络 还需一些特殊工具和维护设备 更重要的是 网络技术发 展特别快 要跟上发展 费用也很大 网络工作人员必须学习新的技术来设计出可行的方案以 适应公司网络的需要 公用网络的主要优点是灵活 而且网络技术成熟 不需用户维护 公用网络的灵活性在于 任意地方的任何用户都可连到网络上 而且 不同公司的计算机之间连接和断开方式与公用电 话系统中语音的接通和断开一样 概述如下 私有网络为使用该网络的人所拥有 公用网络就和电话系统一样 属服务提供者 所拥有和操作 任何用户都可以使用公用网络与其他用户通信 13 3 虚拟私有网络 由于公用和私有网络各有优点 一种结合两者优点的新型技术出现了 这种称为虚拟私有 网络 Virtual Private Network V P N 的新技术允许有多个站点的公司拥有私有网络 但使用 公用网络作为线路 特别是尽管公司使用公用网络作为其站点间的连接 V P N技术可限制流通 使得包只在公司的站点之间传输 而且 即使外部人员偶尔接到一个包 V P N技术也能令他们 无法理解包的内容 为建立一个V P N 公司要为其每个站点购买一个特别的硬件和软件系统 该系统安放在公 司的私有 即内部 网络和公用网络之间 每个系统必须配置好该公司的其他V P N系统的地址 使软件只在这些V P N系统之间交换包 而且 为保护隐私 V P N在每个包发送前进行加密 除了为每个站点的V P N配置参数 网络管理员还要为站点配置路由 当一个站点的一台计 算机发送包到另一个站点的另一台计算机时 该包被路由到本地 V P N系统 该V P N系统检查目 的地址 加密包 然后通过公用网络将包发送到目的地站点的 V P N系统 当包到达时 接收方 的V P N系统验证该包来自合法地址 解密内容后将包转发到目的地 概述如下 虚拟私有网络综合了私有和公用网络的优点 允许有多个站点的公司拥有一个假 想的完全私有的网络 而使用公用网络作为其站点之间交流的线路 13 4 服务模式 我们已介绍了收发单个数据包的局域网和广域网系统 其中每个包都按该网络所定义的帧 格式来表达 虽然最低层的硬件通常传送包 但许多网络系统有附加设备可隐藏包的细节 并 为计算机提供高层机制来指定远程地址或收发数据 虽然不同网络中接口机制的细节各不相同 但有通用的接口类型 称为服务模式 为解释它们之间的异同 所有的网络接口可分为两大类服务模式 面向连接的服务 connection oriented service 无连接的服务 connectionless service 大多数的面向连接网络的运行与电话系统相似 实际上 许多面向连接的网络技术是由电 话公司发展起来的 两台计算机在通信之前必须通过网络建立一条连接 一台计算机向网络 请求与另一台计算机连接 类似于拨电话号码 另一台计算机同意连接 类似于接电话 两 台计算机都同意通信后 网络系统就形成一条数据通路称为连接 并通知这两台计算机 一旦 建立了连接 两台计算机就可以交换数据了 许多面向连接的服务都为计算机提供流接口 一 台计算机发出数据流 网络系统就将其分为包来传送 流接口使应用程序能在不知道包大小的 情况下通信 这是很方便的 通过连接进行的通信并不必连续 计算机可以暂时停止发送数据 例如进行计算 也 可以重新恢复 而连接一直存在着 直到计算机不需要了为止 任何一台计算机都可以终止连 接 计算机只要告诉网络不再需要连接了就可以 类似于挂断电话 无连接网络的运行与邮寄系统相似 当计算机要发送数据时 只要将数据装入适当的帧格 式并附上目的计算机的地址 类似于将信装入信封内 并在信封上写明地址 然后将帧送入 网络 类似于寄信 无连接网络将帧传送到指定目的地并交付 每种服务模式都有其优缺点 面向连接的服务模式主要优点在于记帐方便而且在连接中断 时能立即告诉通信的计算机 例如当硬件不能正常工作时 向顾客提供网络服务的公用网络 偏爱面向连接的服务 因为计算连接时间比计算包的数目要来得轻松 及时获知网络故障对使 用网络的应用程序很有用 虽然应用程序不能消除故障 但可通知用户或管理者 相反 无连 接系统中的故障可能不被发现 计算机在网络故障发生后仍继续发送包 无连接服务模式的主要优点是初始开销小 无连接网络允许计算机直接发送数据 而不 必等待连接 虽然大多数网络可以在几毫秒内完成连接 但它建立和终止连接所费时间要比发 送数据更长 而且一些应用程序并不需要连续对话 而是发出一个包 接收应答 等待较长的 一段时间后再发送另一个包 也许是发往另一个目的地 在这种情况下 无连接模式比面向连 接模式显得优越 服务模式概念可概括为 网络可提供面向连接或无连接的服务 提供面向连接服务的网络需要计算机在发 送数据前建立连接 提供无连接服务的网络则收发附有目的地的单个帧 计算机在通 信之前不必建立连接 13 5 连接期限与保持 我们认为大多数面向连接的网络操作象一个电话系统 建立连接 使用 断开 但是 在一 对计算机间还可以进行固定连接 术语交换连接 switched connection 和永久连接 p e r m a n e n t c o n n e c t i o n 可以用来区分这两种连接方式 尽管 交换 这一术语在数据网和传统电话网中 都使用 但两者技术是不同的 早期的计算机网络中 永久连接是通过固定硬件来实现的 网络所有者在计算机间安装 固定线路 在现代网络中 可以通过对网络进行配置 形成一个固定的通信线路来实现永久连 接 例如一组交换机可以配置成好象有一对计算机已经提出连接要求似的 由于永久连接需要 人工建立 所以它们通常需要保持几天 几个月或几年 更重要的是 一旦配置了永久连接后 配置就保存在稳定的存储器 例如磁盘 中 使得电源故障后 交换机也能自动重 建连接 因此 从计算机角度来说 连接 一直保持到网络瘫痪 与永久连接相反 计算机在需要通信 时必须建立交换连接 每台计算机与网络 一直保持物理连接 就好比用户与电话系 统一直保持物理连接一样 计算机可以要 106计 计算机网络与因特网 下载 图13 1 使用交换连接网络的计算机 a 显示计算机1与3通信 同时5与6通信的实例 b 显示接下来同一网络中1与2通信 同时3与5通信 a b 求网络建立与其他计算机的逻辑连接 暂时使用它 最后要求网络终止连接 图 1 3 1描述这一 思路 虽然可保持适当的交换连接达相当长的时间 但大多数交换连接只维持一段很短的时间 例如从几分之一秒到几分钟 更重要的是 如果计算机在使用交换连接时发生崩溃 则计算 机在重新启动后要重新建立连接 交换 s w i t c h i n g 这一术语最初来源于电话系统 处理电话呼叫的那些设备称为交换机 s w i t c h 现在交换机这一术语用于数据网络中的电子设备 因而这种网络有时也称为交换数 据网络 switched data network 即使网络并不提供交换连接 交换网络这个术语也可用来指 允许计算机将数据传送到多个目的地的网络 许多网络还利用电话交换中的另一思想来提供交换连接 多重并发呼叫 网络允许一台计 算机同时建立多个交换连接 并可指定这些连接各与哪台计算机相连 当然 如果计算机与网 络只有一个物理连接 则计算机一次只能沿一条逻辑连接发送数据 永久连接的主要优点是保持性并确保可用 由于永久连接在发生冲突或其他问题时都依然 存在 因而它不需要维护 而且 一个永久连接网络总处于随时接收状态 计算机无需等候 网络系统建立连接 交换连接的主要优点是灵活性和通用性 由于交换连接的建立或改变能以电子方式实现 因而无需建立或改变物理线路 而且 一个交换网络对每台计算机只需要一个物理连接 当 一台计算机想与别的计算机通信时不需要安装或改变线路 概述如下 现代网络使用电子交换机来提供通信 在这种网络中 所有者可以通过配置交换 机来建立永久连接 但交换连接则是在所连接计算机提出要求时才建立 永久连接在 计算机或网络重新启动后依然存在 交换连接则做不到 13 6 服务模式实例 局域网的基本技术如以太网 令牌环网和 F D D I都使用了无连接服务模式 虽然计算机在 发送包之前要等候访问共享媒介 但它无需建立连接 实际上 服务模式不依赖于布线方案 局域网技术的所有形式 包括集线器 桥接网及交换局域网都是无连接的 在公用广域网中 面向连接及无连接服务模式都得到了应用 例如 帧中继使用了面向连 接的模式 计算机在通过帧中继网络进行通信前必须建立连接 而且 帧中继支持被称为交换 虚拟电路 switched virtual circuit S V C 的交换连接和被称为永久虚拟电路 p e r m a n e n t virtual circuit P V C 的永久连接 由于电路是由软件来建立的 因而被称为是虚拟的 软件 对每个电路都设置了一个标识 以此来标记每个要发送的包 并通过唯一的物理连接来发送许 多虚拟电路的数据 路径上的交换机利用电路标识把包送到目的地 象帧中继一样 S M D S也应用在公用广域网中 不同之处在于 S M D S提供的是无连接模 式 S M D S网络所连的计算机可在任何时候将包发送到任何目的地 每个帧的头部有目的地址 不需要连接 我们知道AT M技术在公用或私有的广域网 局域网中均可应用 所有这些应用中 AT M 都使用了面向连接的模式 两台计算机间只有在建立了连接之后才能通过 AT M网络进行通信 如同帧中继一样 AT M也提供永久及交换虚拟电路 每个 AT M连接都保证最小带宽和延迟上 限 图1 3 2列出了这些技术特性 第13章 网络所有权 服务模式和性能计计107 下载 108计 计算机网络与因特网 下载 图13 2 一些技术的主要特性概览 适于运用在公用网络中的广域网技术 13 7 地址与连接标识 在无连接网络中 每个包必须包含目的地址 但是在面向连接的服务中 通常使用缩略地 址 当计算机第一次要求一个新的连接时 它会向网络发送一个信息 指明目的地址 一旦建 立了连接 网络就会发出响应信息来确定连接 并指定所用的连接标识 connection identifier 通常连接标识是一个小的整数 比完整的目的地址简单得多 当计算机收发数据时 它就只使 用连接标识 而不是目的地址 由于连接标识使数据包头变小了 所以它降低了开销 例如 AT M网络中使用的目的地址 格式是1 6 0位 由于AT M是面向连接的技术 单个 AT M信元并不含有完整的目的地址 相反 每次建立一个连接 AT M网络就会向计算机提供一个2 8位的连接标识 一旦建立了连接 就不 再使用目的地址 计算机将2 8位的连接标识放入每个发送的信元中 这样每个信元都含有 2 8 位连接标识 有趣的是 连接标识在一条AT M连接的两端独立地指定 连接标识不是全局值 因此 在 一条连接的一端 标识可能是 1 7 而在同一条连接的另一端 标识则为 1 2 路径上的交换机 保持连接标识表 并当信元在网络中传送时翻译标识 图1 3 3说明了这一思路 实际应用中 AT M将连接标识分为两 部分 使其具有分层路由 两部分分别是 1 2位的虚拟路径标识 virtual path identifier V P I 和一个1 6位的虚拟电路标识 v i r t u a l circuit identifier V C I V P I用于路由到目 的地交换机 而V C I用于标识与该交换机相 连的计算机 与第1 2章中的分层路由不同 V P I并不与交换机编码对应 相反 由于沿 途每个交换机会重写信元头中的V P I及 V C I 实际值在每台交换机上会有改变 13 8 网络性能特性 网络可以不规范地分为低速 low speed 或高速 high speed 不过这种定义并不恰当 因为网络技术发展如此迅速 以至于被称为高速的网络短短三四年就会淘汰为中速或低速 因 此 科学家或工程师不用不规范的定性用语 而是用定量指标来衡量 虽然初学者对定量指标 不太好理解 常常宁可用不规范的定性描述 但由于可以比较任何两个网络 定量指标还是很 技术 面向连接无连接用于局域网 用于广域网 以太网 令牌环 FDDI 帧中继 SMDS ATM Local Talk 使用标识12 逻辑连接 使用标识8 使用标识9 6 使用标识17 图13 3 通过一台A T M 交换机的两条逻辑连接和 相应的标识 每条连接每一端都独立分配 一个标识 当信元在网络中传送时 A T M 网络解释信元头中的标识 A T M 交换机 第13章 网络所有权 服务模式和性能计计109 下载 重要的 本节将定义网络的两个基本定量指标 并指出它们与容量之间的关系 13 8 1 延迟 可以定量衡量的最重要的网络特性是延迟 d e l a y 延迟可以说明一个网络在计算机之间 传送一位数据需要花费多少时间 用秒或几分之一秒来表示 根据通信的计算机所处的位置不 同 延迟稍有差别 虽然用户只关心网络的总的延迟 但工程师们仍需作出精确的测量 因此 工程师们通常指明最大延迟和平均延迟 并把延迟分为几个部分 网络中的一些延迟是由于信号通过电线或光纤传送时需要时间 这部分延迟称为传播延迟 propagation delay 通常与所传播的距离成正比 例如 一栋大楼内的典型局域网延迟为一 个毫秒 虽然这点延迟对人而言看似可以忽略不计 但在现代计算机中却可完成十万条指令 因此 一毫秒延迟对计算机是很明显的 使用地球轨道卫星的网络在洲际间中转数据时 其延 迟更大 即使是光速 一个位从地球到卫星再从卫星传回地球也要超过一百毫秒 网络中的电子设备 如集线器 网桥或包交换机 引入了另一种延迟 即交换延迟 switching delay 电子设备在发送包之前必须等包的所有位都到达 还要花点时间来选择下 一站 使用高速C P U及专用的硬件可使交换延迟不那么明显 由于大多数局域网使用共享介质 计算机只有在通信介质空闲的时候才能进行通信 例如 以太网使用C S M A C D 令牌环网络则要求发送者等待一个令牌 这种延迟通常并不长 称为 访问延迟 access delay 最后还有一种延迟是发生在包交换广域网中 作为存储转发过程的一部分 每个交换机将 传来的包排成队列 如果队列中已有包 则新到的包需等候 直到交换机发送完先到的包 这 种延迟称为排队延迟 queueing delay 13 8 2 吞吐量 可以定量衡量的第二个网络特性是吞吐量 t h r o u g h p u t 吞吐量是数据通过网络传输的速 率 它通常以位每秒 bits per second b p s 来表示 大多数网络吞吐量是几个兆位每秒 million bits per second M b p s 但早期通信系统吞吐量只有每秒 3 0 0或1 2 0 0位 现有网络吞 吐量可以高达几个每秒千兆 gigabits per second G b p s 一个G b p s为十亿位每秒 由于吞吐量可用几种方法进行测量 因而要小心明确地指出测量了什么 例如 第 4章中 我们已经知道 硬件的吞吐容量称为带宽 b a n d w i d t h 实际上 带宽这一术语有时作为吞吐 量的同义词 但是 程序员和用户并不关心硬件容量 他们关心的是网络传输数据的速率 尤其在大多数技术中 每个帧都有一个头部 这意味着有效吞吐量 e ffective throughput 即 计算机传递数据的速率 比硬件带宽低 但是硬件带宽常用来近似表示网络的吞吐量 因为带 宽规定了吞吐量的上限 用户传输数据的速率不可能比硬件快 网络专家常用速度 s p e e d 一词用作吞吐量的同义词 例如 网络的速度是1 0 M b p s 虽然这种表述很常见 但他们将延迟与吞吐量两个概念混淆了 事实上 吞吐量是容量的度量 而非速度 为理解这层关系 可以想象一个网络就好比一条公路 沿网络传送的包就好比沿公 路行驶的汽车 吞吐量决定了每秒可有多少辆汽车驶进公路 而延迟决定了每辆车从一个地方 到另一个地方所需的时间 例如 公路每五秒可容纳一辆车 即吞吐量为 0 2辆每秒 如果这 辆车驶完全程要3 0秒 则公路的延迟为3 0秒 现在考虑如果两地间有了第二条通道 即容量加 倍 那么每五秒就可允许两辆车 即吞吐量为 0 4辆每秒 然而延迟不变 仍为3 0秒 因为每 辆车仍需驶完全程 因此 当考虑网络的度量时 记住 110计 计算机网络与因特网 下载 网络延迟用秒计量 表示一个位在网络中传送所需的时间 网络吞吐量用位每秒 来计量 表示单位时间有多少位的数据可进入网络 吞吐量是网络容量的度量 13 8 3 延迟与吞吐量的关系 理论上延迟与吞吐量是独立的 但实际上它们是相关的 可以用上述的公路来帮助理解这 一点 如果汽车等时间间隔驶进公路 则同速的汽车在路上是等间距的 如果某辆汽车速度变 慢 它后面的汽车也会随之变慢 暂时引起交通阻塞 在阻塞的公路上行驶的汽车要比在没有 阻塞的公路上行驶时延迟大 网络情况与此相似 如果包交换机有一个等待队列 当新的包传 来的时候 就被放置在队尾并等候交换机发送它前面的包 与严重的交通阻塞类似 过量的流 通在网络上称为拥塞 c o n g e s t i o n 显然 进入拥塞网络中的数据会比在空闲网络中的延迟 长 计算机专家研究了延迟与拥塞的关系 发现在许多情况下 延迟可由当前网络容量的百分 比来估计 以D0表示网络空闲时的延迟 U是0到1之间的一个数 表示当前网络容量的使用率 有效延迟D由下面的简单公式给出 D D0 1 U 当网络完全空闲时 U等于零 有效延迟为D0 当网络使用量为1 2容量时 有效延迟将加 倍 当网络使用量接近网络容量时 即 U约为1时 延迟将无限大 虽然这个公式只估计将会 发生什么 我们仍然可以断定 吞吐量和延迟并不完全独立 当网络流量增加时 延迟将增加 当网络流量接近 于吞吐容量的1 0 0 时 会有很大的延迟 13 8 4 延迟 吞吐量的乘积 一旦知道网络的延迟与吞吐量 就可以计算另一个有趣的度量 延迟 吞吐量乘积 d e l a y throughput product 当用于计算机硬件时 延迟 吞吐量乘积常称为延迟 带宽乘积 为理解 延迟 吞吐量乘积的意义 可考虑公路例子 如果汽车以T辆每秒的固定速率驶入公路 并且 每辆车驶完全程需D秒 则当第一辆车驶完全程时 已有T D辆汽车驶进公路 因此任何时候 路上可有T D辆车 用网络术语来表示 延迟与吞吐量乘积表示网络中可容纳的数据量 吞吐量为 T 延迟为D的网络上 任何时候都有T D