《網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模型 》PPT課件.ppt

第二章 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模型,模型的重要性,網(wǎng)絡(luò)算法學(xué)包含以下幾個(gè)不同的領(lǐng)域： 協(xié)議，硬件，體系結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)，算法。 不同領(lǐng)域的專(zhuān)家通過(guò)簡(jiǎn)單的模型進(jìn)行對(duì)話： 模型描述了問(wèn)題的要點(diǎn)，又不涉及不必要的細(xì)節(jié) 最低程度：模型應(yīng)能定義所需要的術(shù)語(yǔ) 最好情況：領(lǐng)域外的專(zhuān)家可以根據(jù)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并可由領(lǐng)域內(nèi)的專(zhuān)家對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證,2.1 協(xié)議抽象模型,協(xié)議定義了通信實(shí)體之間交換的報(bào)文的格式和次序，以及在報(bào)文發(fā)送、接收或收到其它事件后采取的動(dòng)作。 協(xié)議是一個(gè)加上了接口和報(bào)文格式的狀態(tài)機(jī)。 協(xié)議規(guī)范描述狀態(tài)機(jī)如何改變狀態(tài)，以及如何響應(yīng)接口調(diào)用、消息到達(dá)和定時(shí)器事件。,常見(jiàn)而耗時(shí)的功能,與數(shù)據(jù)包收發(fā)有關(guān)的功能： 交換，數(shù)據(jù)拷貝，檢查和計(jì)算，內(nèi)存分配等。 與協(xié)議處理有關(guān)的功能： 重組數(shù)據(jù)包 查找及修改狀態(tài) 設(shè)置定時(shí)器 調(diào)度任務(wù) 數(shù)據(jù)包交付給應(yīng)用： 解復(fù)用 控制切換,重要的性能指標(biāo),網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)最重要的性能指標(biāo)： 吞吐量：每秒處理的包數(shù)（pps）或比特?cái)?shù)（bps）。 延遲：處理一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間（典型地為最壞情況）。 性能測(cè)量分為： 全局性能測(cè)量：如端到端延遲和帶寬，使用網(wǎng)絡(luò)管理工具（如OpenView）進(jìn)行測(cè)量。 本地性能測(cè)量：如路由器查找速度，使用計(jì)算機(jī)內(nèi)部的性能測(cè)量工具（如Oprofile, Vtune）測(cè)量。 本課程關(guān)注本地性能。,因特網(wǎng)環(huán)境的特點(diǎn),鏈路速度： 骨干鏈路達(dá)到10Gbps和40Gbps，本地鏈路達(dá)到1Gbps。 無(wú)線鏈路和家庭網(wǎng)鏈路的速度要低幾個(gè)量級(jí)。 TCP和web占主導(dǎo)（目前P2P流量占主導(dǎo)）。 小包：路由器收到的包中大約一半為最小長(zhǎng)度（40字節(jié)）的TCP響應(yīng)包。 Small transfers：訪問(wèn)最多的web文檔都比較小。 延遲很長(zhǎng)：實(shí)際來(lái)回延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)光的傳輸延遲。 局部性很差：在一個(gè)包上執(zhí)行的計(jì)算在未來(lái)短時(shí)間內(nèi)重用到另一個(gè)包上的可能性很小。,2.2 存儲(chǔ)器,寄存器： 由一組有序的觸發(fā)器構(gòu)成，訪問(wèn)同一個(gè)片上寄存器的耗時(shí)大約為0.5-1 ns。 SRAM： 由一組寄存器構(gòu)成。一般情況下，片上SRAM的訪問(wèn)時(shí)間為1-2ns，片外SRAM的訪問(wèn)時(shí)間為5-10ns。 DRAM： 片上DRAM的訪存延遲大約為30ns，最快的片外DRAM訪存延遲為40-60ns，連續(xù)讀的延遲約為100ns。,2019/7/3,page-mode DRAM（快頁(yè)內(nèi)存）： 以4字節(jié)突發(fā)模式傳送數(shù)據(jù)，有利于局部性好的訪問(wèn)模式。 Interleaved DRAM（交錯(cuò)內(nèi)存）： 幾個(gè)DRAM bank集成到一個(gè)內(nèi)存芯片中，復(fù)用數(shù)據(jù)線和地址線。 SDRAM（2個(gè)bank），RDRAM（16個(gè)bank）,2019/7/3,舉例：流水化的流ID查找,應(yīng)用需求： 路由器統(tǒng)計(jì)每個(gè)流發(fā)送的包數(shù) 每個(gè)流用五元組（共96位）進(jìn)行描述。 線速處理要求： 對(duì)于2.5Gbps鏈路和40字節(jié)最小數(shù)據(jù)包，流ID的查找時(shí)間不能超過(guò)128ns。（40*8/2.5Gb/s = 128ns） 問(wèn)題規(guī)模： 核心路由器中大約有100萬(wàn)條并發(fā)的流。,2019/7/3,設(shè)計(jì)方案考慮,需要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 每個(gè)流維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器 支持插入和查找兩種操作，查找為針對(duì)流ID的精確匹配 要求限制最壞情況下的查找時(shí)間（考慮使用平衡二叉樹(shù)） 使用SRAM實(shí)現(xiàn)？ 維護(hù)100萬(wàn)條流的狀態(tài)，代價(jià)太高。 使用普通DRAM實(shí)現(xiàn)？ 若實(shí)現(xiàn)分支因子為2的二叉樹(shù)，查找一個(gè)流需要20次訪存；按照訪存周期50ns計(jì)算，查找時(shí)間為1微秒。,2019/7/3,使用RDRAM實(shí)現(xiàn)二分查找,使用具有16個(gè)bank的RDRAM實(shí)現(xiàn)樹(shù)高為16的二叉樹(shù)，樹(shù)中第i層的所有節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)在bank i中。 查找芯片同時(shí)對(duì)16個(gè)數(shù)據(jù)包（流ID）進(jìn)行查找，比如： 用第1個(gè)包的流ID查找bank 1中的根節(jié)點(diǎn)，然后查找bank 2中的第二層節(jié)點(diǎn)； 稍后用第2個(gè)包的流ID查找bank 1中的根節(jié)點(diǎn)； 依次類(lèi)推； 當(dāng)數(shù)據(jù)包1的查找“線程”正在訪問(wèn)bank 16時(shí)，數(shù)據(jù)包16的查找線程在訪問(wèn)bank 1。 總的查找性能為每個(gè)流ID一次查找時(shí)間，約為60ns。,2019/7/3,使用RDRAM實(shí)現(xiàn)M=3的B-樹(shù),RDRAM允許快頁(yè)模式，可一次性讀8個(gè)32比特的字（256比特）。 256比特的字可以存放2個(gè)96比特的流ID，以及3個(gè)20比特的指針。 構(gòu)造一棵高度為16、M=3的B-樹(shù)，可以保存31643,000,000個(gè)流ID。,2019/7/3,M=3的B-樹(shù)示例,2019/7/3,網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù),內(nèi)存交錯(cuò)和流水線： 類(lèi)似的技術(shù)也可用于IP查找、包分類(lèi)和包調(diào)度等。 多個(gè)bank可以用多個(gè)外部存儲(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 寬字并行： 使用DRAM，并利用其快頁(yè)模式； 或者使用SRAM，并使得每個(gè)內(nèi)存字更寬。 組合DRAM和SRAM： SRAM快而貴，DRAM便宜卻慢，將這兩種技術(shù)組合起來(lái)可以得到一個(gè)最佳的平衡。,2019/7/3,2.3 端節(jié)點(diǎn)架構(gòu),端節(jié)點(diǎn)是通用計(jì)算機(jī)，由處理器、存儲(chǔ)器、總線和I/O設(shè)備組成。 處理器是一個(gè)狀態(tài)機(jī)，以一系列指令和數(shù)據(jù)作為輸入，寫(xiě)輸出到I/O設(shè)備。 大部分的處理器狀態(tài)保存在外部DRAM（主存）中。主存通常用1GB或更大的交錯(cuò)內(nèi)存實(shí)現(xiàn)，訪問(wèn)時(shí)間長(zhǎng)（如60ns）。 處理器使用cache來(lái)提高速度： Cache為容量相對(duì)較小的SRAM，保存最常使用的狀態(tài)。 某些SRAM（如L1、L2 cache）位于處理器芯片中。 更多的SRAM（如L3 cache）位于處理器芯片外。,2019/7/3,Cache的使用效果與時(shí)空局部性,當(dāng)指令和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)時(shí)間局部性和空間局部性時(shí)，cache的使用效果非常好： 時(shí)間局部性：一個(gè)存儲(chǔ)位置在短時(shí)間內(nèi)被頻繁訪問(wèn)。 空間局部性：一個(gè)存儲(chǔ)位置被訪問(wèn)后，其鄰近位置在短時(shí)間內(nèi)被訪問(wèn)。 X86處理器利用DRAM的訪存特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)預(yù)?。好慨?dāng)讀取一個(gè)32比特字時(shí)，處理器預(yù)取連續(xù)的128比特到cache中。 高速數(shù)據(jù)包流基本不呈現(xiàn)時(shí)間局部性，因此，協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)注意提高算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的空間局部性非常重要。,2019/7/3,端節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)模型,網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的吞吐量受限于最慢的總線（通常是I/O總線）。 協(xié)議處理通常涉及多次數(shù)據(jù)包拷貝，每個(gè)數(shù)據(jù)包都要穿過(guò)總線幾次。 處理器性能的提高消除了計(jì)算瓶頸，但無(wú)助于消除數(shù)據(jù)移動(dòng)瓶頸。,2019/7/3,2.4 路由器架構(gòu)模型,路由器是具有一組輸入鏈路和一組輸出鏈路的設(shè)備，其任務(wù)是將數(shù)據(jù)包從輸入鏈路交換到輸出鏈路。 路由器的三個(gè)主要性能瓶頸： 查找 交換（數(shù)據(jù)包移動(dòng)） 輸出排隊(duì),2019/7/3,查找,IP地址查找（chapter 11）： 按照最長(zhǎng)前綴匹配原則，查找FIB（Forwarding Information Base），確定數(shù)據(jù)包的下一跳。 早期的路由器由主CPU完成地址查找，當(dāng)今最高端的路由器使用專(zhuān)用芯片完成查找，一些要求實(shí)現(xiàn)新功能（如web 負(fù)載均衡）的路由器使用網(wǎng)絡(luò)處理器進(jìn)行查找。 數(shù)據(jù)包分類(lèi)（chapter 12）： 按照五元組將數(shù)據(jù)包劃分到某一個(gè)流中。,2019/7/3,交換,路由器內(nèi)部的交換機(jī)制將數(shù)據(jù)包從輸入鏈路 i 傳送到輸出鏈路 j。 早期的路由器使用總線作為交換機(jī)制： 假設(shè)存在N條輸入鏈路，每條鏈路的速率為B，則總線上的負(fù)載達(dá)到BN，成為系統(tǒng)瓶頸。 今天的路由器采用并行交換機(jī)制，如crossbar交換機(jī)： 每條輸入和輸出鏈路使用各自的總線，通過(guò)交換機(jī)內(nèi)部的交叉開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)連通。 交換機(jī)調(diào)度是瓶頸，其問(wèn)題規(guī)模也是BN。,2019/7/3,排隊(duì),當(dāng)數(shù)據(jù)包被交換到輸出鏈路后，需要排隊(duì)等候發(fā)送。 許多早期的路由器使用一個(gè)FIFO隊(duì)列。 更復(fù)雜的調(diào)度策略可實(shí)現(xiàn)帶寬公平分配或延遲保證： 每條輸出鏈路設(shè)置多條隊(duì)列 數(shù)據(jù)包按照一定的原則（優(yōu)先級(jí)、業(yè)務(wù)類(lèi)型、流ID等）放入某個(gè)隊(duì)列 隊(duì)列調(diào)度器每次從一個(gè)隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)包發(fā)送 隊(duì)列調(diào)度器是瓶頸。,2019/7/3,其它任務(wù),包頭檢查和修改：一般由硬件完成 選路（RIP，OSPF，BGP）：由主處理器完成。 協(xié)議處理（TCP，UDP，ICMP）：由主處理器完成。 分片、重定向、ARP：在快路徑還是慢路徑上完成，有不同的做法。 基于內(nèi)容的交換：快速URL匹配 流量測(cè)量：快速流匹配 ,2019/7/3,2.5 操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)是為解決在裸機(jī)上編程困難而設(shè)計(jì)的。 與裸機(jī)打交道的三個(gè)最主要難題是：處理中斷，管理內(nèi)存，控制I/O設(shè)備。 為處理這些困難，操作系統(tǒng)提供了不間斷計(jì)算、無(wú)限存儲(chǔ)和簡(jiǎn)單I/O的抽象。 抽象在提高程序員生產(chǎn)效率的同時(shí)，帶來(lái)了兩個(gè)代價(jià)： 實(shí)現(xiàn)抽象的機(jī)制是有代價(jià)的 抽象阻礙了程序員對(duì)資源的充分利用,2019/7/3,（1） 依靠進(jìn)程實(shí)現(xiàn)不間斷計(jì)算的抽象,操作系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)程提供給程序員不間斷、順序計(jì)算的抽象。 進(jìn)程抽象通過(guò)三個(gè)機(jī)制實(shí)現(xiàn)：上下文切換，調(diào)度，保護(hù)。,2019/7/3,進(jìn)程的三種類(lèi)型,中斷處理程序： 僅用于處理緊急請(qǐng)求的短小程序。 只使用少量的狀態(tài)（如幾個(gè)寄存器），開(kāi)銷(xiāo)最小。 線程： 輕量級(jí)的進(jìn)程，只需要較少的狀態(tài)。 同一個(gè)進(jìn)程中的線程切換比進(jìn)程切換開(kāi)銷(xiāo)小。 用戶進(jìn)程： 使用計(jì)算機(jī)的全部狀態(tài)，比如內(nèi)存和寄存器。 用戶進(jìn)程之間切換的代價(jià)很高。,2019/7/3,舉例：接收端活鎖（Receiver Livelock）,計(jì)算機(jī)將所有的時(shí)間用來(lái)處理數(shù)據(jù)包中斷，卻因?yàn)闆](méi)有時(shí)間運(yùn)行應(yīng)用程序，而最終將數(shù)據(jù)包丟棄。,2019/7/3,進(jìn)程啟動(dòng)時(shí)間,在Pentiem IV計(jì)算機(jī)上，一個(gè)空的中斷調(diào)用，中斷延遲大約為2微秒。 在一個(gè)具有兩個(gè)進(jìn)程的Linux機(jī)器上，進(jìn)程上下文切換約用時(shí)10微秒；Windows和Solaris用時(shí)更多。 在1Gbps鏈路上，10微秒時(shí)間內(nèi)可能會(huì)有30個(gè)最小長(zhǎng)度（40字節(jié)）的包到來(lái)。 端節(jié)點(diǎn)上網(wǎng)絡(luò)程序的延遲和吞吐量和進(jìn)程啟動(dòng)時(shí)間有關(guān)。,2019/7/3,（2）依靠虛擬內(nèi)存實(shí)現(xiàn)無(wú)限存儲(chǔ)的抽象,在虛擬內(nèi)存系統(tǒng)中，程序員使用的內(nèi)存抽象是一個(gè)線性存儲(chǔ)空間，編譯器在該空間內(nèi)指定變量的地址。 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用基于頁(yè)的映射方法： 一個(gè)虛擬頁(yè)為4KB，用虛擬地址的高20位構(gòu)成頁(yè)號(hào)，低12位構(gòu)成頁(yè)內(nèi)偏移量。 物理內(nèi)存劃分為物理頁(yè)，每個(gè)物理頁(yè)的大小為4KB。 虛擬頁(yè)到物理頁(yè)的映射關(guān)系被保存到一個(gè)頁(yè)表中，以虛擬頁(yè)號(hào)作為索引。 （頁(yè)表映射） 虛擬頁(yè)也可以不在內(nèi)存中，當(dāng)需要時(shí)從磁盤(pán)讀入到內(nèi)存的一個(gè)物理頁(yè)中。（請(qǐng)求調(diào)頁(yè)）,2019/7/3,基于頁(yè)的內(nèi)存映射,2019/7/3,虛擬內(nèi)存抽象帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo),到虛擬地址X的一個(gè)讀操作可能需要訪問(wèn)主存兩次： 第一次訪問(wèn)頁(yè)表，將X轉(zhuǎn)換成物理地址P； 第二次訪問(wèn)地址P。 現(xiàn)代處理器將最近使用過(guò)的地址映射緩存在TLB中，實(shí)際的地址轉(zhuǎn)換由MMU完成。 極其影響內(nèi)存訪問(wèn)速度的兩個(gè)因素： TLB miss 調(diào)頁(yè),2019/7/3,（3）通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單I/O的抽象,操作系統(tǒng)提供給程序員的設(shè)備抽象是可以進(jìn)行讀寫(xiě)的一塊內(nèi)