《互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議分析與設(shè)計》閱讀報告

1、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議分析與設(shè)計閱讀報告姓名：劉建飛 學號：1. 論文基本情況論文標題： The Design Philosophy of the DARPA Internet Protocols發(fā)表會議/期刊: Proc. SIGCOMM 88, Computer Communication Review Vol. 18, No. 4, August 1988, pp. 106114)其他參考文獻: V. Cerf, and R. Kahn, "A Protocol for Packet Network Intercommunication", IEEE Transactions o

2、n Communications, Vol. 22, No. 5, May 1974, pp. 637-648Jonathan B. Postel "Internetwork Protocol Approaches", IEEE Transactions on Communications, Vol. Com-28, No. 4, April 1980, pp. 605-6112. 論文摘要(Abstract)現(xiàn)有的論文和規(guī)范描述了協(xié)議如何工作，但有時很難知道協(xié)議為什么是這樣的。比如因特網(wǎng)協(xié)議的設(shè)計一開始并沒有數(shù)據(jù)報和無連接配置，但是現(xiàn)在有了，TCP、Ip 的分層協(xié)議，一開

3、始也是沒有的，這些變化的產(chǎn)生都是經(jīng)過很多重復的實驗和測試的。本文試圖理清互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議早期的推理形成思路，為互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供一個很好的上下文。3. 研究動機(Motivation/Introduction)雖然網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是使用廣泛且容易找到的，但有時很難闡述這樣設(shè)計的動機和原因。事實上，設(shè)計的哲學從第一版協(xié)議到現(xiàn)在經(jīng)歷了很多演變。有一些現(xiàn)在重要的設(shè)計理念在最開始是沒有受重視的，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的變化是在標準制定前反復實施和測試模式產(chǎn)生的。網(wǎng)絡(luò)的體系現(xiàn)在仍在發(fā)展，I了解設(shè)計的歷史有助于設(shè)計新的拓展。本文編目了互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的原始目標，并且討論這些目標和協(xié)議重要特征之間的關(guān)系。4. 相關(guān)工作(Related W

4、ork)其他協(xié)議介紹論文。5. 解決方案(Solution)最高目標：對現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)進行有效的復用。最初的目標就是想把當初的ARPANET和ARPA分組無線網(wǎng)絡(luò)連接起來，讓后者的用戶可以享受前者提供的服務(wù)。當時設(shè)計人員就已經(jīng)假定會有各種各樣其它的網(wǎng)絡(luò)共存。為了適應(yīng)多元的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇了包交換技術(shù)，電路交換的應(yīng)用如遠程登入也是依靠報文交換實現(xiàn)的，且已有的互聯(lián)網(wǎng)中存在包交換。因此包交換應(yīng)該成為互聯(lián)網(wǎng)體系的一個部件。在現(xiàn)有存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)層次的包交換，通過稱為網(wǎng)關(guān)的因特網(wǎng)數(shù)據(jù)包交換器進行互聯(lián)。從這些假設(shè)中產(chǎn)生了互聯(lián)網(wǎng)體系的雛形：一個很大的基于包交換技術(shù)的環(huán)境中，大量各種各樣、亂七八糟的網(wǎng)

5、絡(luò)通過使用一種稱之為網(wǎng)關(guān)的包交換處理機實現(xiàn)了互聯(lián)，在這種網(wǎng)關(guān)里面執(zhí)行的是一種存儲轉(zhuǎn)送包交換算法。何為有效？1. 容錯性：網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)絡(luò)錯誤，傳輸繼續(xù)2. 適用性，服務(wù)通用性：支持多種通信服務(wù)3. 網(wǎng)絡(luò)通用性：適用于不同的網(wǎng)絡(luò)4. 分布式管理：允許分布管理資源5. 成本效益6. 便捷：主機可以方便互聯(lián)，聯(lián)網(wǎng)7. 可計量：計量計費優(yōu)先目標的順序不同，設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也不一樣。比如軍事，經(jīng)濟應(yīng)用等。1. 容錯性最重要的目標：如果兩主機溝通是網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了暫時的故障，主機是無感知的，互聯(lián)網(wǎng)可以繼續(xù)提供通信服務(wù)。實現(xiàn)：傳輸層的接口上不提供任何網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的服務(wù)，都是對底部無感知的服務(wù)層。實現(xiàn)這種通信需要保護狀態(tài)信

6、息，傳送包數(shù)，應(yīng)答數(shù)，還有流量控制信息。討論了副本和命運共享兩種保存狀態(tài)的方案。命運共享的容錯性和實現(xiàn)難度都更好，并且引出兩個推論：第一，無論中間包交換節(jié)點還是網(wǎng)關(guān)，都不能攜帶包含持續(xù)互聯(lián)的實質(zhì)性信息，換句話說，他們是無狀態(tài)信息的包交換，因此有時候這種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計被稱為“報文”網(wǎng)絡(luò)，他們自己帶著尋址信息，并不管中間怎么走；第二，在這個體系中主機的作用更主要，因為它不像有些網(wǎng)絡(luò)本身就可以保障數(shù)據(jù)傳輸安全。如果主機可以搞定數(shù)據(jù)傳輸中的各種問題，那么應(yīng)用層就不需要再去費心這些事了。2. 多種類的服務(wù)不同服務(wù)存在著巨大的差異，在速度、延遲和可靠性方面都有不同的要求。最開始的TCP是面向雙向可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)模?/p>

7、可以應(yīng)對遠程登陸和文件傳輸這兩種需求不同的服務(wù)，然而當人們意識到有多少種服務(wù)的時候就知道用一個協(xié)議是不夠的。比如有些服務(wù)并不需要可靠的傳輸。因此體系必須容忍同時發(fā)生的傳輸對可靠性、延遲、帶寬有著不同的要求。這個目標導致了TCP和IP的產(chǎn)生，從原來的一個層變成現(xiàn)在的兩個層。TCP提高可靠的順序的數(shù)據(jù)流傳輸服務(wù)，而IP則提供一個基本的隔離區(qū)，把各種不同的服務(wù)都隔離在IP層之下。這種隔離區(qū)里面用的是支持持續(xù)連接的報文傳遞。此時報文傳遞“很高效”，但是可靠性不能得到保障。我們可以另外建立一個可靠的服務(wù)（通過更高層次上的確認重傳機制實現(xiàn)）；還有一種方法，犧牲物理層原始延遲換取可靠性。3. 各種各樣的網(wǎng)絡(luò)

8、Internet體系的成功有一個很重要的因素，它合理地集成利用了大量的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Internet體系假定網(wǎng)絡(luò)起碼要提供的功能組，包括網(wǎng)絡(luò)可以傳輸包或報文。數(shù)據(jù)包大小應(yīng)該合理，最小在100字節(jié)左右，還能以一個合理的可靠度來傳輸數(shù)據(jù)。對于非點對點連接來說，合理的尋址方式也是很重要的。當然還有大量的服務(wù)是網(wǎng)絡(luò)本身所不支持的，比如說可靠或有序傳輸，網(wǎng)絡(luò)級廣播和多點傳送，數(shù)據(jù)包傳輸排序，多種服務(wù)支持以及失敗、速度或者延遲等信息內(nèi)部獲取。如果我們想使用這些服務(wù)，那么就需要讓這個網(wǎng)絡(luò)融入Internet中，這有兩種實現(xiàn)方式，要么這個網(wǎng)絡(luò)自己直接向Internet提供這些服務(wù)，要么在網(wǎng)絡(luò)終端應(yīng)用軟件層面上模擬

9、這些功能。對這些服務(wù)進行移植，拿在TCP中進行可靠傳輸來說，首先必須要重新設(shè)計一次，然后在每個主機上執(zhí)行一次。之后在一個新網(wǎng)上執(zhí)行接口軟件就容易多了。4. 其他目標前面已經(jīng)討論過的三個目標對整個體系的設(shè)計起著至關(guān)重要的作用。其余的目標不是那么重要，所以可能就沒有嚴格地滿足或者沒有很徹底地設(shè)計。滿足分布式管理這一目標在某些方面很好地被滿足了。比如說，Internet中有很多網(wǎng)關(guān)，它們并不是被同一個機構(gòu)管理，而不同機構(gòu)會有不同的路由算法，這時就必須要求它們能夠正確地交換路由表，不管他們之間是否相互信任；事實上在各個網(wǎng)關(guān)中存在著各種各樣的算法。另外，當今Internet有很多重要的難題是跟缺少分布式

10、管理的工具有關(guān)的，特別是在路由這塊兒?，F(xiàn)在Internet路由仍受限于資源使用的規(guī)定，而人們對此只能采取很有限的措施并且要求人工設(shè)置路由表。最近幾年Internet體系最重要的進步很可能是對資源管理能力的改善。在某些環(huán)境下Internet體系在控制資源成本方面做得還不盡人意?，F(xiàn)在數(shù)據(jù)報頭還是太長（典型的有40字節(jié)），如果包很小，那代價就會變得很大（假設(shè)包信息有1個字節(jié)，而必須要帶一個40字節(jié)的頭部，代價顯然是很大的）。另一個低效的罪魁禍首就是遺失包的重發(fā)。對于融入這個協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)而言，有一個粗糙的評判標準：1%的重發(fā)率還是可以接受的，10%的話則就需要將提高可靠性考慮加入到網(wǎng)絡(luò)中了（如果這項服務(wù)

11、是必需的話）。將主機接入Internet中的代價可能要比接入其它協(xié)議要大很多，因為像應(yīng)答、重傳等服務(wù)要在主機上執(zhí)行，而不是在Internet上。采取這種“主機駐留協(xié)議”方式產(chǎn)生了一個后果：當執(zhí)行不是那么順暢時，不僅會傷害到網(wǎng)絡(luò)，還會傷害到主機。起初的試驗時只是用了少量可控的主機應(yīng)用，所以這個問題還可以容忍；但是隨著Internet的迅速壯大，這個問題變得日益嚴重。這么看來，當初是為了追求魯棒性才引入了命運共享的想法，又通過主機駐留的算法實現(xiàn)了這一想法，而現(xiàn)在正是這種算法在主機出現(xiàn)運行異常時會導致魯棒性的喪失。最后的一個目標是計量。事實上，由Cerf和Kahn執(zhí)筆的第一篇論文把計量作為了協(xié)議和網(wǎng)

12、關(guān)一個非常重要的特征。但是現(xiàn)在Internet體系了幾乎沒有用于保障數(shù)據(jù)包計量的工具項，這個問題現(xiàn)在才被真正地研究。5. 架構(gòu)與實現(xiàn)目標：提供廣泛，靈活的服務(wù)，不同的傳輸層協(xié)議提供不同的服務(wù)，不同類型的網(wǎng)絡(luò)都可以互聯(lián)。體系與實際應(yīng)用之間的關(guān)系很是復雜。設(shè)計者只是考慮邏輯正確性而忽略實際影響因素是大錯特錯的。但是在他們試圖將實際因素考慮到體系內(nèi)部的時候遇到了很大的困難。這是因為兩個原因：一是體系設(shè)計目標不是限制實際情況而是適應(yīng)各種情況，二是實際上可能根本就不會有一種可以形式化描述實際因素的工具，這可能是更根本的原因。6. 數(shù)據(jù)報Internet體系一個基本特征就是在底層網(wǎng)絡(luò)是用數(shù)據(jù)報來整合數(shù)據(jù)傳

13、輸?shù)摹Ｊ紫?，它省去了普通?shù)據(jù)包中的保存復制狀態(tài)信息的開銷，這意味著可以修復網(wǎng)絡(luò)錯誤而不必要求狀態(tài)信息；其次數(shù)據(jù)報屏蔽了各種不同服務(wù)本身數(shù)據(jù)傳輸方式的差異性；與支持確定服務(wù)的虛電路相比，數(shù)據(jù)報可以提供更基本的服務(wù)，而這些服務(wù)又可以進一步支持其他更高級各種各樣的服務(wù)；第三，數(shù)據(jù)報代表著最基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，這種服務(wù)支持各種各樣的網(wǎng)絡(luò)實體成功互聯(lián)。使用數(shù)據(jù)報是極其成功的決定，因為它讓Internet幫助實現(xiàn)了它最重要的幾個目標。7. TCP原始ARPANet 對字節(jié)和包都提供了流控制，但是TCP只對字節(jié)進行流控制（計數(shù)），而不關(guān)心包的分割信息。這樣做有可能會產(chǎn)生淹沒，但是有更多的好處：1.在字節(jié)序列中插

14、入控制信息2.允許分隔TCP包為更小的包，現(xiàn)在這一個功能移到了IP層3.重傳的時候，可以將多個小包聚集成大包（如果需要數(shù)據(jù)重發(fā)）EOL可以成為標示字節(jié)流來實現(xiàn)緩沖區(qū)管理的工具。這個主意當時沒被采納，大家認為這種情況太特殊了?，F(xiàn)在看來，把幾種處理隊列空白和緩存區(qū)管理的算法應(yīng)該加入到TCP中。在當時設(shè)計者還沒有足夠的遠見去實現(xiàn)一種通用的方法。8. 實驗結(jié)果(Evaluation)無9. 結(jié)論(Conclusion)互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)雖然已經(jīng)非常成功，但是也表明了在某些情況下，設(shè)計者的優(yōu)先事項和實際用戶的需求不一致。實際使用還需要額外關(guān)注區(qū)域管理運營等工作。另外數(shù)據(jù)報在解決互聯(lián)網(wǎng)最重要的目標上發(fā)揮了很好的

15、作用，但是試圖去解決優(yōu)先級靠后的目標時卻有很大困難。因為數(shù)據(jù)報是數(shù)據(jù)包序列的一部分網(wǎng)關(guān)看不到序列單位， 這意味著在下一代體系中會有更好的隔離區(qū)取代數(shù)據(jù)報模式。這種隔離區(qū)應(yīng)該可以把所有的數(shù)據(jù)都看成一樣的，不會假定數(shù)據(jù)包具有某種服務(wù)。我用“流”來表明這一特征。而網(wǎng)關(guān)應(yīng)該掌握流的狀態(tài)，知道這些流的性質(zhì)，而這些狀態(tài)信息并不會影響到流對應(yīng)的服務(wù)。這種工作應(yīng)該通過定期發(fā)送消息來保證流與服務(wù)正確對應(yīng)。這樣的話，數(shù)據(jù)流撞車時把狀態(tài)信息丟棄也不會影響服務(wù)的使用。我把這種狀態(tài)叫做“軟狀態(tài)”，這可以讓我們很好實現(xiàn)最重要的健壯性和靈活性，同時也能搞定資源管理和用戶管理的問題。這種新一代隔離區(qū)選擇問題是目前DARPA-

16、Internet項目的一個研究方向。10. 自己的思考8.1 閱讀本文的收獲和感想簡潔的是最好的。需求是最終的驅(qū)動。架構(gòu)設(shè)計目標優(yōu)先級息息相關(guān)，優(yōu)化了某方面的同時可能把另外幾個性能的優(yōu)先級排到了后面。體系設(shè)計者考慮的邏輯與實際使用不一定完全相符，設(shè)計者需要制作一個兼容性強，使用方便的框架以保證加入的使用者方便的使用自己的框架。一項服務(wù)的實現(xiàn)需要多個層的支持，通過劃分不同的層次可以獲得更大的靈活性，兼容更多的服務(wù)類型。有時候一層如果沒辦法適應(yīng)實際的需求，可以考慮拆分功能，多層協(xié)作。只有通過實踐不斷完善才能適應(yīng)新的需求，形成一個通用的框架。沒有十全十美的方案，要能夠做出取舍，發(fā)揮最大的價值。8.2 本文提出方案存在的缺陷和可能的改進方法1.當然還有大量的服務(wù)是網(wǎng)絡(luò)本身所不支持的，比如說可靠或有序傳輸，網(wǎng)絡(luò)級廣播和多點傳送，數(shù)據(jù)包傳輸排序，多種服務(wù)支持以及失敗、速度或者延遲等信息內(nèi)部獲取。如果我們想使用這些服務(wù)，那么就需要讓這個網(wǎng)絡(luò)融入Internet中，這有兩種實現(xiàn)方式，要么這個網(wǎng)絡(luò)自己直接向Internet提供這些服務(wù)，要么在網(wǎng)絡(luò)終端應(yīng)用軟件層面上模擬這些功能。是否