计算机网络12 - 技术栈

拥塞控制

拥塞控制的基本原理

监控系统

检测拥塞在什么时候、什么位置发生。
把拥塞信息传递到可以采取措施的地方。
调整系统的运行方式，消除或缓解拥塞问题。

避免拥塞路径

choke分组

抑制源端的流量（拥塞是因为源端的流量过多）

用 choke packet（阻塞包） 一跳一跳地往回传，让上游把流量降下来

有两种：

只影响源端的 choke packet

逐跳生效的 hop-by-hop choke packet

RED(random early detection)

重要！！！

思想： 在缓冲区还没被完全占满之前，就提前、随机地丢弃部分分组。
Threshold（阈值）：

设置若干队列长度的阈值，用来决定什么时候开始"早丢弃"。
How to tell the source about the problem? 如何把拥塞情况告诉源端？
- 发送一个抑制分组（choke packet）；
- 或者直接丢掉选中的分组而不显式报告（让上层通过丢包自己察觉）。
Application 应用场景
- 使用"丢包 → 源端降速"机制的协议，例如 TCP；
- 典型用于有线网络。

5.4 服务质量

需求/为了实现良好QoS可以使用的具体技术手段/综合服务/区分服务/标签交换与MPLS

四个 QoS 指标是什么？

Reliability 可靠性 ：

分组丢不丢、是否出错。对"文件""邮件"这类应用，一点错都不行，所以写 High ；

对语音、视频，偶尔丢一点人耳、眼睛能忍受，所以写 Low。
Delay 时延 ：

从发送到接收的时间。
- 邮件、文件：慢一点无所谓 → Low；
- 远程登录、语音、视频通话：必须"及时" → High 或 Medium。
Jitter 抖动 ：

分组到达时间的不均匀程度（时延的波动）。
- 文件、邮件：只要最后都到了，不在乎顺不顺畅 → Low；
- 音视频、电话：到达时间忽快忽慢会卡顿、声音不连贯 → High。
Bandwidth 带宽 ：

单位时间内可传多少数据。
- 邮件、登录、语音（压缩后）数据量很小 → Low；
- 文件传输、网页、多媒体尤其是视频 → 需要 Medium 或 High。

Techniques for achieving good QoS

（实现良好QoSd的具体技术手段）

过量提供资源

做起来简单，现实中常见好用，但是很贵

在客户端缓冲

用缓存抹平网络抖动

3.流量整形

两种经典的流量整形算法：

✓ The Leaky Bucket Algorithm 漏桶算法

✓ The Token Bucket Algorithm 令牌桶算法

漏桶算法的两种实现：

在令牌桶约束下，一个流最多可以以"峰值速率 M"连续突发多久

在一个令牌桶参数为 (B, R) 的系统里，如果你想以峰值速率 M 连续发数据，最长只能发 S 秒，超过这个时间桶里的令牌就用完了，之后只能降到 R 附近的平均速率

分组调度

资源预留：

带宽/缓冲区空间，给某些流预留一部分队列/处理器时间，预留处理时间，保证包能被及时转发

调度方法

先来先服务；丢包策略，队列满后把新来的包丢掉；公平队列（不再只有一条队列，而是**每个流/每个连接一条队列，**调度器按某种公平规则在这些队列之间轮流取包发送）

5.5 连接网络

网络如何被连接？

不同网络在很多方面都可能不同，例如：

Service offered 服务类型
- 无连接（datagram，像 IP） vs 面向连接（virtual circuit，像 ATM、MPLS）。
Addressing 地址方式
- 地址长度不同、是否分层（平lat / 分层 hierarchical），比如以太网 MAC、IP 地址等。
Broadcasting 广播能力
- 有的网络支持广播/组播，有的完全不支持。
Packet size 分组大小
- 各种网络的最大分组长度（MTU）不同：以太网常见 1500 字节，某些链路更大/更小。
Ordering 交付顺序
- 有的保证按顺序交付，有的可能乱序。
QoS、Reliability、Security
- 有的提供 QoS 保证、有的没有；
- 丢包率、错误率不同；
- 安全机制、隐私保护、加密能力不同。
Parameters、Accounting
- 参数：超时值、流规格等都可能不同；
- 计费方式：按连接时间、按分组数、按字节，或干脆不计费。

结论：

现实中的网络高度异构，所以要把它们连成一个 Internet，需要一套"统一抽象"和一些"适配手段"。

靠共同网络层IP互联

用一个共同的网络层协议------IP，把底下各种异构链路统一起来。

各种底层网络靠适配器/路由器转换链路层头，IP 层在端到端保持一致。

隧道

（简答题问什么是隧道）

当中间网络根本不支持某协议时，用封装隧道的方式"借道而行"：

边界路由器给分组套一层中间网络能懂的头；
穿过中间后再脱掉，继续用原来的协议

5.6 网络层

网络的设计原则

IP数据报的基本结构

（问你，每个部分结构的含义）

IHL ip header length

头部组成

IP 数据报 = 头部（Header）+ 正文（Payload）

头部最少 20 字节，最多可以有"选项"字段，变长；
正文里装的是上层数据（通常是 TCP/UDP 报文段）。

Version（版本）

4 位，表示 IP 版本。IPv4 的值是 4，IPv6 的是 6。
IHL（Internet Header Length，首部长度）

4 位，以 4 字节为单位。
- 最小值 5 → 5×4 = 20 字节（无选项）；
- 如果有 Options，就会更大。
Differentiated Services（区分服务 / TOS）

8 位，用于 QoS 标记：
- 现在主要用里面的 DSCP/ECN 指示优先级、拥塞通知等。
Total length（总长度）

16 位，整个 IP 数据报的总长度（头 + 数据），单位是字节，最大 65535。
Identification（标识）

16 位，用来标识一个原始数据报。
- 当一个大数据报被分片成多个小片时，这些片的 Identification 相同，方便目的端重组。
Flags 标志位 D/F/MF （图里那小灰块 D、M）

一共 3 位：
- 第一位保留；
- DF (Don't Fragment)：不要分片，=1 时禁止中途分片；
- MF (More Fragments)：是否还有后续分片，
  - 对于中间片 =1，最后一个片 =0；
  - 未分片的数据报 MF=0。
Fragment offset（片偏移）

13 位，表示当前分片在原始数据报中的偏移位置 ，以 8 字节为单位 。

重组时靠它把各个片拼回正确顺序。

Time to live（TTL，生存时间）

8 位，最初设计为"秒"，实际上基本按"跳数限额"用：
- 每经过一个路由器就减 1；
- 减到 0 时该包被丢弃，并发 ICMP 报文通知源端；
- 用来防止路由环路导致数据报在网内无限循环。
Protocol（协议号）

8 位，指明 上层使用的协议：
- 6 = TCP
- 17 = UDP
- 1 = ICMP
- ...
  
  目的主机收到 IP 包后，根据这个字段把数据交给对应的传输层模块。
Header checksum（首部校验和）

16 位，只对 IP 首部做校验（不含数据部分）：
- 每到一个路由器，TTL 会减 1，导致首部变动，所以都要重新计算校验和；
- 如果校验错误，说明首部出错，该包被丢弃。
Source address（源 IP 地址）

32 位，发送方的 IPv4 地址。
Destination address（目的 IP 地址）

32 位，接收方的 IPv4 地址。
Options（选项，可有可无）

0 个或多个 32 位字：
- 很少在普通网络里用；
- 例如安全选项、路由记录、时间戳等，都在这里。
Padding（填充）

为了让整个首部长度是 4 字节的整数倍，用 0 填充。

几种Options

Security 安全选项
- 用来标明这个数据报的"保密级别"，例如机密、秘密、公开等。
- 主要设计给军事、政府网络用，普通 Internet 几乎不用。
Strict source routing 严格源路由
- 发送方在选项里写出完整路径上要经过的每一个路由器；
- 中间路由器必须严格按这个列表转发，不能走别的路。
- 用来做精确路径控制和测试，但现在出于安全原因一般被禁用。
Loose source routing 宽松源路由
- 发送方只给出"必须经过的一些路由器列表"；
- 中间的路由器只要保证不要漏掉这些点，中间可以插别的路由跳数，路径不必完全固定。
- 相当于"途经这些站，至于中间转几次车你自己安排"。
Record route 记录路由
- 要求每个经过的路由器把自己的 IP 地址写进选项字段；
- 收到包之后，源主机就能看到这个包从哪些路由器走过，常用于诊断、调试。
Timestamp 时间戳选项
- 要求每个路由器在选项里写入自己的地址 + 当前时间；
- 可以用来测量各段链路的延迟、分析路径性能。