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

1、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議分析與設(shè)計(jì)閱讀報(bào)告姓名：劉建飛 學(xué)號(hào)：1. 論文基本情況論文標(biāo)題： The Design Philosophy of the DARPA Internet Protocols發(fā)表會(huì)議/期刊: Proc. SIGCOMM 88, Computer Communication Review Vol. 18, No. 4, August 1988, pp. 106114)其他參考文獻(xiàn): 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(shí)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(jì)一開(kāi)始并沒(méi)有數(shù)據(jù)報(bào)和無(wú)連接配置，但是現(xiàn)在有了，TCP、Ip 的分層協(xié)議，一開(kāi)

3、始也是沒(méi)有的，這些變化的產(chǎn)生都是經(jīng)過(guò)很多重復(fù)的實(shí)驗(yàn)和測(cè)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(gè)很好的上下文。3. 研究動(dòng)機(jī)(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(shí)很難闡述這樣設(shè)計(jì)的動(dòng)機(jī)和原因。事實(shí)上，設(shè)計(jì)的哲學(xué)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(jì)理念在最開(kāi)始是沒(méi)有受重視的，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的變化是在標(biāo)準(zhǔn)制定前反復(fù)實(shí)施和測(cè)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(jì)的歷史有助于設(shè)計(jì)新的拓展。本文編目了互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的原始目標(biāo)，并且討論這些目標(biāo)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(biāo)：對(duì)現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有效的復(fù)用。最初的目標(biāo)就是想把當(dāng)初的ARPANET和ARPA分組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，讓后者的用戶可以享受前者提供的服務(wù)。當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)人員就已經(jīng)假定會(huì)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(yuǎn)程登入也是依靠報(bào)文交換實(shí)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(gè)部件。在現(xiàn)有存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)層次的包交換，通過(guò)稱為網(wǎng)關(guān)的因特網(wǎng)數(shù)據(jù)包交換器進(jìn)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(gè)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(guò)使用一種稱之為網(wǎng)關(guān)的包交換處理機(jī)實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)，在這種網(wǎng)關(guān)里面執(zhí)行的是一種存儲(chǔ)轉(zhuǎn)送包交換算法。何為有效？1. 容錯(cuò)性：網(wǎng)關(guān)或網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)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(jī)可以方便互聯(lián)，聯(lián)網(wǎng)7. 可計(jì)量：計(jì)量計(jì)費(fèi)優(yōu)先目標(biāo)的順序不同，設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也不一樣。比如軍事，經(jīng)濟(jì)應(yīng)用等。1. 容錯(cuò)性最重要的目標(biāo)：如果兩主機(jī)溝通是網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了暫時(shí)的故障，主機(jī)是無(wú)感知的，互聯(lián)網(wǎng)可以繼續(xù)提供通信服務(wù)。實(shí)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(duì)底部無(wú)感知的服務(wù)層。實(shí)現(xiàn)這種通信需要保護(hù)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(yùn)共享兩種保存狀態(tài)的方案。命運(yùn)共享的容錯(cuò)性和實(shí)現(xiàn)難度都更好，并且引出兩個(gè)推論：第一，無(wú)論中間包交換節(jié)點(diǎn)還是網(wǎng)關(guān)，都不能攜帶包含持續(xù)互聯(lián)的實(shí)質(zhì)性信息，換句話說(shuō)，他們是無(wú)狀態(tài)信息的包交換，因此有時(shí)候這種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)被稱為“報(bào)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(gè)體系中主機(jī)的作用更主要，因?yàn)樗幌裼行┚W(wǎng)絡(luò)本身就可以保障數(shù)據(jù)傳輸安全。如果主機(jī)可以搞定數(shù)據(jù)傳輸中的各種問(wèn)題，那么應(yīng)用層就不需要再去費(fèi)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(kāi)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(duì)遠(yuǎn)程登陸和文件傳輸這兩種需求不同的服務(wù)，然而當(dāng)人們意識(shí)到有多少種服務(wù)的時(shí)候就知道用一個(gè)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(shí)發(fā)生的傳輸對(duì)可靠性、延遲、帶寬有著不同的要求。這個(gè)目標(biāo)導(dǎo)致了TCP和IP的產(chǎn)生，從原來(lái)的一個(gè)層變成現(xiàn)在的兩個(gè)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(gè)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(bào)文傳遞。此時(shí)報(bào)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(gè)可靠的服務(wù)（通過(guò)更高層次上的確認(rèn)重傳機(jī)制實(shí)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(gè)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(bào)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(gè)合理的可靠度來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于非點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接來(lái)說(shuō)，合理的尋址方式也是很重要的。當(dāng)然還有大量的服務(wù)是網(wǎng)絡(luò)本身所不支持的，比如說(shuō)可靠或有序傳輸，網(wǎng)絡(luò)級(jí)廣播和多點(diǎn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)融入Internet中，這有兩種實(shí)現(xiàn)方式，要么這個(gè)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(duì)這些服務(wù)進(jìn)行移植，拿在TCP中進(jìn)行可靠傳輸來(lái)說(shuō)，首先必須要重新設(shè)計(jì)一次，然后在每個(gè)主機(jī)上執(zhí)行一次。之后在一個(gè)新網(wǎng)上執(zhí)行接口軟件就容易多了。4. 其他目標(biāo)前面已經(jīng)討論過(guò)的三個(gè)目標(biāo)對(duì)整個(gè)體系的設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。其余的目標(biāo)不是那么重要，所以可能就沒(méi)有嚴(yán)格地滿足或者沒(méi)有很徹底地設(shè)計(jì)。滿足分布式管理這一目標(biāo)在某些方面很好地被滿足了。比如說(shuō)，Internet中有很多網(wǎng)關(guān)，它們并不是被同一個(gè)機(jī)構(gòu)管理，而不同機(jī)構(gòu)會(huì)有不同的路由算法，這時(shí)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(shí)上在各個(gè)網(wǎng)關(guān)中存在著各種各樣的算法。另外，當(dāng)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(duì)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(jìn)步很可能是對(duì)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。現(xiàn)在數(shù)據(jù)報(bào)頭還是太長(zhǎng)（典型的有40字節(jié)），如果包很小，那代價(jià)就會(huì)變得很大（假設(shè)包信息有1個(gè)字節(jié)，而必須要帶一個(gè)40字節(jié)的頭部，代價(jià)顯然是很大的）。另一個(gè)低效的罪魁禍?zhǔn)拙褪沁z失包的重發(fā)。對(duì)于融入這個(gè)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)而言，有一個(gè)粗糙的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)：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(xiàng)服務(wù)

11、是必需的話）。將主機(jī)接入Internet中的代價(jià)可能要比接入其它協(xié)議要大很多，因?yàn)橄駪?yīng)答、重傳等服務(wù)要在主機(jī)上執(zhí)行，而不是在Internet上。采取這種“主機(jī)駐留協(xié)議”方式產(chǎn)生了一個(gè)后果：當(dāng)執(zhí)行不是那么順暢時(shí)，不僅會(huì)傷害到網(wǎng)絡(luò)，還會(huì)傷害到主機(jī)。起初的試驗(yàn)時(shí)只是用了少量可控的主機(jī)應(yīng)用，所以這個(gè)問(wèn)題還可以容忍；但是隨著Internet的迅速壯大，這個(gè)問(wèn)題變得日益嚴(yán)重。這么看來(lái)，當(dāng)初是為了追求魯棒性才引入了命運(yùn)共享的想法，又通過(guò)主機(jī)駐留的算法實(shí)現(xiàn)了這一想法，而現(xiàn)在正是這種算法在主機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行異常時(shí)會(huì)導(dǎo)致魯棒性的喪失。最后的一個(gè)目標(biāo)是計(jì)量。事實(shí)上，由Cerf和Kahn執(zhí)筆的第一篇論文把計(jì)量作為了協(xié)議和網(wǎng)

12、關(guān)一個(gè)非常重要的特征。但是現(xiàn)在Internet體系了幾乎沒(méi)有用于保障數(shù)據(jù)包計(jì)量的工具項(xiàng)，這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在才被真正地研究。5. 架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：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(shí)際應(yīng)用之間的關(guān)系很是復(fù)雜。設(shè)計(jì)者只是考慮邏輯正確性而忽略實(shí)際影響因素是大錯(cuò)特錯(cuò)的。但是在他們?cè)噲D將實(shí)際因素考慮到體系內(nèi)部的時(shí)候遇到了很大的困難。這是因?yàn)閮蓚€(gè)原因：一是體系設(shè)計(jì)目標(biāo)不是限制實(shí)際情況而是適應(yīng)各種情況，二是實(shí)際上可能根本就不會(huì)有一種可以形式化描述實(shí)際因素的工具，這可能是更根本的原因。6. 數(shù)據(jù)報(bào)Internet體系一個(gè)基本特征就是在底層網(wǎng)絡(luò)是用數(shù)據(jù)報(bào)來(lái)整合數(shù)據(jù)傳

13、輸?shù)?。首先，它省去了普通?shù)據(jù)包中的保存復(fù)制狀態(tài)信息的開(kāi)銷，這意味著可以修復(fù)網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤而不必要求狀態(tài)信息；其次數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)可以提供更基本的服務(wù)，而這些服務(wù)又可以進(jìn)一步支持其他更高級(jí)各種各樣的服務(wù)；第三，數(shù)據(jù)報(bào)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(shí)體成功互聯(lián)。使用數(shù)據(jù)報(bào)是極其成功的決定，因?yàn)樗孖nternet幫助實(shí)現(xiàn)了它最重要的幾個(gè)目標(biāo)。7. TCP原始ARPANet 對(duì)字節(jié)和包都提供了流控制，但是TCP只對(duì)字節(jié)進(jìn)行流控制（計(jì)數(shù)），而不關(guān)心包的分割信息。這樣做有可能會(huì)產(chǎn)生淹沒(méi)，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(gè)功能移到了IP層3.重傳的時(shí)候，可以將多個(gè)小包聚集成大包（如果需要數(shù)據(jù)重發(fā)）EOL可以成為標(biāo)示字節(jié)流來(lái)實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)管理的工具。這個(gè)主意當(dāng)時(shí)沒(méi)被采納，大家認(rèn)為這種情況太特殊了。現(xiàn)在看來(lái)，把幾種處理隊(duì)列空白和緩存區(qū)管理的算法應(yīng)該加入到TCP中。在當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)者還沒(méi)有足夠的遠(yuǎn)見(jiàn)去實(shí)現(xiàn)一種通用的方法。8. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(Evaluation)無(wú)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(jì)者的優(yōu)先事項(xiàng)和實(shí)際用戶的需求不一致。實(shí)際使用還需要額外關(guān)注區(qū)域管理運(yùn)營(yíng)等工作。另外數(shù)據(jù)報(bào)在解決互聯(lián)網(wǎng)最重要的目標(biāo)上發(fā)揮了很好的

15、作用，但是試圖去解決優(yōu)先級(jí)靠后的目標(biāo)時(shí)卻有很大困難。因?yàn)閿?shù)據(jù)報(bào)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(huì)有更好的隔離區(qū)取代數(shù)據(jù)報(bào)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(huì)假定數(shù)據(jù)包具有某種服務(wù)。我用“流”來(lái)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(huì)影響到流對(duì)應(yīng)的服務(wù)。這種工作應(yīng)該通過(guò)定期發(fā)送消息來(lái)保證流與服務(wù)正確對(duì)應(yīng)。這樣的話，數(shù)據(jù)流撞車時(shí)把狀態(tài)信息丟棄也不會(huì)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(shí)現(xiàn)最重要的健壯性和靈活性，同時(shí)也能搞定資源管理和用戶管理的問(wèn)題。這種新一代隔離區(qū)選擇問(wèn)題是目前DARPA-

16、Internet項(xiàng)目的一個(gè)研究方向。10. 自己的思考8.1 閱讀本文的收獲和感想簡(jiǎn)潔的是最好的。需求是最終的驅(qū)動(dòng)。架構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)先級(jí)息息相關(guān)，優(yōu)化了某方面的同時(shí)可能把另外幾個(gè)性能的優(yōu)先級(jí)排到了后面。體系設(shè)計(jì)者考慮的邏輯與實(shí)際使用不一定完全相符，設(shè)計(jì)者需要制作一個(gè)兼容性強(qiáng)，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(xiàng)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要多個(gè)層的支持，通過(guò)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(shí)候一層如果沒(méi)辦法適應(yīng)實(shí)際的需求，可以考慮拆分功能，多層協(xié)作。只有通過(guò)實(shí)踐不斷完善才能適應(yīng)新的需求，形成一個(gè)通用的框架。沒(méi)有十全十美的方案，要能夠做出取舍，發(fā)揮最大的價(jià)值。8.2 本文提出方案存在的缺陷和可能的改進(jìn)方法1.當(dāng)然還有大量的服務(wù)是網(wǎng)絡(luò)本身所不支持的，比如說(shuō)可靠或有序傳輸，網(wǎng)絡(luò)級(jí)廣播和多點(diǎn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)融入Internet中，這有兩種實(shí)現(xiàn)方式，要么這個(gè)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