高级计算机网络考试重点内容八：网络架构

第八部分：网络架构•提纲:–互联网设计原则–互联网设计原则的重新思考–分组交换和线路交换实际运行效果的比较8.1互联网设计原则•关键问题：–如何把复杂的系统功能分解为协议层?–哪些功能应该被放在网络的什么地方(边缘or核心)，放在哪一个协议层(protocollayer)?–一个功能可以被放置在多个协议层上么?分别在互联网和电话网的背景下回答这些问题brick(dumb)brain(smart)lock(youcan’tgetin)8.1互联网设计原则•电话网：哑终端，网络智能8.1互联网设计原则•互联网：网络简单，终端复杂8.1互联网设计原则•互联网端到端观点(end-endaugment)：–把功能放在低层与放在高层相比，可能是多余的或没有价值的；–有时，通信系统(低层)提供的不完整版本的功能可以使性能增强。(个人理解：将高层中公共的功能部分提取出来放在低层，有时可以使性能增强)–以上两点导致了与电话网络中“哑终端，智能网络”完全相反的设计原理。8.1互联网设计原则•可靠文件传输的例子：–方案一：每一步都进行可靠性检验，最后进行总的错误检验。–方案二：不保证每一步的可靠性，只在端系统中进行总的错误检验和重传。OSAppl.OSAppl.HostAHostBOKchecksum8.1互联网设计原则•两个方案讨论：1.方案一是否合理？•不合理，这种方案依赖于所有元件的正确行为，如果网络中有一个元件失效或发生错误，就不能保证可靠性传输。2.只保证低层的可靠性通信是否足够？•不够，如果端系统硬盘错误，仍不能保证可靠性，因此，仍需要进行最终的正确性检验。–综上两个问题，得结论：可以在应用层实现完整的可靠性检验功能，不需要保证低层的可靠性。既然仍需要进行总的可靠性检验，不如放弃低层的可靠性工作，还可以带来效率的提高。8.1互联网设计原则•两个方案讨论：3.有没有在低层实现可靠性检验的原因？•有，更容易在中间每一跳检查和恢复错误，错误恢复和局部重传花费时间更少。•权衡(trade-offs)–应用层有更多服务所需要的数据和语义信息，而低层则有更多关于数据传输的约束信息(如分组的长度信息等)。–这些trade-offs是分层的直接结果。8.1互联网设计原则-端到端观点•分析1.网络层提供了一个简单的服务：尽力而为的分组传输服务。2.网络边缘的传输层(TCP)提供了端到端的错误控制(虽然很多应用程序可以提供自己的错误控制，但该功能被很多应用程序使用，将其放到传输层可以提高性能)。3.所有其他功能：应用层功能，网络服务DNS，都在应用层上实现。8.1互联网设计原则-端到端观点•分析4.拥塞控制和流量控制为什么在传输层实现，而不是在应用层和链路层实现？(1)为什么放在传输层实现而不在应用层？–很多应用程序需要拥塞控制，但不需要每个程序都来做这件事，而且有的程序并不关心有没有拥塞控制，认为这是网络的事情，因此放在应用层不合适，放在传输层可提高性能。–拥塞控制只负责那些基于TCP的应用程序数据传输，且只要使用了TCP，就必须使用拥塞控制，这是统一的代价。8.1互联网设计原则-端到端观点•分析(2)是否有放在应用层实现的理由？–流量控制：应用层知道什么时候、如何将数据在拥塞时放弃。–拥塞控制：应用层可以做TCP友好拥塞控制(TCP-friendlycc)。(3)为什么不放在链路层？–放到链路层意味着所有的应用程序都必须使用流量拥塞控制，但不是所有应用程序都需要；–链路层中的流量、拥塞信息来自端系统，每一条连接都需要对其状态信息进行控制，链路层层次太低，无法区分和控制，因此不合适。8.1互联网设计原则-端到端观点•端到端观点描述：1.一种描述：只有在端系统的应用层的知识和帮助下，一个功能才能被完整和正确的实现。2.另一种描述(更加准确)：一个系统或者子系统只有在功能被完整和正确的实现时才会考虑这些功能，只有部分实现是没有意义的。3.供选择的描述：如果应用层可以正确的实现一个功能，只有在可以提高性能的情况下可以将该功能放到低层实现。4.总结：如果在底层不能够完整地实现一种功能，把它放到高层去做；但是都放在应用层实现也有问题，将应用层比较公共的服务抽出来，放在传输层，在端系统做这个事情比较合适。8.1互联网设计原则-端到端观点•关键问题：–端到端原则强调：•功能放置问题•功能正确性，完整性•整个系统的代价–原则：•如果应用层可以实现一个功能，不要放到低层去做，应用程序最清楚自己需要什么；•把功能放到低层只在(1)可以提高性能(2)不会影响其他应用程序的情况下可以；–允许性价比折衷8.1互联网设计原则-端到端观点•讨论：–端到端观点强调了正确性和完整性，却没有强调以下几点，虽然以下都是事实：•复杂性：复杂性在边缘，形成了简单的网络构架；•可发展性：引入新的应用比改进路由器要简单，即便于引入新的应用；•技术渗透：简单的网络层结构是的IP的推广更加容易。8.1互联网设计原则-原则•互联网设计原则(按重要性排序)：0.连接已有的网络，如ARPANET,ARPApacketradio,packetsatellitenetwork；1.生存能力(健壮性)，当网络或路由器发生错误时仍可保证通信服务；2.支持多种类型服务；3.能够连接多种类型的网络；4.允许分布式管理；5.允许客户端接入的低代价；6.使代价有效7.资源问责制(resourseaccountabilily)8.1互联网设计原则-原则1.生存能力(survivability)，•当网络(链路或路由器)发生错误时,只要网络没有断开,则需保证端节点通信,任何错误(除了网络断开)对端节点都是透明的。•只在端节点维持传输状态,此举避免了处理路由器错误时的状态不一致和状态恢复问题。•互联网：无状态网络层结构，即在网络层没有session或call的概念。8.1互联网设计原则-原则2.支持多种类型服务•增加UDP服务以更好的支持其他应用程序，如实时应用程序。否则，就没有将TCP与IP区分开的必要了。•数据报抽象：将上层所需要的最基本的服务抽象出来在低层实现，那些TCP和UDP服务可以在这些基本服务基础上建立。在IP数据报的格式定义中，也考虑到了不同的服务，例如TOS字段。8.1互联网设计原则-原则3.能够连接多种类型的物理网络•非常成功：原因是最低限度服务仅要求网络按照一个合理的成功的可能性传递分组•并不要求可靠性和按次序传递•IPovereverything：从IP互联网层面上看，都是IP网络，将各个物理网络的数据传输功能抽象出来进行互联–ARPANET,X.25,DARPAsatellitenetwork–ATM,SONET,WDM4.其他原则(1)–允许分布式管理：管理自治。IP互联网络：(1)每个网络被不同的机构管理(2)不同网络间只在边界处交流信息(3)这个模型使得路由复杂化8.1互联网设计原则-原则4.其他原则(2)–代价有效：无效代价的根源有(1)分组头部的开销(2)分组重传(3)路由。但是最优性能并不是互联网设计的最高优先级。–客户端接入的低代价：这一点并不强，互联网的智能化和复杂性在客户端，因此将主机连接到网络上比电话网络代价要大。而且一个有着不好实现或有恶意的客户端接入网络对网络有害。8.1互联网设计原则-future•展望未来(Whataboutthefuture?)–数据报抽象对于资源管理、问责、服务质量(QoS)并不是最好的方式。–新的抽象方式：流(参见IPv6)。但是没有人知道流是什么。–路由器需要维护每个流的状态。–状态管理：恢复丢失的状态非常困难。–这里(1988)我们看到了“软状态”的第一次提出：即由客户端节点来维护状态。8.1互联网设计原则-总结•总结：互联网构架–分组交换数据报网络–IP是粘合剂，网络层覆盖其上–IP沙漏结构，所有客户端和路由器都运行IP–无状态网络构架：在网络内部没有每流状态IPTCPUDPATMSatelliteEthernetIP沙漏8.1互联网设计原则-总结•总结：最低限度方法–傻网络：网络提供最低限度功能来支持连接(1)寻址(2)转发(3)路由。–智能端系统：传输层及应用层实现更多的专业功能(1)流量控制(2)拥塞控制(3)错误检验–优点：(1)可以接受非均匀技术(连接以太网，调制解调器，无线网络，卫星网络)(2)支持不同的应用程序(telnet,ftp,Web,Xwindows)(3)分散网络管理8.2互联网设计原则的重新思考•条件发生了深刻变化：1.非信任环境的操作–端节点可能是恶意的–如果端节点不可信任，仍希望网络是可以信任的，因此需在网络核心加入新的机制2.应用对网络数据传输有更高要求–点到点尽力而为服务不再满足需要–网络中新的服务模型(intserv,diffserv)–新的应用层服务架构建立在网络核心上(如CDN,P2P)8.2互联网设计原则的重新思考•条件发生了深刻变化：3.ISP服务的区分化：ISP在网络核心做的更多是有竞争力的优势4.第三方的干预5.非专业用户的增多所有的这五个变化都激发了端到端设计原则的转变。8.2互联网设计原则的重新思考•争议(?)(Whatisatstake)：•争议的是对于互联网原则的习惯性理解：–自由的行为–用户授权–端节点用户为行为负责–在网络中缺乏对用户行为的管理和限制•端到端观点产生了这一互联网原则，这一原则可以保证创新的自由，用户可以自行安装软件，运行自己选择的应用程序。8.2互联网设计原则的重新思考•对于改变的技术回应：1.信任：区别哪些是可以信任的，哪些是不可信任的。入口过滤，互联网UNI(usernetworkinterface,asinATM)。2.改变端节点：抗攻击，主机/路由器实现内容过滤，分布式应用程序高质量的发送内容。3.网络核心增加功能：过滤防火墙，应用层防火墙，NAT，主动网络。下面就网络核心的增加功能进行分析：8.2互联网设计原则的重新思考1.防火墙•将机构的内部网络与外部更大的网络隔离，允许部分分组通过，其他部分分组隔离。•设置防火墙原因：–防止服务攻击，如SYNflooding：攻击者建立许多假的TCP连接，导致没有预留资源给真的连接。–防止非法修改或访问内网数据，如攻击者擅自更改CIA的主页。–只允许对内网的授权访问。–两种防火墙：应用程序级防火墙，分组过滤防火墙8.2互联网设计原则的重新思考1.防火墙•分组过滤防火墙–内网通过路由器防火墙与互联网连接–路由器一个分组一个分组的过滤，将分组转发还是丢弃基于以下标准：(1)源和目的IP地址(2)UDP/TCP源和目的端口号(3)ICMP消息类型(4)TCP的SYN和ACK位–例1：阻塞所有进出数据报中，IP协议里field=17以及源或目的端口号为23的数据报。结果：所有进出UDP流及telnet连接都被阻塞。–例2：阻塞所有ACK=0的TCP报文段。结果：阻塞所有外部网络向内部网络发起的TCP连接，但允许内网向外网的TCP连接。8.2互联网设计原则的重新思考2.NAT(网络地址转换)•动机：局域网只用了一个IP地址。–不需要从ISP分配一段网络地址给局域网，所有节点公用一个IP地址。–可以自行改变局域网中各节点的地址而不需要通知外网。–改变ISP后不需要改变局域网中各节点的地址。–对外网来说，内网中的节点是不可见和不可设定地址的，增加了安全性。•实现：–NAT路由器需要(1)出去的数据报将源IP地址和端口号用NATIP地址和端口号代替;(2)在NAT转换表中记录源与NATIP地址和端口号对;(3)进来的数据报用源IP地址和端口号代替NATIP地址和端口号。10.0.0.110.0.0.210.0.0.3S:10.0.0.1,3345D:128.119.40.186,80110.0.0.4138.76.29.71:host10.0.0.1发送数据报to128.119.40,80NATtranslationtableWANsideaddrLANsideaddr138.76.29.7,500110.0.0.1,3345