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《现代网络技术》读书笔记：需求和技术

news 2024/11/7 19:24:01

本文部分内容来源于《现代网络技术：SDN,NFV,QoE、物联网和云计算：SDN,NFV,QoE,IoT,andcloud》

网络和因特网流量的类型

因特网和企业网上的流量能够划分为两种宽泛的类型：弹性的和非弹性的。对它们不同
的需求考虑阐明了强化网络体系结构的必要性。

弹性流量

弹性流量是指对网络资源的使用可以灵活调整的流量类型，适用于不要求实时传输、可以容忍一定的延迟或带宽变化的应用。这种流量主要依赖传输层协议（例如TCP）来适应网络状况，常见于一些非交互性的互联网应用中。

适应性强：弹性流量可以在不同的网络状况下继续传输。当带宽或网络质量变差时，数据传输的速度会自动减慢，而当网络条件改善时，传输速度会相应提高。
较高的延迟容忍度：这类流量通常对传输时延的要求不高，延迟不会显著影响用户体验。即使有较大的延迟，用户仍可以正常使用这些应用。
数据完整性优先：弹性流量通常采用TCP协议传输，该协议提供可靠的数据传输保障。即使传输速度受到网络环境的影响，TCP会确保数据完整性，重传丢失的数据包，直到数据完全送达接收端。

典型应用场景如下

文件传输：文件下载、FTP等应用中，数据传输速率会随着带宽条件而变化。即使速度减慢，用户通常也能接受，只要文件最终能被完整下载。
电子邮件：发送和接收电子邮件不需要立即完成，延迟几秒甚至几分钟通常不会影响用户体验。
网页浏览：在网页浏览中，虽然用户希望网页能快速加载，但网络波动带来的加载时间变化通常在可接受范围内。

非弹性流量

非弹性流量是对网络资源需求较高的流量类型，这类流量对带宽、延迟和数据包丢失等网络性能指标非常敏感，因此需要较高的网络质量保证。

对带宽要求较高且稳定：非弹性流量要求较为稳定的带宽，以确保数据能够连续地传输。如果带宽不足，数据的传输会受到影响，导致应用卡顿或中断。
对延迟敏感：非弹性流量对延迟（或抖动）非常敏感，通常需要低延迟来确保流畅的用户体验。例如，在在线游戏中，高延迟会导致操作延迟，从而影响游戏体验。
丢包：实时类应用的丢包也会不断变化，如果存在丢包情况，那么这些应用必须能
够承受丢包带来的后果。

实时流量

实时流量指需要在规定时间内到达接收方的数据流量，用于需要实时互动的应用程序。实时流量通常也是非弹性的，因为网络状况不佳时会直接影响用户体验。

下图展示了一个典型的实时传输场景，描述了音频数据的分组传输和时延抖动的影响：

在这个场景中，服务器以64kbps的速率产生音频数据，并将音频数据分成160字节的分组进行传输。每20毫秒产生一个160字节的分组，这样的分组经过网络传输后到达接收端，由接收端的音频播放软件实时播放。

在网络传输过程中，由于网络状况的波动，各分组到达目的端的时间间隔可能不一致，产生时延抖动。这样会导致各分组的到达时间与预期时间产生偏差，使得播放可能出现卡顿或不连续的问题。

为了缓解分组到达时间不一致的问题，引入了时延缓存。到达的分组会暂时存储在时延缓存中，并按照固定速率（每20毫秒一个分组）向音频播放器输出。通过这种方法，缓存可以将网络波动引起的时延差异平滑化，从而保证音频播放的连续性。

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需求：大数据、云计算、移动流量

当前有三个领域尤为突出，分别是大数据云计算和移动。它们会给网络资源和管理产生非常巨大的压力。

大数据

大数据具有以下几个显著特点，即所谓的3V特性：

Volume（数据量）：大数据意味着巨大的数据量，通常以TB（TB）、PB（PB）甚至EB（EB）为单位。如此庞大的数据量需要大量的存储资源和传输带宽。
Velocity（速度）：数据生成和处理的速度非常快，要求高频率地收集和存储数据。例如，实时数据的采集需要网络在短时间内接收并传输大量数据。
Variety（多样性）：数据类型和格式多样化，包括结构化数据（如数据库记录）、半结构化数据（如日志文件）、非结构化数据（如图片、视频）。这种数据的多样性对数据存储和管理提出了更多要求。

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根据以上特性，大数据应用对网络提出了如下需求：

网络容量：大数据处理需要大量的数据传输，要求网络提供足够的带宽，保证数据能够及时到达处理节点。
低延迟：部分实时分析和应用对网络延迟有严格的要求，延迟过大会导致数据分析滞后，影响业务决策。
存储和计算的协调：大量数据需要在存储和计算节点之间频繁传输，网络需要能有效协调存储资源和计算资源，避免瓶颈。
数据安全性：大数据系统中包含敏感数据，网络需要提供安全机制来保护数据的机密性和完整性，防止数据泄露或篡改。

SDN通过集中控制网络资源、灵活配置网络流量，为大数据环境提供了强有力的支持。SDN控制器可以集中管理整个网络的流量，根据大数据分析的实际需求动态调整流量路由，以保障高优先级的数据流可以获得更快的传输路径。可以根据不同的应用和流量类型，动态调整带宽分配，确保关键数据流优先传输，减少传输延迟。同时可以将网络资源与计算、存储资源进行有效协同，通过网络虚拟化和流量分配优化来提高整体资源利用率。

云计算

云计算依赖于强大的网络架构支持，以实现用户和服务提供商之间的连接。云计算网络架构的典型特点和需求包括：

可扩展性：云计算网络需要具备弹性和可扩展性，以支持从数千到数万台服务器的动态扩展。随着云基础设施规模的扩大，传统网络架构难以满足如此大规模的设备间连接需求，因此需要更加灵活和高效的网络管理方式。
性能保障：云计算网络的流量模式通常不确定且变化多端，用户请求和数据传输可能会产生突发性流量。云服务提供商需要保障网络的高带宽和低延迟，以确保用户的服务体验。尤其在多租户环境中，不同用户的资源需求和服务质量需求各不相同，传统网络难以灵活地为每个租户分配合适的资源。
敏捷性和灵活性：云计算中的资源分配和调度需要迅速响应需求变化，尤其在虚拟机或容器迁移、流量高峰等情况下，网络应能快速适应变化。需要支持动态的网络管理，能够快速调整流量路径和网络配置，以适应业务需求的变化。
安全性和隔离：云计算环境中通常有多个租户共享基础设施，因此需要强有力的隔离措施，确保各租户之间的数据不被未经授权地访问。同时，云计算中包含大量的敏感信息，需要保障网络传输的安全性，避免数据泄露和网络攻击。

软件定义网络（SDN）： 通过将控制平面与数据平面分离，为云计算网络带来了灵活、高效的管理能力，可以很好地满足上述需求：

SDN的集中控制架构使网络管理更加高效，能够适应大规模的数据中心网络需求。SDN控制器可以集中管理成千上万台服务器之间的连接，确保资源的最优配置。在需要扩展时，SDN可以通过控制器轻松增加新的网络节点，而无需复杂的手动配置，适应云计算的动态扩展需求。

SDN能够实时监控网络流量并动态调整数据流路径，确保网络的高效运转。SDN控制器可以根据流量情况调整流量路径，避免拥塞，保证云计算应用的性能。通过带宽管理和优先级控制，SDN可以保障高优先级服务的带宽需求，提升整体网络性能。例如，针对需要低延迟的实时应用，SDN可以优先分配更快的传输路径。

SDN支持动态配置和编程管理，使云服务提供商能够根据业务需求快速调整网络配置。例如，当用户资源需求增加时，SDN控制器可以自动分配更多带宽，保障服务质量。SDN支持虚拟机（VM）和容器的动态迁移，能够在迁移过程中快速调整网络路径，确保用户服务不中断，提升云服务的敏捷性。

SDN能够为不同租户创建虚拟网络，通过分段和流量隔离实现租户之间的隔离，防止不同租户的流量相互干扰。SDN控制器可以与入侵检测系统（IDS）和入侵防御系统（IPS）集成，提供实时的安全监控，确保云环境中的数据安全。例如，SDN可以基于安全策略自动识别和阻断异常流量，防止潜在的网络攻击。

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移动流量

随着流量激增，移动网络基础设施面临巨大压力，传统的硬件设施难以快速适应动态的负载变化。同时，为了满足用户对网络速度和服务质量的要求，网络基础设施需要进行快速的扩展和动态调整。

SDN在移动流量管理中的具体应用和优势如下：

动态流量管理和路径优化：移动网络中的流量具有高度的动态性，SDN的集中控制架构可以实时监控网络流量的变化，根据流量的负载情况动态调整数据传输路径，确保网络资源得到最优利用。对于延迟敏感的应用（如视频会议和在线游戏），SDN可以优先为其分配低延迟的传输路径，保证用户体验。
网络资源的高效利用：SDN通过控制器可以按需分配网络带宽，避免资源浪费，提高整体资源利用率。当某些基站或区域出现流量高峰时，SDN可以自动重新分配资源，保障高峰区域的服务质量，平衡不同区域的流量负载。
支持边缘计算：SDN与边缘计算结合，可以将数据处理和存储从核心网络转移到更靠近用户的网络边缘节点，从而减少数据传输的延迟，提升响应速度。
按需服务质量保障（QoS）：不同的移动应用对服务质量（QoS）有不同的要求。SDN可以根据应用类型（如视频、音频、文本）为其设置不同的QoS策略，动态调整带宽和优先级，确保关键任务流量的稳定性。SDN还可以根据用户的需求和网络状况，灵活地为不同流量提供优先级，避免带宽紧张时影响关键服务的质量。

需求：QoS和QoE

本节将会简要介绍两个概念，它们对定量评价企业所期望能达到的网络性能提供了有效的方法，分别是：服务质量(quality of service,QoS)和体验质量(quality of experience,QoE)。QoS和QoE使得网络管理员能确定网络是否满足用户的需要，还可以对网络进行诊断，判断是否需要对网络管理和网络流量控制方式进行调整。

QoS

服务质量（QoS）是指通过网络为特定应用或用户提供满足需求的性能保证。在网络中，QoS主要用于确保关键业务流量能够获得优先级，从而在高负载或拥堵情况下也能保持服务的性能和稳定性。这种保障机制通常通过用户和服务提供商之间的服务等级约定来实现，确保重要业务流量能够获得更高的传输优先级。

QoS通常定义网络流量的端到端性能指标，包括以下几个主要方面：

吞吐量：某个特定逻辑连接支持流量的最大或平均吞吐量，通常以字节/秒或比特/秒为单位。吞吐量决定了网络传输的速度和数据处理能力，是衡量数据传输效率的重要指标。
时延：也称为延迟，是指数据包从发送端到接收端所花费的时间，通常表示为平均或最小时延。对于实时应用（如视频通话、在线游戏等），低延迟是至关重要的。
时延抖动：指的是传输延迟的波动范围，即最大允许的时延变化。时延抖动会影响流媒体和实时应用的质量，因为不稳定的延迟会导致画面卡顿或音视频不同步。
误码率：指数据传输中出错的比率，通常定义为最大误码率。低误码率对数据完整性至关重要，尤其是对文件传输或数据库同步等应用，要求数据无误。
丢包率：分组丢失的比例，即在传输过程中未成功到达接收端的数据包比例。较高的丢包率会导致画面和音频的缺失，影响用户体验。对于视频通话、语音通信等应用，丢包率越低越好。
优先级：网络可以为特定数量的流量指定优先级，以确保高优先级流量能够更快地获得处理和传输。QoS可以基于优先级对不同流量分类，将重要流量放在较高优先级通道中，减少拥堵带来的影响。
可用性：网络服务在特定时间内可用的百分比，即系统的正常运行时间占总时间的比例。较高的可用性是许多关键业务的基本要求，尤其在银行、医疗等行业，网络服务的连续性和可靠性直接影响业务运营。
安全性：QoS还可以定义不同的安全级别或安全类型，以确保网络中的重要或敏感数据得到保护，防止未授权的访问和数据泄露。

QoE

用户体验质量（QoE） 是一种从用户视角评估网络服务或多媒体内容传输性能的指标。与QoS不同的是，QoS主要关注网络的技术指标（如带宽、时延、抖动等），而QoE更加注重用户的主观感受，反映了用户对最终网络服务的满意度。

QoE不仅依赖于网络性能，还受到其他因素的影响，如内容的编解码方式、终端设备性能、用户的心理预期等。因此，QoE是一种更加综合的质量评价方式，反映了用户对网络服务或应用的主观体验。

路由选择

本节和下一节将会简要介绍两种机制以及它们如何传输和交付分组，这两种机制是网络运维的基础，它们分别是路由选择和拥塞控制。这里的目标是解释路由选择和拥塞控制的基本概念，因为它们是支撑网络流量和提供QoS及 QoE 必要的基础工具。

特点

网络的主要任务是将数据分组从源端传输到目的端。这就需要在网络中为数据包选择一条最佳的传输路径。通常在一个网络中会有多个可选路径，因此需要设计一种路由策略来决定数据包的传输路径。

路径选择的目标通常是提高网络性能和资源利用效率，常用的路径选择标准有两个：

跳数最少：选择跳数（经过的结点数）最少的路径，即从源结点到目的结点经过中间节点数最少的路径。这种方法简单有效，能最大限度地减少数据传输所消耗的网络资源。
最小耗费：在某些情况下，路径的耗费（例如传输延迟或带宽成本）比跳数更为重要。因此，网络中会选择累计耗费最小的路径，从而优化传输的整体效率。

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分组转发

路由器的主要功能是接收数据分组，并根据目的地址将分组转发到下一跳节点，直到分组最终到达目的地。为了实现这一过程，路由器需要维护一个转发表，用于记录到达各目的地址的下一跳信息。

路由器的转发机制

转发表的作用：转发表记录了到达每个目的地址的下一跳节点标识。通过查找转发表，路由器可以快速找到分组的转发路径，而无需计算整个路径。这种方式提高了分组转发的效率，减少了路由器的存储需求。
集中管理的转发表：另一种方式是通过网络控制中心（如SDN控制器）来集中管理转发表。控制中心会根据网络拓扑和流量情况动态更新每个路由器的转发表信息。这种方式便于集中管理，可以更快地应对网络变化（如链路中断或拓扑变化），使网络资源得到更有效的利用。
简化路由信息：在转发过程中，路由器只需存储每个目的地址的下一跳标识，而不必维护完整的路径信息。这样可以减少路由器的存储压力，提升路由效率。

路由转发中的挑战

失效：当某个路由器或链路失效时，转发表中该链路的相关信息将失效，无法再作为路径的一部分。此时，需要快速更新路由信息，以确保分组能够绕过失效链路继续传输。
拥塞：当某个网络区域发生严重的拥塞时，分组的转发路径可能需要调整，以避免进入拥塞区域，从而提高传输效率。
拓扑变化：网络拓扑会随着新链路或节点的加入而发生变化。拓扑变化会影响转发表的内容，需要对转发路径进行相应的更新，以确保路由决策的准确性。

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为了实现自适应路由，结点之间或者结点和中央控制器之间需要不断交互网络的状态
信息。

路由选择协议

在网络中，路由器通过路由选择协议来交换路由信息，决定数据包的传输路径。每个路由器根据网络的拓扑结构、流量负载和延迟等因素来进行路径选择，以确保数据能够高效地从源端传输到目的端。

路由选择协议分为内部路由选择协议（Interior Routing Protocol, IRP）和外部路由选择协议（Exterior Routing Protocol, ERP），分别用于自治系统（AS）内部和自治系统之间的路由信息交换。

内部路由选择协议（IRP）用于AS内部，负责在AS内的路由器之间交换路由信息。这类协议具有高度的灵活性，可以根据AS内部的需求和应用进行调整。常见的IRP协议包括：

RIP（Routing Information Protocol）：一种基于距离向量的协议，通过“跳数”来度量路径距离，适合小规模网络。
OSPF（Open Shortest Path First）：一种基于链路状态的协议，使用开放最短路径优先算法，可以有效地在大型网络中找到最佳路径。OSPF是一种更高级的内部网关协议，适用于大型、复杂的AS网络。

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外部路由选择协议（ERP）用于不同AS之间的路由信息交换。ERP协议允许AS之间传递路由信息，从而实现跨AS的互联和通信。常见的ERP协议包括：

BGP（Border Gateway Protocol）：BGP是最常用的ERP协议，主要用于互联网的骨干路由。BGP通过路径向量来选择最佳路径，能够处理复杂的跨AS路由。
在多个AS互联的网络中，ERP协议（例如BGP）负责不同AS之间的路由信息交换，而各AS的内部则通过IRP（如OSPF）进行管理。这种分层的路由体系结构简化了路由管理，并保证了网络的可扩展性。

路由器的组成

任何给定路由器都有若干I/O端口，这些端口至少有一个与其他路由器相连，此外还可能与零个或多个端系统相连。在每个端口上，都会有分组到达或离开，你可以认为每个端口有两个缓存或队列:一个用于接收到达的分组，另一个用于保存等待离开的分组。在实际中，每个端口都与两个固定长度的缓存相关联，或者有一个内存池供所有缓存进行存储。后一种情况下，你可以认为与每个端口相关联的两个缓存是可变长的，限制条件是所有缓存的大小之和不能超过该常量。

在任何情况下，每当分组到达，它们会存放在相应端口的输入缓存中，路由器会检查每个到达的分组，根据转发表进行路由决策，然后将分组移动到合理的输出缓存中，分组在出口排队时会尽可能快地传输出去。每个输出队列可以采用简单的先进先出(FIFO)方式，而在更通常情况下会考虑分组的相对优先级等情况并采用更为复杂的排队策略。路由策略可能还会对转发表的构建以及不同分组如何处理产生影响，这些策略可以根据除目的地址以外的其他因素来确定路由，这些因素可以是源地址、分组大小或者上层协议等。

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拥塞控制

拥塞的影响

在网络中，如果分组到达的速率超过了路由器处理分组的能力，或者超过了分组输出缓冲区的离开速度，就会导致分组在网络中的滞留和拥塞。拥塞会引起一系列问题，包括分组丢失、时延增加等，最终影响网络的整体性能。

拥塞的两种应对策略

丢弃分组：当路由器无法处理或存储到达的分组时，系统会选择直接丢弃一些分组。虽然这种方法能暂时缓解拥塞问题，但会导致数据包丢失，影响数据传输的完整性。
排队等待：另一种方法是将拥塞节点的分组排队，等待缓冲区释放后再继续发送。但是，排队等待会增加分组的传输时延，甚至可能造成更大的拥堵。

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吞吐量：当网络负载增加时，网络吞吐量随之线性增长，直到接近网络的最大处理能力。理想情况下，网络的吞吐量可以随着负载的增加而持续增长。
时延：随着网络负载的增加，分组的传输时延也会缓慢增加。在理想情况下，网络时延的增长是可控的，不会突然升高。

在实际网络中，由于缓冲区大小有限，网络的性能会受到拥塞的限制。下图显示了拥塞对吞吐量和时延的影响：

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吞吐量变化：随着负载的增加，网络的吞吐量会逐渐增加，达到一个峰值（点A）。在轻度拥塞状态下，网络的吞吐量仍能保持较高水平；但当网络进入中度拥塞区域（从点A到点B），吞吐量增长率逐渐减小。
时延变化：当网络进入中度拥塞状态时，时延的增加速度显著提升。如果负载继续增加，时延会快速上升，导致网络性能急剧下降（点B之后）。

拥塞控制技术

本节详细讨论了几种拥塞控制技术，包括反向压力、阻塞分组、隐式拥塞信号和显式拥塞信号等。

在这里插入图片描述 反向压力

反向压力是一种直接从网络内部向源端传达拥塞情况的技术。反向压力的主要目的是限制分组进入网络的速率，从而缓解网络内部的拥塞情况。具体方式如下：

链路封锁或逻辑连接：通过某个拥塞结点发出反向压力信号，限制相邻节点的流量输出。这一过程沿着数据流的方向反向传递，直至到达源端。源端根据接收到的反向压力信息，降低数据发送速率。
应用场景：该机制主要用于早期的网络，如异步传输模式（ATM）网络，但由于其复杂性，已经被多协议标签交换（MPLS）等技术所取代。

阻塞分组

阻塞分组是指在拥塞发生时生成的一种特殊控制分组，用于通知源端暂时停止或减少数据发送。这种方法的主要特点包括：

控制分组传递：当某个路由器或网络节点发生拥塞时，该节点会生成阻塞分组，向数据流的源端传达拥塞信息。
资源消耗：阻塞分组需要占用一定的网络资源来通知源端，但如果设计合理，可以有效减少拥塞情况的进一步恶化。

隐式拥塞信号

隐式拥塞信号是一种无需显式拥塞通知的技术，源端可以根据数据传输中的延迟增加或分组丢失情况推测出网络的拥塞状态。

延迟增加或丢包：源端可以通过监测网络传输的延迟变化或分组丢失率，判断网络是否发生拥塞，并根据情况调整发送速率。
应用场景：隐式拥塞信号广泛应用于没有显式拥塞控制的网络（如IP网络），如TCP协议中，源端可以根据ACK延迟或数据重传来调整流量。

显式拥塞信号

显式拥塞信号是一种直接由网络中发生拥塞的节点发出控制信息，以提醒源端减缓数据发送速率的技术。显式拥塞信号可以分为后向信号和前向信号：

后向信号：拥塞信号沿着与数据流方向相反的路径传递，通知源端减缓数据发送速率。这种信号通常用于通知网络中下游节点的拥塞情况。
前向信号：拥塞信号沿着与数据流方向相同的路径传递，通知下游节点即将发生拥塞。接收到前向信号的节点可以提前调整流量，避免加剧拥塞。

SDF和NFV

随着大数据、云计算和移动流量等大需求数据源的出现，网络中产生了海量种类繁多的流量，这也使得满足严格的QoS和QoE需求变得非常困难。网络应当适应性强、可扩展性高，而为了实现网络的适应性和可扩展性，有两种技术在各种网络服务和应用中得到了快速部署，它们分别是软件定义网络(software-defined networking,SDN)和网络功能虚拟化network functions virtualization,NFV)

SDN 软件定义网络

软件定义网络（SDN） 是一种通过集中控制实现网络管理的新型网络架构。它将网络的控制平面与数据平面分离，使得网络管理和配置可以通过集中化的控制器来实现。传统网络中，网络设备（如路由器、交换机）在设备内部实现控制和转发功能，而SDN则将控制功能从设备中抽离，集中在一个控制器上，通过控制器来管理和指挥数据转发。

SDN的核心特征在于其高度的灵活性和可定制性，可以根据应用需求快速配置网络资源，适应多变的IT需求，如云计算、移动网络、社交网络和视频流等场景。

SDN的主要功能

集中控制：SDN使用一个中央控制器（即控制平面）来管理和协调整个网络。控制器可以根据网络需求实时调配资- 源、制定路由策略和安全策略，从而使网络管理更加灵活高效。
分离控制与转发：在SDN中，网络设备只负责数据的转发，而所有路由和策略的制定由控制器负责。数据平面负责实际的数据传输，执行控制器下发的命令。这样的架构不仅提高了网络设备的转发效率，还简化了网络配置。
策略配置与更新：控制器可以为不同的流量制定不同的优先级和带宽策略，确保关键应用的服务质量。对于策略的更新，SDN可以在整个网络中快速部署新的配置，无需逐台设备手动操作。

SDN的组成结构

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