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加强高速计算机网络协议体系结构研究 |
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东南大学计算机系ＣＩＭＳ中心主任 顾冠群教授 沈苏彬博士研究生 新一代基于光纤技术的高速数据传输网络（例如ＡＴＭ、ＦＤＤＩ和ＤＱＤＢ）的 出现，使数据传输速率可达每秒兆比特（１０［６］ｂｉｔ／ｓ），有的甚至达到每秒吉 比特（１０［６］ｂｉｔ／ｓ）。这些网络的差错率已从１０［－４］降到每秒１０［ ９］。随着网络低层传输速率的提高，人们希望基于其上的计算机网络应用软件的处理效 率能同步提高，但事实上恰恰相反。网络低层传输速率提高到一定限制值时，网络应用软 件的性能指标（包括高吞吐量、低延迟时间）将不再提高，有时反而下降。问题在于通信 协议的处理限制了网络应用性能的提高。 目前通信软件可以分成三个部分： （１）网络传输部件（ＯＳＩ的物理层到媒体访问控制子层）； （２）通信运输部件（ＯＳＩ的逻辑链路控制子层到运输层）； （３）应用部件（ＯＳＩ的会话层到应用层）。 在目前的通信系统中，从低层到高层的这三部分速率的数量级分别为１００、１０和 １Ｍｂｐｓ。基于光纤的高速网的出现，已将通信系统的性能瓶颈移到了高层通信协议的 处理，出现了高速数据传输与低速协议处理之间的矛盾，使计算机网络协议体系结构的研 究在历经８０年代的“开放性”课题之后，又要面临“高性能”的新课题。我们认为计算 机网络的高速化和网络协议的轻型化是９０年代计算机网络发展的一个新方向。 国外在９０年代中后期以及９０年初，对高速计算机网络协议及体系结构已经做了大 量的研究，并且已构造了全国范围的吉比特（Ｇｉｇａｂｉｔ）级网络测试平台。国外权 威人士认为，凡是想跻身于未来世界电信计算机工业前列的国家，都会投入到高速网的研 究中。高速网的研究范围很广，包括高速通信网络的研究（例如光纤及应用，宽带ＩＳＤ Ｎ及服务），高速交换、接口和控制器的研究，以及高速计算机网络协议及体系结构的研 究。本文主要探讨高速计算机网络协议体系结构。 高速计算机网络协议研究的起因及目标 １．研究的起因 高速计算机网络协议的研究可分成两个阶段。第一阶段是８０年代中期，随着局域网 技术的发展和成熟，人们开始研究局域网的高层协议，发现原来基于电话线传输速率（２ ．４～５６ｋｂｐｓ）的高层网络协议无法充分利用局域网的高速（１０～１００Ｍｂｐ ｓ）通信资源，尤其是在局域网上引入新型网络应用，例如分布处理多媒体应用，原来面 向低速率、高差错、成批数据传输的计算机网络协议已经不能满足日益增长的网络应用的 要求，因此提出了新型高性能网络协议的研究课题，研制了一系列轻型协议。面向分布处 理的轻型协议ＶＭＴＰ（多用途报文事务处理协议）和面向成批数据传输的轻型协议ＮＥ ＴＢＬＴ（网络成块传输协议）就是这一时期的产物。 高速计算机协议研究的第二个阶段是８０年代末９０年代初开始的。随着光纤技术有 发展，数据传输速率已达到每秒吉比特量级，尤其是ＡＴＭ技术的成熟，使高速计算机多 已经多局域网、城域网发展到广域网。现有计算机网络协议及体系结构能否适应吉比特网 络的环境？这是许多研究者十分关心的问题。许多研究者从各个角度对此做了许多测试和 研究，其结论基本一致，即网络协议处理已成为通信系统的性能瓶颈，使网络应用软件无 法充分享受高速网带来的效率。但解决这一瓶颈的作法却大相径庭，有些研究者认为，高 速协议、尤其是端－端的运输层协议是限制通信系统性能的关键，高速网络应该在运输层 采用轻型协议；另一些研究者认为类似于ＴＣＰ的运输层不是限制网络协议处理性能的关 键，高速网应该选择有利于协议性能实现的网络体系结构；还有一些研究者通过实验分析 认为，吉比特网络确实对现有网络协议及体系提出了挑战，但不需要研制新型网络体系结 构。９０年代对高速网协议的研究已不再局限于某层协议，而是对整个体系结构要进行新 的实验和研究。 ２．研究的目标 根据我们在网络方面的实践，我们认为高速传输的出现，使得网络协议的处理性能已 成为继网络开放性之后的又一个研究热点。网络协议的处理性能与协议本身的处理机制、 数据格式定义有关，但也离不开网络协议的实现环境和实现方法。网络协议处理性能的评 价指标包括请求／响应的延迟时间，以及传输数据的吞吐量。不同的网络应用，侧重于不 同的性能指标，性能优良的网络协议必定适用于某种特定的网络应用。吉比特网络可能包 括以下几种应用： （１）分布处理 远地进程调用（ＲＰＣ）、远程存储器服务、远程查找或数据库查询都属于分布式处 理。这类网络应用每次传输数据量较少，但请求次数频繁，因此对于分布处理的关键性能 是低延迟。这种应用常要求数据服务，以及多址和广播功能，以便于定位网络资源。 （２）全频应用 “全移动视频”可能用于视频会议，要求采用吉比特网络。该网络应用拟采用虚电路 型服务，该类型网络要求提供成批实时数据传输服务，经过一段时间延迟的数据是无用的 。因此，不重传那些出错或丢失的分组是一种用于简化协议处理、提高性能的有效技术。 （３）计算机图像 医药、地震和气象等系统的计算机图像应用仅能在每秒吉比特速率下工作，对中心计 算机要求的数据，必须在联网的不同计算机中以全移动（Ｆｕｌｌ－Ｍｏ－ｔｉｏｎ）方 式存储，由中心计算机实时获取数据，并处理成可发送到“端设备”的图像。处理的第一 步即获取数据是高速分布系统，处理的第二步即发送图像是高速传输系统，因此这种应用 在采集数据时要求可靠、低延迟（等等待）的传输，而发送图像时，要求高吞吐量。 从广义上而言，高速网的应用可分为成批数据传输、分布事务处理和多媒体应用这三 类。不同的网络应用，要求不同特征的网络协议及性能指标，高速网协议研究的目标之一 是面向不同应用的轻型网络协议，另外，还包括高速网的协议体系结构及网络协议的高性 能实现技术。 高速网协议体系结构 目前讨论最多的计算机网络体系结构是ＩＳＯ参考模型——开放系统互连（ＯＳＩ） 。该体系结构采用分层原理，对各功能层进行语义隔离。ＯＳＩ体系结构对不同计算机网 络系统的互连具有不可替代的作用，ＯＳＩ已成为探讨计算机网络体系结构的共同的参照 系，ＯＳＩ体系结构为构造开放的计算机网络系统奠定了理论基础。高速计算机网络不能 偏离“开放”这一方向，ＯＳＩ体系结构仍是研究高速网体系结构的基础。但是，基于我 们多年来对ＯＳＩ体系结构的研究和实践，我们认为在计算机网络实现结构方面，如果单 一地采用ＯＳＩ抽象模型的分层方法进行功能模块的分解，将很难得到一个有效的计算机 网络实现系统。ＯＳＩ的分层原理并非是网络系统实现的唯一有效方法，许多研究者已经 推出了多种在高速网环境下的协议体系结构。 １．合并ＯＳＩ层的体系结构 在ＸＴＰ协议（一种轻型协议，详见下文）的软件实现中，ＯＳＩ的第３层和第４层 被组合到单个软件数据结构中，这就减少了所承担的协议处理的开销总数，并且简化设计 ，这也允许网络层和运输层协议作为信由（Ｒｏｕｔｅｒ）和信关（Ｇａｔｅｗａｙ）的 一部分。这样的结构使新的“有源”信关能参与高层差错恢复和信息流的控制。 ２．并行协议体系结构 关于并行协议体系结构的建议是指Ｚ．Ｈａａｓ提出的“面向水平协议结构”——Ｈ ＯＰＳ（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｓｔｒｕｃｔ ｕｒｅ）。ＨＯＰＳ的主要思想是把协议公成功能而非分解成层。ＨＯＰＳ把协议体系结 构划分成三个功能相对独立的层。网络访问控制层在ＩＳＯ栈的第３层以下操作；通信接 口层（ＣＩ）实现运输层到表示层的几个并行功能；应用层对应于ＯＳＩ的应用层。ＣＩ 层的并行功能包括地址查看、顺序号验证等，被直接映射到并行实现。ＣＩ层的实现应该 减少对主机操作系统的依赖。 ３．应用级组帧的协议体系结构 美国麻省理工学院计算机科学实验室提出了一种高速网环境下的协议设计新方法，称 为“应用级组帧”——ＡＬＦ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｌｅｖｅｌ Ｆｒａｍｉｎｇ ）。ＡＬＦ方法认为是应用而不是网络应该控制数据的组帧。 在ＡＬＦ体系结构中，数据流截断成“应用数据单元”（ＡＤＵ），ＡＤＵ作为校验 和加密、重发以及表示层格式化的单位。仅当数据移到网络时，ＡＤＵ才分解成“网络数 据单元”（ＮＤＵ）；根据网络技术要求，ＮＤＵ可以是分组，也可以是ＡＴＭ的信息元 （Ｃｅｌｌ）。这样，ＡＬＦ可以适用于ＡＴＭ等不同类型的传输网，并且可以在这些传 输网之间转换。 ＡＬＦ是精简约束协议的一个实例，它在不同协议处理捍序和顺序方面为实现者提供 了最大的在度。这是改革ＯＳＩ协议体系结构出发点之一，以此减少不必要的约束，提高 协议并行处理的能力。 轻型计算机网络协议 轻型计算机网络协议可以定义为：属于努力缩短在无差错情况下用于数据发送和接收 的指令路径长度，并且在总体上减少用于通信的开销（减少分组交互次数），调整好流量 控制算法以避免缓存区溢出的一类协议。 １．几类典型的轻型协议 目前四种典型的轻型协议是Ｄｅｌｔａ－ｔ、ＮＥＴＢＬＴ、ＶＭＴＰ和ＸＴＰ，这 四种协议都包括了ＯＳＩ运输层协议的主要功能，但它们与常用的ＴＣＰ协议及标准的Ｏ ＳＩ／ＴＰ４协议又有许多不同点，这些不同点使其具有“轻型”的特点。 （１）Ｄｅｌｔａ－ｔ协议 Ｄｅｌｔａ－ｔ协议是美国劳伦斯利沃莫（Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ）国家实验室，在开 发利沃莫集成网络计算系统（ＬＩＮＣＳ）时研制的一种高性能运输层协议。它既可以有 效地支持请求／响应事务处理的通信，又可以有效地支持成批数据流的通信。Ｄｅｌｔａ －ｔ协议要求无连接网络协议（如ＩＰ和ＩＳＯ的ＣＬＮＰ）的支持。 Ｄｅｌｔａ－ｔ协议的特色在于采用基于计时器的连接管理。在发送端通过初始化连 接记录启动发送计时器，同时发送数据分组到接收方，此时连接建立。接收方收到该分组 后，初始化连接记录，启动接收计时器。当发送计时器（或接收计时器）超时时，发送方 （或接收方）释放连接。这种方法的困难之处在于确定计时器的准确值，该值依赖于网络 延迟和分组的生命期等参数。 Ｄｅｌｔａ－ｔ协议采用滑动窗口机制作为流量控制算法，采用校验和选项允许检测 出错数据，采用自动重复请求（ＡＲＱ）和后退Ｎ（Ｇｏ－Ｂａｃｋ－Ｎ）作为差错时重 发机制。Ｄｅｌｔａ－ｔ协议的流量控制和差错控制的单位是比特。 （２）ＮＥＴＢＬＴ协议 ＮＥＴＢＬＴ（ＮＥＴｗｏｒｋ Ｂｌｏｃｋ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）协议是美国麻省 理工学院（ＭＩＴ）计算机科学实验室研制的一种用于大批量数据传输的高性能运输层协 议。它可以在任何提供数据报服务的网络上运行。 在ＮＥＴＢＬＴ中，数据以一系列被称为“缓存区”的数据单元发送，“缓存区”由 发送客户提交给ＮＥＴＢＬＴ，ＮＥＴＢＬＴ将其分组化，然后以成批分组方式发送给收 方。 ＮＴＥＢＬＴ协议的特点在于流量控制中采用了速率控制机制，即在发送方利用本地 计时器以及建立连接时约定的成批分组长度和速率，限制分组的发送速率。 ＮＥＴＢＬＴ协议允许差错和丢失检测，采用选择重发机制作为差错控制的方法。发 送方传输完一个完整的“缓存区”后，等待接收方的报文，这个报文可以是ＲＥＳＥＮＤ 报文，指示丢失的分组；也可以是一个ＯＫ报文，确认“缓存区”的正确接收；还可以是 一个ＯＫ报文，允许发送另一个“缓存区”。这种发送等待方式在较大延迟的网络中并不 十分有效，可以利用多个“缓存区”机制加以改进，即当传输完一个“缓存区”后，发送 方不等待应答，而是开始发送另一个“缓存区”。 （３）ＶＭＴＰ协议 ＶＭＴＰ（Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｍｅｓｓａｇｅ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ Ｐｒ ｏｔｏｃｏｌ）协议由美国斯坦福大学计算机科学系研制，主要用于在分布式操作系统环 境下提供高性能的通信服务。ＶＭＴＰ协议是面向支持实时事务处理的协议，ＶＭＴＰ要 求下层网络提供数据报分组服务，包括支持多址传输、实时、安全和数据流。 ＶＭＴＰ协议采用速率控制机制实现流量控制，即通过固定分组之间的间隔来限定传 输速率。 ＶＭＴＰ协议的主要特色是提供一个高性能的应用于事务处理的运输层协议。ＶＭＴ Ｐ定义一个报文的事务处理为：一个客户机发出一个请求报文至一个服务器实体，随后有 零个或多个响应报文（最后每个服务器响应一个）。报文的格式为报文控制块（ＭＣＢ） 后接数据段。一个报文可分成一个或多个分组群传输，分组群是指由协议组合的一群分组 （最多３２个分组），用作确认、顺序选择重发和速率控制的基本单元。 ＶＭＴＰ协议的一个请求通常由具有相同（客户，事务处理）标志的响应给以确认。 ＶＭＴＰ利用几个计时器预测客户机和服务器之间的传播延迟，估算用于多分组响应的分 组间隔时间以及期望接收一个响应的等待时间。 （４）ＸＴＰ协议 ＸＴＰ（Ｘｐｒｅｓｓ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）协议是由美国Ｐ ｒｏｔｏｃｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｓ Ｉｎｃ．公司为便于在被称为“协议引擎”的ＶＬＳ Ｉ体系结构上实现而设计的网络运输协议，其目的是为吉比特高速网络提供完全的运输功 能。 ＸＴＰ允许传统的数据流服务（例如ＴＣＰ提供的服务）及成批数据传输服务，也允 许基于短生命期连接的实时数据报服务，并且可以提供可靠的的多址发送功能。 ＸＴＰ的流量控制是基于滑动窗口机制和速率控制机制。ＸＴＰ与ＮＥＴＢＬＴ采用 的速率控制机制的不同之处在于ＸＴＰ能利用可变缓存区长度。ＸＴＰ的差错控制是通过 选择重发方式及一个可选的重排序功能实现的。 ２．轻型协议与协议高性能的实现 轻型协议在连接管理中引入了隐式连接管理机制或基于计时器的连接管理机制，在确 认机制中引入了选择确认的策略，在差错控制管理机制中引入了选择重发要制，在流量控 制中引入了速率控制机制。轻型协议为协议处理的高性能提供了一条有效的途径。 但是，轻型协议固有的许多优势要通过协议的高性能实现技术才能体现。协议的高性 能实现技术包括在协议中引入并行处理机制和旁路机制，以及用硬件实现高层协议。 轻型协议偏向数据流和控制流采用不同连接就是便于并行处理机制的引入；而ＸＴＰ 轻型协议就是为了便于在超大规模集成电路上实现而设计的网络层、运输层协议。 对高速计算机网络研究的几点考虑 高速网对协议处理的要求来自两个方面，其一是提高高层协议处理的性能，消除或缓 解通信系统中的瓶颈，使整个计算机通信系统的性能得以提高。在公用网络上，提高高层 协议处理性能可采用多处理器实现环境、并行处理机制、旁路技术和硬件实现技术；在专 用网络上还可以设计轻型协议。 高速网对协议处理的另一方面要求是支持新型网络服务。对于远程分布式处理（包括 客户机／服务器模型），要求在高速协议中增加数据服务，提供多址发送及广播功能，采 用新型连接管理机制。对于多媒体应用，要求提供灵活的流量控制方式、差错控制方式及 应答方式，并提供相应的服务质量（ＱＯＳＯ）参数，供不同多媒体应用选择。 高速网协议体系结构的研究在我国才刚刚起步，许多问题需要实验、测试和分析。目 前国内尚不能提供基于ＡＴＭ技术的宽带综合业务数字网，这样就给高速网协议体系结构 的实际测试和分析带来了困难。但高速网是关系到未来电信及计算机工业的关键技术，当 前可以在已有的实验环境下开展较为深入的研究，以便把握未来的发展。 （计算机世界报 1994年 第1期） |
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