第二章 网络实现模型.pptVIP

（1） 依靠进程实现不间断计算的抽象 操作系统通过进程提供给程序员不间断、顺序计算的抽象 进程抽象通过三个机制实现：上下文切换，调度，保护 进程抽象带来的开销： 上下文切换（状态保存及恢复），调度器运行，API * 进程的三种类型 中断处理程序： 仅用于处理紧急请求的短小程序 只使用少量的状态（如几个寄存器），开销（上下文）最小 线程： 轻量级的进程，只需要较少的状态（较小的上下文） 同一个进程中的线程切换比进程切换开销小（内存不需要重新映射） 用户进程： 使用计算机的全部状态，比如内存和寄存器（上下文最大） 用户进程之间切换的代价很高（重新映射内存） * 举例：接收端活锁（Receiver Livelock） 计算机将所有的时间用来处理数据包中断，却因为没有时间运行应用程序，而最终将数据包丢弃。 * 进程启动时间 在Pentiem IV计算机上，一个空的中断调用，中断延迟大约为2微秒。 在一个具有两个进程的Linux机器上，进程上下文切换约用时10微秒；Windows和Solaris用时更多。 在1Gbps以太网链路上，10微秒时间内可能会有接近20个最小长度的包到来。 端节点上网络程序的延迟和吞吐量和进程启动时间有关。 * （2）依靠虚拟内存实现无限存储的抽象 在虚拟内存系统中，程序员使用的内存抽象是一个线性存储空间，存储空间大小只受指令地址长度的限制。 现代计算机系统使用页表映射和请求调页两个机制实现虚拟内存抽象： 一个虚拟页为4KB，用虚拟地址的高20位构成页号，低12位构成页内偏移量。 物理内存划分为物理页，每个物理页的大小为4KB。 虚拟页到物理页的映射关系被保存到一个页表中，以虚拟页号作为索引。 （页表映射） 虚拟页也可以不在内存中，当需要时从磁盘读入到内存的一个物理页中。（请求调页） * 基于页的内存映射 * 虚拟内存抽象带来的开销 到虚拟地址X的一个读操作可能需要访问主存两次： 第一次访问页表，将虚拟地址X转换成物理地址P 第二次访问物理地址P 现代处理器将最近使用过的地址映射缓存在TLB中，实际的地址转换由MMU硬件完成。 极其影响内存访问速度的两个因素： TLB miss 调页 访存瓶颈在端节点中表现最为突出 * （3）通过系统调用实现简单I/O的抽象 操作系统提供给程序员的设备抽象是可以进行读写的一块内存 * 设备访问和系统调用 将一个简单的I/O接口调用映射到对设备进行实际操作的代码是设备驱动程序 为安全考虑，设备驱动程序运行在内核空间，应用程序必须通过系统调用来访问设备 系统调用是函数调用的一种保护形式，它使处理器进入内核模式，从而可以执行I/O操作 系统调用比函数调用的开销大，在现代计算机上，一个简单的系统调用可能需要几个微秒。 * 2.5 小结 本章介绍了影响网络系统性能的四个抽象等级： 硬件：如存储器、硬件处理逻辑 体系结构：如总线速度、cache容量 操作系统：如进程切换、虚拟内存、系统调用 协议：如查表、定时器 * 第二章 网络实现模型 模型的重要性 网络算法学包含以下几个不同的领域： 协议，硬件，体系结构，操作系统，算法。 不同领域的专家通过简单的模型进行对话： 模型描述了问题的要点，又不涉及不必要的细节 最低程度：模型应能定义所需要的术语 最好情况：领域外的专家可以根据模型进行设计，并可由领域内的专家对设计进行验证 2.1 协议抽象模型 协议定义了通信实体之间交换的报文和次序，以及在报文发送、接收或收到其它事件后采取的动作。 可将协议看成是一个加上了接口和报文格式定义的状态机。 协议规范描述状态机如何改变状态，以及如何响应接口调用、消息到达和定时器事件。 常见而耗时的功能（TCP/IP） 与数据包收发有关的功能： 数据操作：交换，数据拷贝，检查和计算 分配资源（如内存、CPU） 与协议处理有关的功能： 重组数据包 查表及修改状态 设置定时器 调度任务 数据包交付给应用： 解复用 控制切换 重要的性能指标 网络中两个最重要的性能指标： 吞吐量：每秒处理的包数（pps）或比特数（bps） 延迟：处理一个数据包的时间（典型地为最坏情况） 性能测量分为： 全局性能测量：如端到端延迟和带宽，使用网络管理工具（如OpenView）进行测量。 本地性能测量：如路由器查找速度，使用计算机内部的性能测量工具（如Oprofile, Vtune）测量。 本课程关注本地性能。 因特网环境的特点 链路速度已进入Gbps量级： 1Gbps很普遍，10Gbps正推广，40Gbps已商用，…… TCP流量占主导 小包： 路由器收到的包中大约一半为最小长度（40字节）的包 延迟很长： 实际来回延迟远远超过光的传输延迟 局部性很差： 在一个包上执行的计算在未来短时间内重用到另一个包上的可能性很小 网络