网络原理剖析

2013-3网络原理剖析研发中心毛银杰

为什么需要关注网络底层细节?故障排查,问题初步判定应用层软件?操作系统协议栈实现bug?中间网络设备故障?防火墙因素?网线因素?网卡因素?操作系统设置优化问题?如果是系统设置问题,如何优化如果是系统因素(软硬件),如何证明如果是应用层软件问题,如何修改?一:固网部分(TCP/IP原理)TCP/IP层次模型应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层1234567应用层传输层网络层网络接口层/物理层1:eth2:ip3:tcp/udp4:http…OSI参考模型TCP/IP模型网络设备介绍HUB(已淘汰)交换机二层交换机,三层交换机的概念交换和共享的概念带宽概念,交换机几个基本参数何谓线速路由器路由概念路由抉择原理VPN设备虚拟专用网络虚拟专用网指的是依靠ISP（Internet服务提供商）和其它NSP（网络服务提供商），在公用网络中建立专用的数据通信网络的技术。在虚拟专用网中，任意两个节点之间的连接并没有传统专网所需的端到端的物理链路，而是利用某种公众网的资源动态组成的NAT6VPN的定义VPN——VirtualPrivateNetworkInternet出差员工隧道专线办事处总部分支机构合作伙伴异地办事处VPN专题(续)VPN类型为什么需要VPNVPN可以提速吗?由于VPN而额外增加的问题隧道—许多网络新技术的根本隧道之原理隧道之本质隧道之优劣当前的许多网络技术的变革,可能本质上在其底层有一个隧道技术在支撑NAT技术NAT(NetworkAddressTranslators)，网络地址转换：网络地址转换是在IP地址日益缺乏的情况下产生的，它的主要目的就是为了能够地址重用。NAT分为两大类，基本的NAT和NAPT(NetworkAddress/PortTranslator)。实际上,我们碰到的应该都是NAPT,因为只有NAPT才能有助于解决IP匮乏问题几个基本概念

网速带宽延迟延迟的影响因素:传输信息量

传输距离交换次数媒介带宽详见http:///Forum.aspx/t-8390IP地址必须了解IP地址的准确含义IP地址类型IP路由机制TCP/UDPTCP流特性延迟确认Nagle规则粘报拆报UDP数据报特性发送接收是个”原子”操作由于数据报额外引入的问题长度受限网络自适应能力(防火墙,各种隧道)UDP几种传输模式及原理单播广播多播网络生产者消费者消费者IP组播讨论为什么可以降低带宽为什么可以降低主机负荷组播需要注意什么IP组播地址和以太网多播地址的映射IEEE管理以太网多播地址分配。IEEE把一块以太网多播地址分给IANA以支持IP多播。块的地址都以01:00:5e开头。如图示,该映射关系是一个多到一的映射。在构造以太网地址时，没有使用D类IP地址的高位9比特。多个IP多播地址将映射到同一个以太多播地址Socket模型Tcpudp套接字发送缓存接收缓存Tcp窗口概念Socket状态INTERNET介绍国内Internet现状国际出口现状(附图及带宽分析)网速问题分析不同运行商互联互通问题分析国际出口带宽增长趋势带宽截止2012年6月,数据来源--中国互联网络信息中心（CNNIC）国际出口(1) 数据截止2010年APCN2（亚太二号）海底光缆

带宽：2.56Tbps

长度：19000km(单程延时60ms)

经过地区：中国大陆、香港、台湾、日本、韩国、马来西亚、菲律宾。

入境地点：汕头，上海。CUCN（中美）海底光缆

带宽：2.2Tbps

长度：30000km(单程延时100ms)

经过地区：中国大陆，台湾，日本，韩国，美国。

入境地点：汕头，上海。SEA-ME-WE3（亚欧）海底光缆

带宽：960Gbps

长度：39000km (单程延时130ms)

经过地区：东亚，东南亚，中东，西欧。

入境地点：汕头，上海。国际出口(2)EAC-C2C海底光缆

带宽：10.24Tbps

长度：36800km (单程延时120ms)

经过地区：亚太地区

入境地点：上海，青岛。FLAG海底光缆

带宽：10Gbps

长度：27000km (单程延时100ms)

经过地区：西欧，中东，南亚，东亚。

入境地点：上海。Trans-PacificExpress（TPE，泛太平洋）海底光缆

带宽：5.12Tbps

长度：17700km

经过地区：中国大陆，台湾，韩国，美国

入境地点：上海,青岛。不同运营商网络互通问题对等互联第一层骨干网非对等互联第二层骨干网ISP/ICP/终端用户非对等互联非对等互联网络故障点分析-案例分享软件,系统设置TCP流特性,UDP数据报特性各个I/O模式的限制netstat工具初步判定网卡聋网卡,哑网卡(少见)数据错误(软件层工作交给硬件完成)对于以太网来说，很多故障不是简单地通与不通的问题。而是所谓的软故障，或间歇性故障。网线长度,网线质量,途经环境各种不同标准规范的长度限制:

10BASE:

100BASE:

1000BASE:网络故障点分析-案例分享(续)交换机带宽分析线速概念带宽的误区三层交换的概念路由器路由配置路由环路NAT设备的问题会话概念会话保持概念何谓打洞组播特殊问题分析网络故障点分析-案例分享(续)防火墙因素规则检测方法所谓的网络加速设备及其对应用的影响分析加速设备原理带宽分析故障定位扑朔迷离可能带来的额外故障TCP状态变迁维护错误潜在的数据丢失风险http:///u/maoyj/Blog.aspx/t-1987故障分析诀窍大胆假设,细心求证二:移动网部分移动IP的概念了解移动网络前,必须先掌握移动IP的概念IP漫游漫游的限制如果移动节点发起通信,位置改变后,可重启应用,则漫游足够移动IP—保持TCP连接的移动移动IP原理图外地代理外地代理归属代理归属链路归属地移动节点外地链路外地链路外地移动节点隧道固定节点移动通信的发展历程1G2G2.5G2.75G3GLTE(长期演进)4G,5G…移动网络的关键空口分析频谱资源蜂窝网络概念宏蜂窝微蜂窝微微蜂窝小区半径分析(小区分裂)蜂窝概念及覆盖范围分析微微蜂窝(Pico-cell)

主要为室内通信服务，覆盖区域10~100m；微蜂窝(Micro-Cell)

通常以1瓦以下的发送功率覆盖30m~500m地理区域，主要为话务量较大的地区服

务，例如城市街区；宏蜂窝(Macro-cell)

通常以10瓦左右的发送功率覆盖1Km~25Km地理区域，主要为话务量较低的大面

积区域服务，例如乡村地区。目前广泛应用的蜂窝移动通信系统如GSM和IS-95系

统都是通过Micro-cell和Macro-cell来实现无线覆盖的。移动网络的容量分析从范围覆盖到干扰从信噪比受限到干扰受限语音通信容量为什么容量受限解决方案数据业务容量数据业务和语音业务的冲突当前数据业务的现状网络扩容的概念GbGs演进图NodeBRNCIubSGSNIu-psIu-CsGSMGPRS3GLTE概念(移动网络的长期演进,4G,5G…)LTE是个长期的过程4G绝不是终点…GPRS网络架构GPRS网络和GSM网络之间的关系充分展现了移动网络部署的渐进式发展移动网络的渐进式升级对于我们的应用有什么借鉴意义?网络速度分析(固网)频率是关键

原因阐述香农定理 C=B*log2(1+S/N)其中C是可得到的链路速度，B是链路的带宽，S是平均信号功率,N是平均噪声功率,固网速度分析(MODEN)通常音频电话连接支持的频率范围为300Hz到3300Hz，则B=3300Hz－300Hz=3000Hz，而一般链路典型的信噪比是30dB，即S/N=1000，因此我们有C=3000×log2（1001），近似等于30Kbps，是28.8Kbps调制解调器的极限，因此如果电话网络的信噪比没有改善或不使用压缩方法，调制解调器将达不到更高的速率。ADSL 下行高8Mbit/bps传输速度；上行高达640Kbit/bps的传输速度ADSL中的使用频率分析

普通电话0K---4K

上行通道:30.2----125.1K

下行通道:163.9---1109.7K国内频谱资源分配GSM

上行频率（MHz）下行频率（MHz）载波号

标准频率890～915935～9601～124

中国移动890～909935～9541～94

中国联通909～915954～96096～1243G

上行频率（MHz）下行频率（MHz）补充频率

移动TD-SCDMA 1880~1920 2010~2025 2300~2400

联通WCDMA 1920~1980 2110~21701755～17851850~1880

电信CDMA2000 825~835 870~880 885~915930~960网络速度GPRS 171.2kbEDGE 473kb3G 1.快速移动环境，最高速率达144kbit/s；3.室内环境，最高速率达2Mbit/s。2.室外到室内或系统环境，最高速率达

384kbit/s；移动网络故障点分析应用软件我们自己的程序,是故障的最大嫌疑空中接口移动网络和固网的关键区分核心网络侧SGSN,GGSN之间分组路由的过程,丢失,乱序等防火墙运营商网络和INTERNET之间WAP网关移动网络故障排查辅助工具巧妙利用VPNPC通过手机上网测试信号分析仪硬件信号分析仪很贵,有软件无线电,几乎可以完成硬件分析仪可完成的一切适应移动网络程序的开发要点假定用户为GPRS用户,而非3G用户带宽受限猝发流量受限必须考虑到TCP在移动网络下的特殊表现由于TCP协议行为不是我们应用层可以控制(特别是移动终端的行为)所以我们只能了解TCP在移动网络的局限性,并在应用层面规避之了解移动网络设备的规范,尽量使自己的应用符合各类设备规范的交集(最小集合),以最大限度提升兼容性这是一个长期的,逐步调整,积累的过程2G,2.5G,3G,4G等的本质区别分析带宽是关键区别主要在空口,核心网络侧变动不大其他无线通信技术蓝牙WIFIZigBeeWiMax(也是3G标准之一)WiGig…距离频率功率带宽

适用范围三:卫星通信部分卫星通信原理通常把高度在500千米以下的航天器轨道称为低轨道，500千米~2000千米高的轨道称为中轨道。记住几个常量:光速

同步轨道高度第一宇宙速度30万KM/S 3.6万KM 7.9KM/S低轨,高轨众所周知三颗静止轨道（GEO:GeostationaryEarthOrbit）卫星即可基本实现全球范围内无