计算机揭秘之:网络分类和性能分析

简介

程序员天天都在写代码，关注的都是更高层次的封装，今天我们换个思路，让程序那些事来带你看一看隐藏在表象之下的网络和他们的性能分析。

本文主要涉及5个模块，分别是网络七层协议，延迟与带宽，IP，TCP，UDP。

OSI网络七层协议

在讲网络之前，一定要提到OSI网络七层协议。

OSI是Open System Interconnect的缩写，意为开放式系统互联。

上图是大家非常非常熟悉的OSI七层网络模型，和对应的TCP/IP模型。

应用层的功能是文件传输，电子邮件和文件服务等。使用的协议主要是HTTP，SMTP和FTP。

表示层的功能是数据格式化，代码转换和数据加密。

会话层的功能是解除或者建立与其他节点的联系。

传输层的功能是提供端对端的接口，使用的协议主要是TCP和UDP。

网络层的功能是为数据包选择路由，使用的协议是IP。

数据链路层的功能是传输有地址的帧，和检查数据错误。

物理层的功能是以二进制数据在物理媒介上传输数据。

延迟与带宽

最近电信业务员老是给我打电话，说是要把家里的电信宽带从100M升级到500M，每天只需要一块钱。一块钱虽然少，但也是血汗钱。那么办还是不办呢？升级到500M对性能和延时提升有多大帮助呢？

2020年可以称为中国5G的元年。先不管华为，中信在5G基站和协议制定方面的能力。直观的感觉5G手机开始多了，手机营业厅也在卖力的让你升级到5G套餐，那么办还是不办？

在回答这两个问题之前，我们学习两个名词：

延迟: 分组从信息源发送到目的地所需的时间。

带宽: 逻辑或物理通信路径最大的吞吐量。

如果你访问一个网站，比如www.flydean.com，我们看一下数据是怎么从服务器到达你的电脑的。

首先数据从服务器通过以太网（以太网是一种计算机局域网技术）传输到ISP。

ISP是啥呢？ISP就是互联网服务提供商（Internet Service Provider），通过ISP你才能够把服务器接入互联网。

互联网就是通过主干网的互联网服务提供商（ISP）之间的相互连接构成的。

所以ISP就是一个......大代理。

好了，数据传到为我家提供服务的ISP了，然后通过光纤或者电缆线传到了我家的WiFi，然后通过WiFi的无线信号，被我的电脑接收。

延时的构成

讨论分析了数据的传输线路，接下来我们看一下，延时会跟哪些原因有关呢？

首先肯定是信号传输的距离，距离越长，传输速率越慢，需要的时间就越长。

接下来就是消息的长度，我们把消息中的所有比特转移到链路中需要时间，消息长度越长，需要的时间越多。

数据上了链路之后，处理分组首部、检查位错误及确定分组目标也需要时间。

最后，我们对于分组数据进行排队处理也需要时间。

现在主网络的传输介质基本上都是光纤了，光在光纤中传播，并不是直线进行的，并且也有折射率的影响，所以速度比光在真空中传播要慢一点。

比如说信号围绕赤道转一圈，只需要大概200ms。已经很快了。

200ms确实很快了，但是对于某些实时性要求特别高的应用场景，我们可以使用CDN技术（Content Delivery Network，内容分发网络），把内容部署在全球网络中，然后从最近的地方去取数据。从而大大减少传输延时。

200ms够快了，但是为什么我们仍然会感觉到网速慢呢？

大家都听过木桶原理吧，木桶能够装的水，决定于最短的那块木板。同样的对于网络延时来说，提升速度不在于你在主干网上采用了多么先进的技术，因为提升的再多或者再差也是毫米级的。

真正决定网速的在于最后一公里，也就是你电缆线的传输速率，你的wifi的传输速率，还有你电脑的处理速率等。

 能接入更高带宽固然好，特别是传输大块数据时更是如此，比如在线听音乐、看视频，或者下载大文件。可是，日常上网浏览需要的是从数十台主机获取较小的资源，这时候往返时间就成了瓶颈。

IP协议

IP，即 Internet Protocol（因特网协议），负责联网主机之间的路由选择和寻址。

各种物理网络在链路层所传输的基本单元为帧（MAC帧），其帧格式随物理网络而异，各物理网络的物理地址（MAC地址）也随物理网络而异。Ip协议的作用就是向传输层（TCP层）提供统一的IP包，即将各种不同类型的MAC帧转换为统一的IP包，并将MAC帧的物理地址变换为全网统一的逻辑地址（IP地址）。

IP数据包

数据包(data packet)是什么？

数据包也是分组交换的一种形式，就是把所传送的数据分段打成包，再传送出去.

每个数据包都有报头和报文这两个部分，报头中有目的地址等必要内容，使每个数据包不经过同样的路径都能准确地到达目的地。在目的地重新组合还原成原来发送的数据.

我们看下IP数据包的构成。

注意上面的Total Length部分占用了2个字节，所以IP数据包的最大长度就是2^16-1=65535字节。

分片和重组

链路层具有最大传输单元MTU这个特性，它限制了数据帧的最大长度，不同的网络类型都有一个上限值.如果IP层有数据包要传，而且数据包的长度超过了MTU，那么IP层就要对数据包进行分片操作，使每一片的长度都小于或等于MTU。

分片后的IP数据包，只有到达目的地才能重新组装。重新组装由目的地的IP层来完成，其目的是使分片和重新组装过程对传输层（TCP和UDP）是透明的。

MSS与MTU

MSS最大传输大小的缩写，是TCP协议里面的一个概念。

MSS就是TCP数据包每次能够传输的最大数据分段。为了达到最佳的传输效能TCP协议在建立连接的时候通常要协商双方的MSS值，这个值TCP协议在实现的时候往往用MTU值代替（需要减去IP数据包包头的大小20Bytes和TCP数据段的包头20Bytes）, 通讯双方会根据双方提供的MSS值得最小值确定为这次连接的最大MSS值。

而一般以太网MTU都为1500, 所以在以太网中, 往往TCP MSS为1460。

TCP

 TCP，即 Transmission Control Protocol（传输控制协议），负责在不可靠的传输信道之上提供可靠的抽象层,  向应用层隐藏了大多数网络通信的复杂细节，比如丢包重发、按序发送、拥塞控制及避免、数据完整，等等。

TCP三次握手

一般来说，使用TCP协议，如果client和server要达成一致建立连接的话，需要三次交互。

• SYN

客户端选择一个随机序列号x，并发送一个SYN 分组，其中可能还包括其他TCP标志和选项。

• SYN ACK

服务器给x 加1，并选择自己的一个随机序列号y，追加自己的标志和选项，然后返回响应。

• ACK

客户端给x 和y 加1 并发送握手期间的最后一个ACK 分组。

拥塞崩溃

如果几个IP分组同时到达路由器，并期望经同一个输出端口转发.

显然，不是所有分组可以同时接受处理，必须有一个服务顺序，中间节点上的缓存为等候服务的分组提供一定保护。

然而，如果此状况具有一定的持续性，当缓存空间被耗尽时，路由器只有丢弃分组。

在这种持续过载的状态下，网络性能会急剧下降.

流量控制

流量控制是一种预防发送端过多向接收端发送数据的机制。否则，接收端可能因为忙碌、负载重或缓冲区既定而无法处理。

为实现流量控制，TCP连接的每一方都要通告自己的接收窗口receive window（rwnd），其中包含能够保存数据的缓冲区空间大小信息。

最初的TCP规范分配给通告窗口大小的字段是16位的，这相当于设定了发送端和接收端窗口的最大值（65535字节）。结果，在这个限制内经常无法获得最优性能。

为解决这个问题，RFC1323提供了TCP窗口缩放（TCP Window Scaling）选项，可以把接收窗口大小由65535字节提高到1G字节。

那么现在问题来了，rwnd只是一个接收端的初始窗口大小，如果有多个sender都在向receiver发送数据包的话，怎么才能保证receiver端的接收性能呢？

为了解决这个问题，TCP引入了慢启动的概念。

当sender和receiver已经建立好了TCP三次握手之后。就可以开始发送数据包了。

这里引入了一个拥堵窗口Congestion window（cwnd）的概念。

cwnd是server端目前可以接受的最大的窗口大小。

建立连接之后第一次发送的cwnd是一个初始值，这个初始值最开始是1个network segment，在1999年 RFC 2581将其更新为4个network segments。在2013年， RFC 6928 将这个值扩大到了10个network segments。

我们以10个network segments为例，看下cwnd的膨胀过程：

一般来说cwnd是倍数增加的，收到ack之后，cwnd会从10，20，40这样往上增加。一直到server端拒绝ack为止。

那么回到我们之前讲到的一个结论，带宽其实不是那么重要。

为什么呢？考虑在HTTP1.1中，client需要等待server的返回才能够进行下一次请求。如果你的请求的文件比较小，那么cwnd还没有涨到足够大的时候，请求就已经结束了。这个时候最主要的时间花费是请求的来回时间，而不在于带宽大小。

当然，如果在HTTP2中，因为建立的是长连接，慢启动可能就不存在了（不确定，大家有不同的意见可以提出）。

UDP

UDP（ User Datagram Protocol，用户数据报协议。

UDP 的主要功能和亮点并不在于它引入了什么特性，而在于它忽略的那些特性：不保证消息交付，不保证交付顺序，不跟踪连接状态，不需要拥塞控制。

我们先来看一下UDP的数据包：

NAT

大家都知道IPV4地址是有限的，很快IPV4地址就快用完了，那怎么解决这个问题呢？

当然，一个永久解决的办法是IPV6，不过IPV6推出这么多年了，好像还没有真正的普及。

不使用IPV6的话还有什么解决办法呢？

这个办法就是NAT（Network Address Translators）。

NAT的原理是将局域网的IP和端口和NAT设备的IP和端口做个映射。

NAT内部维护着一张转换表。这样就可以通过一个NAT的IP地址和不同的端口来连接众多的局域网服务器。

那么NAT有什么问题呢？

NAT的问题在于，内部客户端不知道自己外网IP地址，只知道内网IP地址。

如果是在UDP协议中，因为UDP是无状态的，所以需要NAT来重写每个UDP分组中的源端口、地址，以及IP分组中的源IP地址。

如果客户端是在应用程序内部将自己的IP地址告诉服务器，并想跟服务器建立连接，那么肯定是建立不了的。因为找不到客户端的公网IP。

即使找到了公网IP，任何到达NAT设备外网IP的分组还必须有一个目标端口，而且NAT转换表中也要有一个条目可以将其转换为内部主机的IP地址和端口号。否则就可能出现下图的连接失败的问题。

怎么解决呢？

第一种方式是使用STUN服务器。

STUN服务器是IP地址已知的服务器，客户端要通信之前，先去STUN服务器上面查询一下自己的外网IP和端口，然后再使用这个外网IP和端口进行通信。

但有时UDP包会被防火墙或者其他的应用程序所阻挡。这个时候就可以使用中继器技术Traversal Using Relays around NAT (TURN) 。

双方都将数据发送到中继器server，由中继器server来负责转发数据。注意，这里已经不是P2P了。

最后，我们有一个集大成者的协议叫做ICE（Interactive Connectivity Establishment ）：

它实际上就是直连，STUN和TURN的综合体，能直连的时候就直连，不能直连就用STUN，不能用STUN就用TURN。

总结

本文介绍了IP，TCP和UDP等协议和需要注意的一些事项，希望大家能够喜欢。

本文链接：http://www.flydean.com/network-and-performance/

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