第3次信道分配
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用Hash 空间代替了简单随机数分配中的每 条信道的单一区间。
但这种分配没有保证流量在同一逻辑链路 的各物理信道之间公平地分布负载，因为 仍然没有考虑通信流的异质性。
计算机网络体系结构
34
3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配
U jr
Uj
保证负载平衡的关键就是在上述按信道容量比例 分配的基础上，计算每条信道的配载因子，并保 持各信道的配载因子大体相同。
2 层次式树状结构
计算机网络体系结构
1
2 层次式树状结构改进
计算机网络体系结构
2
2 层次式树状结构改进
计算机网络体系结构
3
2 层次式树状结构改进
计算机网络体系结构
4
3 物理信道分配
（1）选择输出逻辑信道 （2）选择输出物理信道
计算机网络体系结构
5
3 物理信道分配
计算机网络体系结构
6
3 物理信道分配
计算机网络体系结构
31
3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配
在节点的每个外部输入端口 ，对应于每个逻辑端 口有一张Hash表，记录Hash值与外部输出端口 的映射关系。
Hash 函数F=f(源IP地址，目标IP地址)，使它的计 算结果取整数值且均匀地分布在0,1,…B的Hash 空间中。
计算机网络体系结构
计算机网络体系结构
22
3.2 按流分配
计算机网络体系结构
23
3.2.1 简单的随机数分配
希望对流的参数或状态不作任何记录，只 根据达到的IP包的特有的某些参数（通常用 它的源地址和目的地址对）进行Hash计算 ， 获得一个与某条物理信道相对应的数值， 进而选定物理信道。
计算机网络体系结构
24
3.2.1 简单的随机数分配
对于基于路由器的Internet，一条信道的失效，路由表重 新调整，要花费秒级的时间，新的路由形成后，才能正常 通信，由于丢失的数据包数量太大，失效恢复的时间很长， 不可能利用插补算法加以视觉或听觉质量的弥补。
计算机网络体系结构
21
3.1 数据包的顺序—信道切换
对于层次网络，一个交换节点域可能由多个交换 机组成，切换信道时，有可能增加经过的交换机 级数。由于节点域内部是富连接的，通常至多增 加一级，不至于造成数据包次序颠倒。
计算机网络体系结构
29
3.2.1 简单的随机数分配
如果流是异质的，会出现什么情况？
计算机网络体系结构
30
3.2.1 简单的随机数分配
当考虑流的异质性时，我们发现，上面描述的简单按 信道容量比例随机分配通信流的方法就有问题了。流 与流之间的差异是巨大的。一个话音流的通信量很小， 一个视频流的数据流量很大。如果信道C1和C2的容 量相同，C1分配到 1000个话音流，C2分配到1000个 视频流，从流数量的角度看是平衡的，但从信道的负 荷看，C1和C2的负荷是极不均衡的。
记录当前时间窗口逻辑端口所有外部输出端口的流量 总和
记录前H个时间窗口内分配给外部输出端口的流量占 逻辑端口所有外部输出端口的流量总和的比例。
计算机网络体系结构
37
3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配— 基于测量的负载调节
根据测量结果判断负载分配是否均衡，不 均衡则触发Hash 表调节机制。指向某外部 输出端口的负载超过了其配载因子达到一 预定的域值，减少该外部输出端口占据 Hash 表项数目，增加负载小的外部输出端 口占据Hash 表表项数目。
32
3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配
信道1 Gbps ,信道2 信道1=7.4% 信道2=18.5% 信道3=74%
2.5Gbps，信道3 10 Gbps
Bi 0 1 2 3
B
计算机网络体系结构
输出端口 1 … 1 2 … 2 3 .. 3
7个
19个 74个
33
3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配
数据从源端传到目的端然后返回到源端的时间 称为往返时间（round trip time，简称RTT）。 排除其它的延迟，1bit数据从一端传到另一端的 时间是RTT/2。
下面是一些常用的词：
传输，propagation；衰减，attenuation； 反射，reflection；噪声，noise； 时序问题，timing problem；冲突，collisions； 扩散，Dispersion；抖动，jitter；延迟，latency。
计算机网络体系结构
13
3.1 数据包的顺序—网络衰减
衰减（attenuation）是当电缆长度超过某个限度时， 信号能量的散失。这意味着1bit的电压在传输的过程中 幅度会减小。衰减会对网络造成影响，它限制了网络线 缆的最大长度。
精心地选择材料和材料的几何形状（如线缆的形状和位 置）可以减少衰减。但是由于电阻的存在，总会存在一 定的衰减，这无法避免。
计算机网络体系结构
15
3.1 数据包的顺序—噪音
噪声是不希望有的额外的电、光或者电磁信号 所有的信号都伴随有噪声，重要的是保持高的 信噪比
常见的噪声有：串话、热噪声、交流/参考点噪 声和电磁干扰。 串话
当两条线缆足够接近并且没有绞合在一起的时候， 就会串话。 解决方法是严格遵守标准的终结规程，使用高质量 的双绞线缆
解决衰减的方法有两种，一是选择合适的传输介质，另 一个是在合适的地方接入中继器。
计算机网络体系结构
14
3.1 数据包的顺序—网络反射
电信号的反射是在电压脉冲或者比特遇到介质 不连续的地方的时候产生能量的反射。
如果反射不被控制，会对后续的比特产生干扰。 反射可能产生问题。
反射在光纤通信中也存在。如果希望优化网络 性能，网络介质与NIC中的电部件阻抗匹配是 很重要的。
查询的时间也会很长。
计算机网络体系结构
48
4.2 IPv6概述—谁负责分配不同的地址
地址管理机构
计算机网络体系结构
49
4.2 IPv6概述—按层次划分地址空间
计算机网络体系结构
50
4.3 层次网络地址
计算机网络体系结构
51
4.3 层次网络地址— IPv6地址结构
3 45
16
FP Global unicast
扩散
信号随时间“变宽”。它与采用的介质类型有 关。
扩散可以通过选择合适的线缆设计，限制线缆 的长度和选择合适阻抗的方法减小。
抖动
当源和目的的时钟不同步时，就会产生抖动。
抖动可以通过使用硬件时钟同步或者软件的同 步协议来解决
延迟
信号在传输过程中需要一定的时间，中继设备 也会引入延迟
计算机网络体系结构
18
计算机网络体系结构
35
3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配-Hash表的初始化
Bi
输出端口
0
1
1
3
2
2
3
1
…
2
3
3
B
3
计算机网络体系结构
36
3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配— 流量测量
在外部输入端口处，采用时间窗口方法实时测量分配 给逻辑链路i内K个外部出口链路的流量。
记录当前时间窗口分配给外部输出端口的流量
如果所有的流具有相同的性质，例如，参加信道 分配的所有通信流都是网络电话，都采用相同的 采样、编码和压缩方法，具有相同的峰值速率， 他们的统计特性基本相同，申请的资源也一样多， 则这种简单的方法就基本上满意了。
计算机网络体系结构
27
3.2.1 简单的随机数分配— 信道失效采用的策略
（1）剔除失效信道后重新计算 C值及在（0，1） 区间上的分布。这样，所有正常的信道将分担全 部通信流量。这种方法，有可能大量的流都要改 变物理信道。
（2）只把分配到失效信道上的数据包再进行一次 计算，均衡地分配到所有正常信道上。这种方法 只让一部分流改道，受影响的面小得多。但要二 次计算Hash，对节点域的交换效率有一定的影响。
计算机网络体系结构
28
3.2.1 简单的随机数分配
我们假定流是同质的。
当逻辑信道中各物理信道速率很高、异质 的程度有限时，信道异质性对数据流的总 延迟所造成的影响是可以忽略的。
Subnet masking: RFCs 950, 1812 CIDR: RFCs 1518, 1519, 2050 Private Network Numbers: RFC 1918 Variable-length subnet masks (VLSM): RFC 1812 Network Address Translation : RFC 1631
计算机网络体系结构
10
3.1 数据包的顺序—时延来自百度文库
计算机网络体系结构
11
3.1 数据包的顺序—时延
网络性能的两个度量——传播时延和带宽——相乘， 就得到另一个很有用的度量：传播时延带宽积，即 [(传播时延)(带宽)]。链路的时延带宽积又称为以比 特为单位的链路长度。
计算机网络体系结构
12
3.1 数据包的顺序—时延
SLA
address(GUA)
64 Interface ID
公共拓扑
站点拓扑
接口标识符
计算机网络体系结构
9
3.1 数据包的顺序—时延
（2）发送时延
发送时延是发送数据所需要的时间。发送时延的计算公 式是：
发送时延 = 数据块长度 信道带宽
（3）排队时延
这是数据在交换结点等候发送在缓存的队列中排队所 经历的时延。
数据经历的总时延就是以上三种时延之和： 总时延 = 传播时延 + 发送时延 + 排队时延
计算机网络体系结构
16
3.1 数据包的顺序—噪音
电磁干扰(EMI/RFI)：
EMI：electromagnetic interference RFI：radio frequency interference
实际上缆线都有天线的作用，因此会吸收外部的电 磁源产生的信号。
计算机网络体系结构
17
3.1 数据包的顺序— 扩散、抖动和延迟
计算机网络体系结构
42
4.1 划分网络——从网络生成网 络
计算机网络体系结构
43
4.1 子网划分
子网划分示例 (8 子网)
计算机网络体系结构
44
4.1 什么是路由汇总?
路由协议能够将多个网络地址汇总为一个网络地址以减小网 络流量
4.2 IPv6概述
IPv6特性和优点
128 位分层编址，用以提高编址能力 报头格式简化，用以改进数据包处理过程 提高对扩展和选项的支持，用以增强可扩展性和延长生命周期 并改进数据包处理过程 流标签功能，作为 QoS 机制 身份验证和隐私权功能，用于集成安全性
计算机网络体系结构
46
4.2 IPv6概述
如果按地球表面积分摊IP地址，现有的 IPv4空间，每平方公里只有8个地址，对 于IPv6，每平方米为6650万亿亿个。
计算机网络体系结构
47
4.2 IPv6概述— IPv6地址空间的管理和使用
地址空间越大，越难以管理，使用时开销越大。
IPv6地址的网络部分有64位，把其中最低16位分 给用户内部使用，骨干网有48位，最大的路由表 大小可达28PB，即使海量存储也难以做到这个容 量。
计算机网络体系结构
25
3.2.1 简单的随机数分配
Hash(SIP, DIP)=C1/C Hash(SIP, DIP)=C3/C
C1/C C2/C C3/C ……
Cn/C
计算机网络体系结构
26
3.2.1 简单的随机数分配
简单的基于均匀概率分布的分配方法，让各信道 得到的通信流的数量与信道容量成正比。
计算机网络体系结构
7
3.1 数据包的顺序
（1）丢包重传 （2）延迟抖动 （3）信道切换
计算机网络体系结构
8
3.1 数据包的顺序—时延
时延(delay或latency)是指一个报文或分组从一个网 络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。时 延是由以下几个不同的部分组成的。
（1）传播时延
传播时延是电磁波在信道中传播所需要的时间。传播时 延的计算公式是： 传播时延 = 信道长度 电磁波在信道上的传播速率
计算机网络体系结构
38
3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配— 流量调节算法
最大最小值互补法
最佳互补法：多次执行最大最小互补法。
计算机网络体系结构
39
4 层次网络地址结构
计算机网络体系结构
40
4.1 Not enough addresses…?
计算机网络体系结构
41
4.1 IP Addressing Solutions
计算机网络体系结构
19
3.1 数据包的顺序—信道切换
（1）信道突然失效，启动自愈程序，将原来在失 效信道上的传输的通信流切换到正常的信道上去。
（2）平衡负载，将负载过重的信道上的某些通信 移动到负载轻的信道上去。
计算机网络体系结构
20
3.1 数据包的顺序—信道切换
对于进行点对点自愈的层次网络，一条正在为上万个实时 话音通信服务的信道失效，可能只丢失少量的数据包，即 只影响了少量的通信流，并且可能通过应用层的插补算法 加以弥补。
但这种分配没有保证流量在同一逻辑链路 的各物理信道之间公平地分布负载，因为 仍然没有考虑通信流的异质性。
计算机网络体系结构
34
3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配
U jr
Uj
保证负载平衡的关键就是在上述按信道容量比例 分配的基础上，计算每条信道的配载因子，并保 持各信道的配载因子大体相同。
2 层次式树状结构
计算机网络体系结构
1
2 层次式树状结构改进
计算机网络体系结构
2
2 层次式树状结构改进
计算机网络体系结构
3
2 层次式树状结构改进
计算机网络体系结构
4
3 物理信道分配
（1）选择输出逻辑信道 （2）选择输出物理信道
计算机网络体系结构
5
3 物理信道分配
计算机网络体系结构
6
3 物理信道分配
计算机网络体系结构
31
3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配
在节点的每个外部输入端口 ，对应于每个逻辑端 口有一张Hash表，记录Hash值与外部输出端口 的映射关系。
Hash 函数F=f(源IP地址，目标IP地址)，使它的计 算结果取整数值且均匀地分布在0,1,…B的Hash 空间中。
计算机网络体系结构
计算机网络体系结构
22
3.2 按流分配
计算机网络体系结构
23
3.2.1 简单的随机数分配
希望对流的参数或状态不作任何记录，只 根据达到的IP包的特有的某些参数（通常用 它的源地址和目的地址对）进行Hash计算 ， 获得一个与某条物理信道相对应的数值， 进而选定物理信道。
计算机网络体系结构
24
3.2.1 简单的随机数分配
对于基于路由器的Internet，一条信道的失效，路由表重 新调整，要花费秒级的时间，新的路由形成后，才能正常 通信，由于丢失的数据包数量太大，失效恢复的时间很长， 不可能利用插补算法加以视觉或听觉质量的弥补。
计算机网络体系结构
21
3.1 数据包的顺序—信道切换
对于层次网络，一个交换节点域可能由多个交换 机组成，切换信道时，有可能增加经过的交换机 级数。由于节点域内部是富连接的，通常至多增 加一级，不至于造成数据包次序颠倒。
计算机网络体系结构
29
3.2.1 简单的随机数分配
如果流是异质的，会出现什么情况？
计算机网络体系结构
30
3.2.1 简单的随机数分配
当考虑流的异质性时，我们发现，上面描述的简单按 信道容量比例随机分配通信流的方法就有问题了。流 与流之间的差异是巨大的。一个话音流的通信量很小， 一个视频流的数据流量很大。如果信道C1和C2的容 量相同，C1分配到 1000个话音流，C2分配到1000个 视频流，从流数量的角度看是平衡的，但从信道的负 荷看，C1和C2的负荷是极不均衡的。
记录当前时间窗口逻辑端口所有外部输出端口的流量 总和
记录前H个时间窗口内分配给外部输出端口的流量占 逻辑端口所有外部输出端口的流量总和的比例。
计算机网络体系结构
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3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配— 基于测量的负载调节
根据测量结果判断负载分配是否均衡，不 均衡则触发Hash 表调节机制。指向某外部 输出端口的负载超过了其配载因子达到一 预定的域值，减少该外部输出端口占据 Hash 表项数目，增加负载小的外部输出端 口占据Hash 表表项数目。
32
3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配
信道1 Gbps ,信道2 信道1=7.4% 信道2=18.5% 信道3=74%
2.5Gbps，信道3 10 Gbps
Bi 0 1 2 3
B
计算机网络体系结构
输出端口 1 … 1 2 … 2 3 .. 3
7个
19个 74个
33
3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配
数据从源端传到目的端然后返回到源端的时间 称为往返时间（round trip time，简称RTT）。 排除其它的延迟，1bit数据从一端传到另一端的 时间是RTT/2。
下面是一些常用的词：
传输，propagation；衰减，attenuation； 反射，reflection；噪声，noise； 时序问题，timing problem；冲突，collisions； 扩散，Dispersion；抖动，jitter；延迟，latency。
计算机网络体系结构
13
3.1 数据包的顺序—网络衰减
衰减（attenuation）是当电缆长度超过某个限度时， 信号能量的散失。这意味着1bit的电压在传输的过程中 幅度会减小。衰减会对网络造成影响，它限制了网络线 缆的最大长度。
精心地选择材料和材料的几何形状（如线缆的形状和位 置）可以减少衰减。但是由于电阻的存在，总会存在一 定的衰减，这无法避免。
计算机网络体系结构
15
3.1 数据包的顺序—噪音
噪声是不希望有的额外的电、光或者电磁信号 所有的信号都伴随有噪声，重要的是保持高的 信噪比
常见的噪声有：串话、热噪声、交流/参考点噪 声和电磁干扰。 串话
当两条线缆足够接近并且没有绞合在一起的时候， 就会串话。 解决方法是严格遵守标准的终结规程，使用高质量 的双绞线缆
解决衰减的方法有两种，一是选择合适的传输介质，另 一个是在合适的地方接入中继器。
计算机网络体系结构
14
3.1 数据包的顺序—网络反射
电信号的反射是在电压脉冲或者比特遇到介质 不连续的地方的时候产生能量的反射。
如果反射不被控制，会对后续的比特产生干扰。 反射可能产生问题。
反射在光纤通信中也存在。如果希望优化网络 性能，网络介质与NIC中的电部件阻抗匹配是 很重要的。
查询的时间也会很长。
计算机网络体系结构
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4.2 IPv6概述—谁负责分配不同的地址
地址管理机构
计算机网络体系结构
49
4.2 IPv6概述—按层次划分地址空间
计算机网络体系结构
50
4.3 层次网络地址
计算机网络体系结构
51
4.3 层次网络地址— IPv6地址结构
3 45
16
FP Global unicast
扩散
信号随时间“变宽”。它与采用的介质类型有 关。
扩散可以通过选择合适的线缆设计，限制线缆 的长度和选择合适阻抗的方法减小。
抖动
当源和目的的时钟不同步时，就会产生抖动。
抖动可以通过使用硬件时钟同步或者软件的同 步协议来解决
延迟
信号在传输过程中需要一定的时间，中继设备 也会引入延迟
计算机网络体系结构
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计算机网络体系结构
35
3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配-Hash表的初始化
Bi
输出端口
0
1
1
3
2
2
3
1
…
2
3
3
B
3
计算机网络体系结构
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3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配— 流量测量
在外部输入端口处，采用时间窗口方法实时测量分配 给逻辑链路i内K个外部出口链路的流量。
记录当前时间窗口分配给外部输出端口的流量
如果所有的流具有相同的性质，例如，参加信道 分配的所有通信流都是网络电话，都采用相同的 采样、编码和压缩方法，具有相同的峰值速率， 他们的统计特性基本相同，申请的资源也一样多， 则这种简单的方法就基本上满意了。
计算机网络体系结构
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3.2.1 简单的随机数分配— 信道失效采用的策略
（1）剔除失效信道后重新计算 C值及在（0，1） 区间上的分布。这样，所有正常的信道将分担全 部通信流量。这种方法，有可能大量的流都要改 变物理信道。
（2）只把分配到失效信道上的数据包再进行一次 计算，均衡地分配到所有正常信道上。这种方法 只让一部分流改道，受影响的面小得多。但要二 次计算Hash，对节点域的交换效率有一定的影响。
计算机网络体系结构
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3.2.1 简单的随机数分配
我们假定流是同质的。
当逻辑信道中各物理信道速率很高、异质 的程度有限时，信道异质性对数据流的总 延迟所造成的影响是可以忽略的。
Subnet masking: RFCs 950, 1812 CIDR: RFCs 1518, 1519, 2050 Private Network Numbers: RFC 1918 Variable-length subnet masks (VLSM): RFC 1812 Network Address Translation : RFC 1631
计算机网络体系结构
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3.1 数据包的顺序—时延来自百度文库
计算机网络体系结构
11
3.1 数据包的顺序—时延
网络性能的两个度量——传播时延和带宽——相乘， 就得到另一个很有用的度量：传播时延带宽积，即 [(传播时延)(带宽)]。链路的时延带宽积又称为以比 特为单位的链路长度。
计算机网络体系结构
12
3.1 数据包的顺序—时延
SLA
address(GUA)
64 Interface ID
公共拓扑
站点拓扑
接口标识符
计算机网络体系结构
9
3.1 数据包的顺序—时延
（2）发送时延
发送时延是发送数据所需要的时间。发送时延的计算公 式是：
发送时延 = 数据块长度 信道带宽
（3）排队时延
这是数据在交换结点等候发送在缓存的队列中排队所 经历的时延。
数据经历的总时延就是以上三种时延之和： 总时延 = 传播时延 + 发送时延 + 排队时延
计算机网络体系结构
16
3.1 数据包的顺序—噪音
电磁干扰(EMI/RFI)：
EMI：electromagnetic interference RFI：radio frequency interference
实际上缆线都有天线的作用，因此会吸收外部的电 磁源产生的信号。
计算机网络体系结构
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3.1 数据包的顺序— 扩散、抖动和延迟
计算机网络体系结构
42
4.1 划分网络——从网络生成网 络
计算机网络体系结构
43
4.1 子网划分
子网划分示例 (8 子网)
计算机网络体系结构
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4.1 什么是路由汇总?
路由协议能够将多个网络地址汇总为一个网络地址以减小网 络流量
4.2 IPv6概述
IPv6特性和优点
128 位分层编址，用以提高编址能力 报头格式简化，用以改进数据包处理过程 提高对扩展和选项的支持，用以增强可扩展性和延长生命周期 并改进数据包处理过程 流标签功能，作为 QoS 机制 身份验证和隐私权功能，用于集成安全性
计算机网络体系结构
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4.2 IPv6概述
如果按地球表面积分摊IP地址，现有的 IPv4空间，每平方公里只有8个地址，对 于IPv6，每平方米为6650万亿亿个。
计算机网络体系结构
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4.2 IPv6概述— IPv6地址空间的管理和使用
地址空间越大，越难以管理，使用时开销越大。
IPv6地址的网络部分有64位，把其中最低16位分 给用户内部使用，骨干网有48位，最大的路由表 大小可达28PB，即使海量存储也难以做到这个容 量。
计算机网络体系结构
25
3.2.1 简单的随机数分配
Hash(SIP, DIP)=C1/C Hash(SIP, DIP)=C3/C
C1/C C2/C C3/C ……
Cn/C
计算机网络体系结构
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3.2.1 简单的随机数分配
简单的基于均匀概率分布的分配方法，让各信道 得到的通信流的数量与信道容量成正比。
计算机网络体系结构
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3.1 数据包的顺序
（1）丢包重传 （2）延迟抖动 （3）信道切换
计算机网络体系结构
8
3.1 数据包的顺序—时延
时延(delay或latency)是指一个报文或分组从一个网 络(或一条链路)的一端传送到另一端所需的时间。时 延是由以下几个不同的部分组成的。
（1）传播时延
传播时延是电磁波在信道中传播所需要的时间。传播时 延的计算公式是： 传播时延 = 信道长度 电磁波在信道上的传播速率
计算机网络体系结构
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3.2.2 均衡负载的Hash聚类分配— 流量调节算法
最大最小值互补法
最佳互补法：多次执行最大最小互补法。
计算机网络体系结构
39
4 层次网络地址结构
计算机网络体系结构
40
4.1 Not enough addresses…?
计算机网络体系结构
41
4.1 IP Addressing Solutions
计算机网络体系结构
19
3.1 数据包的顺序—信道切换
（1）信道突然失效，启动自愈程序，将原来在失 效信道上的传输的通信流切换到正常的信道上去。
（2）平衡负载，将负载过重的信道上的某些通信 移动到负载轻的信道上去。
计算机网络体系结构
20
3.1 数据包的顺序—信道切换
对于进行点对点自愈的层次网络，一条正在为上万个实时 话音通信服务的信道失效，可能只丢失少量的数据包，即 只影响了少量的通信流，并且可能通过应用层的插补算法 加以弥补。