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《分布式系统:概念与设计》一3.2 网络类型

简介: 本节书摘来华章计算机《分布式系统:概念与设计》一书中的第3章 ,第3.2节,(英) George Coulouris Jean DollimoreTim Kindberg Gordon Blair 著 金蓓弘 马应龙 等译 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

3.2 网络类型

本节介绍主要用于支持分布式系统的网络类型:个域网、局域网、广域网、城域网以及它们的无线变体。互连网络(如互联网)是基于这些类型的网络构造出来的。图3-1给出了下面讨论的各种网络的性能特征。
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一些网络类型的名字经常会被混淆,因为它们看上去指的是物理范畴(局域、广域),其实它们也确定了物理传输技术和底层的协议。对于局域网和广域网来说,这些方面是不一样的,尽管一些网络技术,如ATM(异步传输模式)既适用于局域网又适用于广域网,一些无线网络也同时支持局域网和城域网传输。
我们把由很多互连的网络组成,并且集成起来提供单一数据通信介质的网络称为互连网络。互联网就是典型的互连网络,它由数百万的局域网、城域网和广域网组成。我们将在3.4节详细描述它的实现。
个域网 个域网(Personal Area Network,PAN)是本地网的子类,其中一个用户携带的各种数字设备由一个廉价、低能量网络连接起来。有线PAN不是太重要,因为很少有用户希望自己身上有有线网络,但由于移动电话、PDA、数码相机、音乐播放器等个人设备数量的增加,无线个域网(WPAN)的重要性也随之增加。我们将在3.5.3节描述蓝牙WPAN。
局域网 局域网(Local Area Network,LAN)在由单一通信介质连接的计算机之间以相对高的速度传输消息,这里的通信介质包括双绞线、同轴电缆和光纤。86网段是指为某个部门或者一个楼层中很多计算机服务的那部分电缆。在段中,消息不需要路由,因为网段中的计算机都有直接的连接。整个系统的带宽由连接在网段范围内的计算机共享。大一些的局域网,比如校园网或者办公楼中的网络,由许多网段组成,段之间通过交换机或集线器互连(详见3.3.7节)。对于局域网来说,除了消息流量很大的时候,系统总带宽很高,而延迟时间很短。
20世纪70年代,人们开发了多种局域网技术——以太网、令牌环和有槽环形网,这些技术都提供了有效和高性能的解决方案,但最终以太网成为有线局域网的主导技术。它产生于20世纪70年代的早期,当时的带宽是10Mbps(每秒100万比特),最近扩展为100Mbps和1000Mbps(每秒1G比特)。以太网操作的原理将在3.5.1节中加以描述。
局域网的适用性很强,它可以在几乎所有的工作环境中工作,只需有一两台以上的个人计算机或者工作站,它们的性能对实现分布式系统和应用来说已经足够了。以太网技术缺乏许多多媒体应用所需的延迟和带宽保证,但ATM网络的开发填补了这个空白,但它们昂贵的开销限制了它们在局域网应用中的使用。而高速以太网采用交换模式加以部署,在很大程度上克服了上述缺点,虽然它的有效性不如ATM网络。
广域网 广域网(Wide Area Network,WAN)在属于不同组织以及可能被远距离分隔开的结点之间以较低速度传递消息。这些结点可能分布在不同的城市、国家甚至不同的洲。其通信介质是连接专用计算机(称为路由器)的通信电路。路由器管理整个通信网络,并将消息或数据包路由到指定的地点。在大多数的网络中,路由操作在每个路由点都引进了一定的延迟,因此消息传送总的延迟取决于消息经过的路由和消息经过的网络段的流量负载。在如今的网络中,这些延迟可能达到0.1~0.5s。大多数介质的电信号速度接近光速,这就给长距离网络的传输延迟设置了一个下限。举例来说,一个信号从欧洲到澳大利亚通过陆路连接的传播时间大约是0.13s,而地球表面上任意两个点之间经过地球同步卫星传输的信号有大约0.20s的延迟。
互联网上可用的带宽也变化很大。在部分互联网上速度可以达到600Mbps,但通常情况下,传输大量数据的速度还是1~10Mbps。
城域网 城域网(Metropolitan Area Network,MAN)基于城镇或城市里高带宽的铜线和光纤电缆,在50km的范围内传输视频、音频或者其他数据。人们已经使用了多种技术来实现在MAN中的数据的路由,例如,从以太网到ATM。87
以目前在许多城市可用的DSL(数字用户线)和电缆调制解调器连接为例。DSL通常使用电话交换系统中的ATM交换机(在已有的用于电话连接的电线上用高频信号)将双绞线上的数字信号以大约1~10Mbps的速度路由到用户的家或办公室中。因为DSL用户连接使用的是双绞线,所以限制用户和交换机的距离要在5.5km之内。电缆调制解调器连接是在同轴电缆架构的有线电视网络上使用模拟信号传输,速度可以达到15Mbps,其范围大大地超过了DSL。
DSL实际上代表了包括ADSL(即非同步数字用户线)的一类xDSL技术。近来的VDSL和VDSL2(Very High Bit Rate DSL)的速度可达到100Mbps,设计用来支持高清电视的多媒体传输。
无线局域网 无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)用于替代有线LAN,为移动设备提供连接,或者说,使得家里和办公楼内的计算机不需要有线的基础设施就能相互连接并连到互联网上。它们都是广泛使用的IEEE 802.11标准(WiFi)的变体,在1.5km范围内提供10~100Mbps的带宽。3.5.2节将给出这些方法的详细介绍。
无线城域网 IEEE 802.16 WiMAX标准针对这类网络。无线城域网(Wireless Metropolitan Area Network,WMAN)旨在替换家庭和办公楼中的有线连接,并在某些应用中超越802.11 WiFi网络。
无线广域网 无线广域网(Wireless Wide Area Network,WWAN)大部分移动电话网络基于数字无线网络技术,如世界上大部分国家采用的GSM(全球移动通信系统)标准。移动电话网络通过使用蜂窝无线连接可在广阔的地域(通常是整个国家或整个大洲)上运行,它们的数据传输设施为便携设备提供了到互联网的广域移动连接。上述蜂窝网络提供的数据传输率相对较低,只有9.6~33kbps,而“第三代”(3G)移动电话网络的数据传输率在静止状态下可达到2~14.4kbps,移动状态下(如车内)可达到348Kbps的数据传输率。其底层技术是全球移动通信系统(Universal Mobile Telecommunications System,UMTS)。全球移动通信系统已经朝着4G网络演化,其数据传输率可达到100Mbps。对移动和无线网络领域快速发展的技术感兴趣的读者可参考Stojmenovic的手册[2002]。
互连网络 互连网络是一个通信子系统,它将多个网络连接起来提供公共数据通信设施,这些数据通信设施覆盖了单个网络中的技术和协议以及用于互连的方法。
开发可扩展、开放的分布式系统,需要用到互连网络。分布式系统的开放性特征意指分布式系统所使用的网络应该是一个可扩展到含有大量计算机的网络,而单个网络的地址空间有限,且一些网络有性能限制,都不宜于大规模地使用。在互连网络中,88可将众多的局域网和广域网技术集成起来为各类用户提供连网能力。这样,互连网络给分布式系统的通信提供了很多开放系统所具有的好处。
互连网络是由多种网络组建而成的。它们的互连依靠称为路由器的专用计算机和称为网关的通用计算机,集成通信子系统由软件层实现,它为互连网络的计算机提供寻址以及数据传输功能。可以把互连网络想象成一个“虚拟网络”,它是由底层网络、路由器、网关组成的通信介质上覆盖一个互连网络层而构造出来的。互联网是网际互连的一个主要的例子,它所使用的TCP/IP协议是上面提到的集成层的一个例子。
网络错误 图3-1的比较没有显示的一点是不同网络中会发生的故障频率和类型。除了在无线网络中数据包经常会因为外部干扰而丢失之外,其他各种网络的底层数据传输介质的可靠性都很高。但在所有网络中,都会由于处理延迟、交换机缓冲区溢出或者目的结点缓冲区溢出而引起数据包丢失,而这也是迄今为止数据包丢失最常见的原因。
数据包到达的顺序可以与发送的顺序不一样,这种情况只出现在对分离的数据包可以单独路由的网络——主要是广域网中。如果发送方假设以前发送的数据包丢失了,那么可以发送数据包的拷贝。数据包被重发后,接收方会同时收到原数据包和重发的数据包。

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