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科研思路应该具体化（120324）
精选
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科研思路应该具体化（120324）
闵应骅
本文想了两个题目，一个是“因特网的问题在哪里？”；另一个题目是“科研思路应该具体化”。前一个着重本文的内容，但是似乎比较专业，不搞网络的人可能就没兴趣看。后一个着重科研方法，通过因特网的例子，说明怎么提出问题，解决问题，搞科研的人怎么思考问题。我觉得后一个可能吸引更多人看。当然，说得不一定对，供参考。
每当我讲因特网是指现在我们大家用的基于TCP/IP的包交换网络。我们在研究“下一代互联网”，而不是下一代因特网。当然，我们正是因为因特网有问题，我们才研究下一代互联网，企图来个大创新。那么，现在因特网到底有什么问题呢？笼统的说法多得很，都是些指导性意见，不是科研思路。本文要谈的是网速的问题。我家的网已经从4M提高到10M，但我没觉得提高了多少，好像和过去一样。
这个问题全世界都在关切。Jim Gettys 新造了一个词，叫 BufferBloat，暂且把它翻成“缓冲膨胀”吧！想当初，缓存容量才几百KB，在网速提高以后基本不能用。现在的缓存都是2MB和8MB，甚至达到了16MB、64MB等。这就是缓冲膨胀。喜欢逆向思维的科研人员的问题是：缓冲是不是越大越好呢？所谓“好”当然是体验到的网速快。
首先一个问题是：是不是缓冲越大，下载速度就越快？一个带宽测试表明信息潜在期可以达到1.2秒（你就需要开发测试潜在期的方法），不管装不装IPsec都是一样，可见不是因为装了IPsec引起的。而电话拨号的潜在期只有0.15秒。实验研究表明，这问题也不是由于电源控制、不同的光缆或电缆调制等问题产生，而是由于过度缓存产生。对于3G网络也如此，不过，到晚上就好一些。
做一个简单的测试：在10秒内，送出一个包，并等待回复包。每次收到一个回复包，就收到另外两个。如果送出大包，就收到小的回复包；而送出小包，却收到大包。在10秒钟的后面5秒钟，再测量不同负载下的潜在期。说明潜在期和负载有关系。缓冲加大，引起更长的存取缓冲的时间和启动时的错误动作。
测试潜在期或带宽，并不是一件容易的事情。因为它是动态的。你别看现在有所谓测网速的软件，其实那是在一种很特定情况下测出来的，真正下载的时候达不到那个速度。如果你只测有负载情况下的带宽，你可能不会注意潜在期。当网络中出现从快到慢的转换的时候，数据就会堆积，而形成很长的队列。这在因特网核心进入用户（像优酷视频）或者从用户上传的时候常有。一个高速的家庭网络如果是54M的无线网，实际可能只有1M到2M的因特网连接。一个Linux机器在2M的线上一般有兆位的数据在传输，带有几秒的时间延迟。家庭路由器如果缓冲太小，丢包率就高。不论是WiFi,路由器，还是终端系统，要想工作得好，就必须加大缓冲。但是，如果你只测量带宽，你见不到某些例行网络服务的失效，譬如IP地址的查找。大缓冲和长时延与现行的协议不一致。过大的缓冲严重破坏TCP的拥塞避免机制。因为TCP用若干包的延迟去检测拥塞。包到达拥塞点就缓冲，包来得快，传输得慢，队就加长。队越长，潜在期就长，最后，包丢失，以拥塞通知通信协议。缓冲膨胀允许队列很长而不丢包。但是，当缓冲里充满了包，排泄它们更需要时间，其他的包就进不来，终端用户看到的就是慢速的响应。而许多服务要求较低的潜在期，譬如网络游戏、VOIP、闲谈，太慢了就不可用了。如果缓冲无穷大，就永远没有返回包了。
怎么解决这问题？缓冲究竟多大算合适？不好回答。譬如对无线，其带宽可能变化2-3个数量级。宽带系统可以高达100M，到用户也就10M或更低。你可以时间，譬如多少微秒，而不是多少K字节来界定你缓冲的大小，而且让它动态变化。当然，对于核心路由器，可能需要同时传送若干个流，到10G的缓冲也许也是需要的。对于只占0.01%的超级计算机中心之间的互联，也是需要的，但对于只有2M缓存的广大用户，他们并不一定得到好处，这就是一个网络经济的问题了。
网络对同一个TCP流的间歇性行为使人头痛，因为它不稳定。像视频流或者系统备份常有，而Windows XP不支持视窗扩展。现在许多操作系统都在寻求视窗扩展，到多少G。
为了使缓冲大小动态化，需要硬件和软件的修改，譬如队列管理算法。这个问题的解决需要三方面的努力：用户动态规定缓冲大小；ISP希望给用户高质量的服务；说服设备与软件开发商注意这个事情。没有对所有环节都有效的解，用户需要傻瓜式的时延测量工具，以发现时延发生在哪里？网络边界路由器尤其需要。
为解决这一问题的每个环节，都蕴含着科研课题。
https://blog.sciencenet.cn/blog-290937-551185.html
上一篇：玩游戏 做科研（120318）
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闵应骅
本文想了两个题目，一个是“因特网的问题在哪里？”；另一个题目是“科研思路应该具体化”。前一个着重本文的内容，但是似乎比较专业，不搞网络的人可能就没兴趣看。后一个着重科研方法，通过因特网的例子，说明怎么提出问题，解决问题，搞科研的人怎么思考问题。我觉得后一个可能吸引更多人看。当然，说得不一定对，供参考。
每当我讲因特网是指现在我们大家用的基于TCP/IP的包交换网络。我们在研究“下一代互联网”，而不是下一代因特网。当然，我们正是因为因特网有问题，我们才研究下一代互联网，企图来个大创新。那么，现在因特网到底有什么问题呢？笼统的说法多得很，都是些指导性意见，不是科研思路。本文要谈的是网速的问题。我家的网已经从4M提高到10M，但我没觉得提高了多少，好像和过去一样。
这个问题全世界都在关切。Jim Gettys 新造了一个词，叫 BufferBloat，暂且把它翻成“缓冲膨胀”吧！想当初，缓存容量才几百KB，在网速提高以后基本不能用。现在的缓存都是2MB和8MB，甚至达到了16MB、64MB等。这就是缓冲膨胀。喜欢逆向思维的科研人员的问题是：缓冲是不是越大越好呢？所谓“好”当然是体验到的网速快。
首先一个问题是：是不是缓冲越大，下载速度就越快？一个带宽测试表明信息潜在期可以达到1.2秒（你就需要开发测试潜在期的方法），不管装不装IPsec都是一样，可见不是因为装了IPsec引起的。而电话拨号的潜在期只有0.15秒。实验研究表明，这问题也不是由于电源控制、不同的光缆或电缆调制等问题产生，而是由于过度缓存产生。对于3G网络也如此，不过，到晚上就好一些。
做一个简单的测试：在10秒内，送出一个包，并等待回复包。每次收到一个回复包，就收到另外两个。如果送出大包，就收到小的回复包；而送出小包，却收到大包。在10秒钟的后面5秒钟，再测量不同负载下的潜在期。说明潜在期和负载有关系。缓冲加大，引起更长的存取缓冲的时间和启动时的错误动作。
测试潜在期或带宽，并不是一件容易的事情。因为它是动态的。你别看现在有所谓测网速的软件，其实那是在一种很特定情况下测出来的，真正下载的时候达不到那个速度。如果你只测有负载情况下的带宽，你可能不会注意潜在期。当网络中出现从快到慢的转换的时候，数据就会堆积，而形成很长的队列。这在因特网核心进入用户（像优酷视频）或者从用户上传的时候常有。一个高速的家庭网络如果是54M的无线网，实际可能只有1M到2M的因特网连接。一个Linux机器在2M的线上一般有兆位的数据在传输，带有几秒的时间延迟。家庭路由器如果缓冲太小，丢包率就高。不论是WiFi,路由器，还是终端系统，要想工作得好，就必须加大缓冲。但是，如果你只测量带宽，你见不到某些例行网络服务的失效，譬如IP地址的查找。大缓冲和长时延与现行的协议不一致。过大的缓冲严重破坏TCP的拥塞避免机制。因为TCP用若干包的延迟去检测拥塞。包到达拥塞点就缓冲，包来得快，传输得慢，队就加长。队越长，潜在期就长，最后，包丢失，以拥塞通知通信协议。缓冲膨胀允许队列很长而不丢包。但是，当缓冲里充满了包，排泄它们更需要时间，其他的包就进不来，终端用户看到的就是慢速的响应。而许多服务要求较低的潜在期，譬如网络游戏、VOIP、闲谈，太慢了就不可用了。如果缓冲无穷大，就永远没有返回包了。
怎么解决这问题？缓冲究竟多大算合适？不好回答。譬如对无线，其带宽可能变化2-3个数量级。宽带系统可以高达100M，到用户也就10M或更低。你可以时间，譬如多少微秒，而不是多少K字节来界定你缓冲的大小，而且让它动态变化。当然，对于核心路由器，可能需要同时传送若干个流，到10G的缓冲也许也是需要的。对于只占0.01%的超级计算机中心之间的互联，也是需要的，但对于只有2M缓存的广大用户，他们并不一定得到好处，这就是一个网络经济的问题了。
网络对同一个TCP流的间歇性行为使人头痛，因为它不稳定。像视频流或者系统备份常有，而Windows XP不支持视窗扩展。现在许多操作系统都在寻求视窗扩展，到多少G。
为了使缓冲大小动态化，需要硬件和软件的修改，譬如队列管理算法。这个问题的解决需要三方面的努力：用户动态规定缓冲大小；ISP希望给用户高质量的服务；说服设备与软件开发商注意这个事情。没有对所有环节都有效的解，用户需要傻瓜式的时延测量工具，以发现时延发生在哪里？网络边界路由器尤其需要。
为解决这一问题的每个环节，都蕴含着科研课题。
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