计算机网络学习笔记1

注：课程来自中科大郑烇、杨坚全套《计算机网络（自顶向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》课程

计算机网络概念

什么是Internet

什么是 Internet ：从具体构成角度

1. 零件的角度

• 节点
  • 主机及其上运行的应用程序
  • 路由器、交换机等网络交换设备
• 边：通信链路
  • 接入网链路：主机连接到互联网的链路
  • 主干链路：路由器间的链路
• 协议

2. 网络互联设备的角度

• 数以亿计的、互联的计 算设备:
  • 主机 = 端系统
  • 运行网络应用程序
• 通信链路
  • 光纤、同轴电缆、无线电 、卫星
  • 传输速率 = 带宽（bps）
• 分组交换设备：转发分 组 (packets)
  • 路由器和交换机

协议控制发送、接收消息：如 TCP、IP、HTTP、FTP、 PPP

Internet：“网络的网络”

• 公共Internet vs. 专用 intranet
• 松散的层次结构，互连的 ISP

Internet标准

• RFC: Request for comments
• IETF: Internet Engineering Task Force

协议

定义了在两个或多个通信实体（对等层的实体）之间交换的报文格式和次序，
以及在报文传输和/或接收或 其他事件方面所采取的动作

什么是Internet：从服务角度

进行通信的分布式应用的角度

• 使用通信设施进行通信的分 布式应用
• Web、VoIP、email、分布式 游戏、电子商务、社交网络 ……
• 通信基础设施为apps提供编 程接口（通信服务）
• 将发送和接收数据的apps与 互联网连接起来
• 为app应用提供服务选择，类 似于邮政服务：
  • 无连接不可靠服务
  • 面向连接的可靠服务

网络边缘

网络结构

• 网络边缘：
  • 主机
  • 应用程序（客户端和服务器）
• 网络核心：
  • 互连着的路由器
  • 网络的网络
• 接入网、物理媒体：
  • 有线或者无线通信链路

网络边缘

• 端系统（主机）：
  • 运行应用程序
  • 如 Web、email
  • 在“网络的边缘”
• 客户/服务器模式（C/S）
  • 客户端向服务器请求、接收服务
  • 如 Web 浏览器/服务器；email 客户端/服务器
• 对等（peer-peer ）模式
  • 很少（甚至没有）专门的服务器
  • 如 Gnutella、KaZaA、Emule

采用网络设施的面向连接服务

目标：在端系统之间传输数据，

• 握手：在数据传输之前 做好准备

  就如人类协议中的：你好、你好。两个通信主机之间为连接建立状态

• TCP – 传输控制协议（ Transmission Control Protocol ）

  Internet上面向连接的服务

TCP 服务 [RFC 793]

• 可靠地、按顺序地传送数据 —— 确认和重传
• 流量控制 —— 发送方不会淹没接收方
• 拥塞控制 —— 当网络拥塞时，发送方降低 发送速率

采用基础设施的无连接服务

目标：在端系统之间传输数据 —— 无连接服务

• UDP – 用户数据报协议 (User Datagram Protocol) [RFC 768]:
  • 无连接
  • 不可靠数据传输
  • 无流量控制
  • 无拥塞控制

使用 TCP 的应用：HTTP (Web), FTP (文件传 送), Telnet (远程登录), SMTP (email)

使用 UDP的应用：流媒体、远程会议、 DNS、 Internet 电话

网络核心

网络核心：路由器的网状网络，主要是用于数据交换

电路交换

电路交换：为每个呼叫预留一条 专有电路：如电话网。端到端的资源被分配给从源端 到目标端的呼叫 “call”：

下图中，每段链路有 4 条线路，该呼叫采用了上面链路的第 2 各线路，右边链路的第 1 个线路（piece）

这种连接资源不会同享但每个呼叫一旦建立起来就能够保证性能。但**如果呼叫没有数据发送，被分配 的资源就会被浪费 (no sharing)**，电路交换通常被传统电话网络采用。

网络资源（如带宽）被 分成片 (把结点的通讯能力分解成小片)

• 为呼叫分配片
• 如果某个呼叫没有数据， 则其资源片处于空闲状态 （不共享）
• 将带宽分成片
  • 频分(Frequency-division multiplexing) –> (FDM)
  • 时分(Time-division multiplexing) –> (TDM)
  • 波分(Wave-division multiplexing) –> (WDM)

FDM 与 TDM

计算举例

在一个电路交换网络上，从主机A到主机B发送 一个640,000比特的文件需要多长时间？

条件：所有的链路速率为1.536 Mbps，每条链路使用时隙数为24的TDM，建立端-端的电路需500 ms。

每条链路的速率（一个时间片）：1.536Mbps/24 = 64kbps

传输时间：640kb/64kps = 10s

共用时间：传输时间+建立链路时间= 10s + 500ms = 10.5s

电路交换不适合计算机之间的通信

1. 连接建立时间长

2. 计算机之间的通信有突发性，如果使用线路交换，则浪费的片较多

   即使这个呼叫没有数据传递，其所占据的片也不能 够被别的呼叫使用 (非共享)

3. 可靠性不高

分组交换

以分组为单位存储-转发方式

1. 网络带宽资源不再分分为一个个片，传输时使用全部带宽
2. 主机之间传输的数据被分为一个个分组

资源共享，按需使用：

• 存储-转发：分组每次移 动一跳（ hop ） 相当于分段使用链路
  • 在转发之前，节点必须收到 整个分组
  • 延迟比线路交换要大
  • 排队时间

存储-转发

• 被传输到下一个链路之前， 整个分组必须到达路由器：存储-转发
• 在一个速率为R bps的链路 ，一个长度为L bits 的分组 的存储转发延时：

排队延迟和丢失

如果到达速率 > 链路的输出速率，分组将会排队，等待传输。如果路由器的缓存用完了，分组将会被抛弃

网络核心的关键功能

路由: 决定分组采用的源到 目标的路径

转发: 将分组从路由器的输 入链路转移到输出链路

统计多路复用

A&B 时分复用 链路资源 A & B

分组没有固定的模式 –> 统计多路复用

分组交换优缺点

优点：共享性

缺点：排队延迟和可能丢失

相当于多个电路交换，延迟更大（排队延迟，存储/转发延迟），而来换取了共享性

分组交换 vs 电路交换

分组交换与电路交换相比，分组交换更适合计算机之间的通信：

1. 分组交换适合于对突发式数据传输
2. 资源共享
3. 简单，不必建立呼叫
4. 在每个交换节点中不用维护主机之间的通信状态

分组交换按照有无网络层的连接分类

分组交换——分组的存储转发一段一段从源端传到目标端

• 数据报网络:
  • 分组的目标地址决定下一跳
  • 在不同的阶段，路由可以改变
  • 类似:问路
  • Internent
• 虚电路网络:
  • 每个分组都带标签（虚电路标识VC ID），标签决定下一跳
  • 在呼叫建立时决定路径，在整个呼叫中路径保持不变
  • 路由器维持每个呼叫的状态信息
  • X.25和ATM

数据报(datagram) 的工作原理

• 在通信之前,无须建立起一个连接,有数据就传输
• 每一个分组都独立路由(路径不一样,可能会失序)
• 路由器根据分组的目标地址进行路由(不维护主机和主机之间的状态)

虚电路(virtual circuit)的工作原理

网络分类

接入网和物理媒体

把网络边缘接入网络核心。

Q: 怎样将端系统和边缘路由器连接？

• 住宅接入网络
• 单位接入网络 （学校、公 司）
• 无线接入网络

住宅接入：modem

• 将上网数据调制加载音频信号上， 在电话线上传输，在局端将其中的 数据解调出来；反之亦然
  • 调频、调幅、调相位、综合调制
• 拨号调制解调器
  • 56Kbps 的速率直接接入路由器 (通常更低)
  • 不能同时上网和打电话：不能 总是在线

电缆模式

fiber optic transport——光纤传输

接入网: digital subscriber line (DSL)

• 采用现存的到交换局DSLAM的电话线
  • DSL线路上的数据被传到互联网
  • DSL线路上的语音被传到电话网
• < 2.5 Mbps上行传输速率(typically < 1 Mbps)
• < 24 Mbps下行传输速率(typically < 10 Mbps)

线缆网络

有线电视信号线缆双向改造

FDM: 在不同频段传输不同信道的数据， 数字电视和上网数据（上下行）

• HFC: hybrid fiber coax
  • 非对称: 最高30Mbps的下行传输速率, 2 Mbps 上行传输速率
• 线缆和光纤网络将个家庭用户接入到 ISP 路由器
• 各用户共享到线缆头端的接入网络
  •  与DSL不同, DSL每个用户一个专用线路到 CO（central office）

家庭网络

物理媒体

• Bit: 在发送-接收对间传播

• 物理链路：连接每个发送-接 收对之间的物理媒体

• 导引型媒体:信号沿着固体媒介被导引：同轴电缆、光纤、 双绞线

• 非导引型媒体:开放的空间传输电磁波或者光信号，在电磁或者光信号中承载数字数据

• 双绞线 (TP)

同轴电缆、光纤

• 同轴电缆：两根同轴的铜导线、双向、基带电缆：1. 电缆上一个单个信道 2. Ethernet、宽带电缆：1. 电缆上有多个信道 2. HFC

• 光纤和光缆：

  光脉冲，每个脉冲表示一个 bit，在玻璃纤维中传输

  高速：点到点的高速传输（如10 Gps-100Gbps传输速率 ）

  低误码率：在两个中继器之间可以有很长的距离，不受 电磁噪声的干扰

  安全

无线链路

• 开放空间传输电磁波，携带要传输的数据
• 无需物理“线缆”
• 双向
• 传播环境效应：反射、吸收、干扰

无线链路类型:

• 地面微波（up to 45 Mbps channels）
• LAN：WiFi（11Mbps, 54 Mbps,540Mbps…）
• wide-area： 蜂窝网络（3G cellular：几Mbps、4G：10Mbps、5G：数Gbps）
• 卫星
  • 每个信道Kbps 到45Mbps (或者 多个聚集信道)
  • 270 msec端到端延迟
  • 同步静止卫星和低轨卫星

** Internet结构和ISP**

按ISP划分互联网

互联网结构：网络的网络

• 端系统通过接入ISPs (Internet Service Providers)连接到互联网

  • 住宅，公司和大学的ISPs

• 接入ISPs相应的必须是互联的

  • 因此任何2个端系统可相互发送分组到对方

• 导致的“网络的网络”非常复杂

  • 发展和演化是通过经济的和国家的政策来驱动的

• 让我们采用渐进方法来描述当前互联网的结构

Q: 给定数百万接入ISPs，如何将它们互联到一起？

选项: 将每个接入ISP都连接到全局ISP（全局范围内覆盖）？ 客户 ISPs 和提供者 ISPs 有经济合约

竞争：但如果全局ISP是有利可为的业务，那会有竞争者
合作：通过ISP之间的合作可以完成业务的扩展，肯定会有互联，对等互联的结算关系

Internet exchange point

然后业务会细分（全球接入和区域接入），区域网络将出现，用与将接入ISPs连接到全局ISPs
然后内容提供商网络 (Internet Content Providers,e.g., Google, Microsoft, Akamai) 可能会构建它们自己的网络，将它们的服务、内容更加靠近端用户，向用户提供更好的服务,减少自己的运营支出

在网络的最中心，一些为数不多的充分连接的大范围网络（分布广、节点有限、 但是之间有着多重连接）

• “tier-1” commercial ISPs (e.g., Level 3, Sprint, AT&T, NTT), 国家或者国际 范围的覆盖

• content provider network (e.g., Google): 将它们的数据中心接入ISP，方便周边 用户的访问；通常私有网络之间用专网绕过第一层 ISP 和区域

松散的层次模型

中心：第一层ISP（如UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T）国家/国际覆盖，速率极高

• 直接与其他第一层ISP相连
• 与大量的第二层ISP和其他客户网络相连

第二层ISP: 更小些的 (通常是区域性的) ISP

• 与一个或多个第一层ISPs，也可能与其他第二层ISP

第三层ISP与其他本地ISP

• 接入网 (与端系统最近)

一个分组要经过许多网络！

很多内容提供商(如：Google, Akamai )可能会部署自己的网 络,连接自己的在各地的DC（数据中心），走自己的数据
连接若干local ISP和各级（包括一层）ISP,更加靠近用户

ISP之间的连接

• POP: 高层ISP面向客户网络的接入点，涉及费用结算
  • 如一个低层ISP接入多个高层ISP，多宿（multi home）
• 对等接入：2个ISP对等互接，不涉及费用结算
• IXP：多个对等ISP互联互通之处，通常不涉及费用结算（对等接入）
• ICP自己部署专用网络，同时和各级ISP连接

分组延时、丢失和吞吐量

分组延时的发生

在路由器缓冲区的分组队列中会发生：

1. 分组到达链路的速率超过了链路输出的能力
2. 分组等待排到队头、被传输

四种分组延时

1. 节点处理延时：检查 bit级差错、检查分组首部和决定将分组导向何处
2. 排队延时：在输出链路上等待传输的 时间、依赖于路由器的拥塞程度
3. 传输延时：R=链路带宽(bps)、L=分组长度(bits)、将分组发送到链路上的 时间= L/R、存储转发延时
4. 传播延时：d = 物理链路的长度、s = 在媒体上的传播速度 (~2x108 m/sec)、传播延时 = d/s

以车队作类比

情况一

汽车以100 km/hr 的速度传播，收费站服务每辆车需 12s (传输时间)
汽车~ bit; 车队 ~ 分组
Q: 在车队在第二个收费站排 列好之前需要多长时间？即：从车队的第一辆车到达第 一个收费站开始计时，到这个车队的最后一辆车离开第二个 收费站，共需要多少时间

将车队从收费站输送到公路上的时间 = 12*10 = 120s
最后一辆车从第一个收费站到第二个收费站的传播 时间：100km/(100km/hr)= 1 hr
A: 62 minutes

情况二（局域网）

汽车以1000 km/hr 的速度传播汽车，收费站服务每辆车需 1分钟
Q:在所有的汽车被第一个收费站服务之前，汽车会 到达第二个收费站吗？

Yes！7分钟后，第一辆汽车 到达了第二个收费站，而第一个收费站仍有3辆汽车
在整个分组被第一个路由器 传输之前，第一个比特已经 到达了第二个路由器！

节点延时

排队延时

R=链路带宽 (bps)，L=分组长度 (bits)， a=分组到达队列的平均速率。流量强度 = La/R

• La/R ~ 0: 平均排队延时很小
• La/R -> 1: 延时变得很大，趋近无穷
• La/R > 1: 比特到达队列的速率超过了从该队 列输出的速率，平均排队延时将趋向无穷大！ 设计系统时流量强度不能大于1！

Internet的延时和路由

Traceroute 诊断程序: 提供从源端，经过路由器，到目的的延时测量

• For all i：
  • 沿着目的的路径，向每个路由器发送3个探测分组
  • 路由器 i 将向发送方返回一个分组
  • 发送方对发送和回复之间间隔计时

windwos 下可以使用 tracert 目标地址

分组丢失

链路的队列缓冲区容量有限,当分组到达一个满的队列时，该分组将会丢失，丢失的分组可能会被前一个节点或源端系统重传，或根本不重传

吞吐量

吞吐量: 在源端和目标端之间传输的速率（数据量/单位时间）
瞬间吞吐量: 在一个时间点的速率
平均吞吐量: 在一个长时间内平均值

协议层次和服务模型

协议层次

网络功能繁杂：数字信号的物理信 号承载、点到点、路由、rdt、进 程区分、应用等

现实来看，网络的许多构成元素和 设备：主机、路由器、各种媒体的链路、应用、协议、硬件、软件

层次化方式实现复杂网络功能

• 将网络复杂的功能分层功能明确的层次，每一层实现了其中一个或一组功能，功能中有其上层可以使用的功能：服务
• 本层协议实体相互交互执行本层的协议动作，目的是实现本层功能，通过接口为上层提供更好的服务
• 在实现本层协议的时候，直接利用了下层所提供的服务
• 本层的服务：借助下层服务实现的本层协议实体之间交互带来的新功能（上层可以利用的+更下层所提供的服务

服务和服务访问点

• 服务( Service)：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力
  • 服务用户(service user)
  • 服务提供者(service provider )
• 原语(primitive)：上层使用下层服务的形式，高层使用低层提供的服务，以及低层向高层提供服务都是通过服务访问原语来进行交互的—形式
• 服务访问点 SAP (Services Access Point) ：用于下层的服务提供者，来区分不同上层用户的一些信息，穿过层阶的一些信息称为服务访问点（上层使用下层提供的服务通过层间的接口—地点）
  • 如：邮箱
  • 地址(address)：下层的一个实体支撑着上层的多个实体， SAP有标志不同上层实体的作用
  • 可以有不同的实现，队列
  • 如：传输层的SAP: 端口(port)

服务的类型

面向连接的服务和无连接的服务：

如果两个用户在通讯之前建立起“握手”的关系，分配好资源，为通讯做好准备，这种就称为面向连接的服务，反之则为无连接的服务

面向连接的服务

连接(Connection)：两个通信实体为进行通信而建立的一 种结合

面向连接的服务通信的过程：建立连接，通信，拆除连接

面向连接的服务的例子：网络层的连接被成为虚电路

适用范围：对于大的数据块要传输; 不适合小的零星报文

特点：保序

服务类型:

• 可靠的信息流 传送页面(可靠的获得,通过接收方的确认)
• 可靠的字节流 远程登录
• 不可靠的连接 数字化声音

无连接的服务

无连接服务：两个对等层实体在通信前不需要建 立一个连接，不预留资源；不需要通信双方都是 活跃；(例：寄信)

特点：不可靠、可能重复、可能失序

IP分组，数据包；

适用范围：适合传送零星数据；

服务类型：

• 不可靠的数据报 电子方式的函件
• 有确认的数据报 挂号信
• 请求回答 信息查询

协议和服务

协议和服务的差别

• 服务(Service)：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力，是通过原语(primitive)来操作的，垂直关系
• 协议(protocol) ：对等层实体(peer entity)之间在相互通信的过程中，需要遵循的规则的集合，水平关系

服务与协议的联系

• 本层协议的实现要靠下层提供的服务来实现
• 本层实体通过协议为上层提供更高级的服务

数据单元(DU)

ICI : 接口控制信息 - Interface Control Information

上层的PDU对于本层是SDU，封装后对于本层是PDU

两者的封装关系：

• 一对一：一个SDU 进行封装变成一个PDU（协议数据单元）

• 一对多：一个较大的SDU分成多个再进行封装，成多个PDU

• 多对一：多个很小的 SDU封装成一个PDU

每一层的协议数据单元都有不同的称呼：

• 应用层：应用报文(message)

• 传输层：TCP段：报文段(segmet)或者简称为段，UDP：数据报

• 网络层：分组(packet)，如果网络是无连接的又称为数据报(datagram)

• 链路层：帧(frame)

• 物理层：位(bit)

Internet协议栈

• 应用层：实现各种各样的网络应用
  为人类用户或者其他应用进程提供网络应用服务
  FTP,SMTP,HTTP,DNS

• 传输层:主机之间的数据传输（UTP、TCP）

  1. 在网络层提供的端到端通信基础上，细分为进程到进程
  2. 将不可靠的通信变成可靠地通信

• 网络层:为数据报从源到目的选择路由（转发、路由）
  主机主机之间的通信，端到端通信，不可靠
  IP,路由协议

• 链路层:相邻网络节点间的数据传输（相邻两点间，以帧位单位的传输）
  2个相邻2点的通信，点到点通信，可靠或不可靠
  点对对协议PPP,802.11(wifi),Ethernet

• 物理层：提供相邻两点之间电磁波的承载，能够将链路层传下来的 bit 交给对等的上层把它变为电磁波信号，光信号

ISO/OSI 参考模型

• 表示层: 允许应用解释传输的数据, e.g., 加密，压缩，机器相关的表示转换
• 会话层: 数据交换的同步，检查点，恢复

封装和解封装

链路层交换机主要用于组建局域网，而路由器则主要负责连接外网并寻找网络中最合适数据传输的路径

最后需要说明的是：路由器一般都具有防火墙功能，能够对一些网络数据包选择性的进行过滤。现在的一些路由器都具备交换机的功能，也有具备路由器功能的交换机，称为三层交换机。相比较而言，路由器的功能较交换机要强大，但是速度也相对较慢，价格较为昂贵，而三层交换机既有交换机的线性转发报文的能力，又有路由器的路由功能，因此得到了广泛的应用。