计算机网络概述

leiteorz
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第一章 计算机网络概述

1.什么是Internet

  • Internet：“网络的网络”

松散的层次结构、互联的ISP

公共Internet vs 专用intranet（企业用）

  • Internet标准

RFC:Request fo comments

IETF:Internet Engineering Task Force

  • 分布式应用以及为分布式应用提供服务的基础设施

1.1 从具体构成角度

1.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

2.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

3.协议

Internet中所有通信行为都受协议制约。协议控制发送、接收消息。

如TCP、IP、HTTP、FTP、PPP

协议规范的方面：语法、语义、时序、动作。

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4.数以亿计的、互联网的计算设备

  • 主机：端系统
  • 运行网络应用程序

5.通信链路

  • 光纤、回轴电缆、无线电、卫星
  • 传输速率：带宽（bps）

6.分组交换设备：转发分组（packets）

  • 路由器和交换机

1.2 从服务角度

1.使用通信设施进行通信的分布式应用

分布式应用是网络存在的理由。

  • Web、VoIP、email、分布式游戏、电子商务、社交网络...

2.通信基础设施为apps提供编程接口（通信服务）

将发送和接受数据的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

2.网络边缘

网络边缘是网络存在的理由。

  • 主机
  • 应用程序（客户端和服务器）

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2.1 端系统（主机）

  • 运行应用程序
  • 如Web、email
  • 在“网络的边缘”

2.2 客户/服务器模式

典型的主从模式：所有的运行资源都在服务器，客户端所请求的所有资源都来源于服务器。

主要缺点：客户/服务器模式的可扩展性比较差。随着请求载荷的增加，能力会下降，当达到一定阈值时，客户端/服务器模式的能力会断崖式下降。

  • 客户端向服务器请求、接受数据
  • 如Web浏览器/服务器，email客户端/服务器

2.3 对等（peer-peer）模式

每个节点既是客户端又是服务器。随着peer节点的增多，请求资源的节点越来越多，但同时提供资源的节点也越来越多。而且它的通讯是分布式的，所以不存在客户/服务器的缺点。

例如：迅雷、电驴就采用p2p模式

  • 很少（甚至没有）专门的服务器
  • 如Gnutella、KaZaA、Emule

2.4 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

人类协议中：你好、你好

两个通信主机之间为连接建立状态

  • TCP-传输协议（Transmission Control Protocol）

Internet上面向连接的服务

TCP服务

  • 可靠地、按顺序地传送数据

确认和重传机制

可靠要求包括的要素：不出错、不丢失、不重复、不失序。

  • 流量控制

发送方不会淹没接收方

协调发送方速度和接收方速度，从而让两者有序通信。

  • 拥塞控制

当网络拥塞时，发送方降低发送速率。

  • 使用TCP的应用：HTTP（Web）、FTP（文件传送）、Telnet（远程登录）、SMTP（email）

2.5 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）

  • 无连接

  • 不可靠数据传输

  • 无流量控制

  • 无拥塞控制

  • 使用UDP的应用：流媒体、远程会议、DNS、Internet电话

3.网络核心

网络核心：路由器的网状网络。

网络核心的核心作用是数据交换。

边缘通过接入网和物理媒体接入到核心，核心把所有的边缘节点接在一起，为网络边缘提供连通性，让它们能够通信，进行数据交换。

  • 互连着的路由器
  • 网络的网络

3.1 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”：

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

2.独享资源：不同享
每个呼叫一旦建立起来就能够保证性能

3.如果呼叫没有数据发送，被分配的资源就会被浪费（no sharing）

4.通常会被传统电话网络采用

为呼叫预留端-端资源

  • 链路带宽、交换能力
  • 专用资源：不共享
  • 保证性能
  • 要求建立呼叫连接

网络资源（如带宽）被分成片

  • 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、时分、波分

  • 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 3、可靠性不高

3.2 分组交换

  • 将要传送的数据分成一个个单位：分组（packet）
  • 将分组从一个路由器传到相邻路由器（hop），一段段最终从源端传到目标端
  • 每段：采用链路的最大传输能力（带宽）

以分组为单位存储-转发方式

  • 网络带宽资源不再分为一个个片，传输时使用全部带宽
  • 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-跳（hop）

    • 在转发之前，节点必须收到整个分组
    • 延时比线路交换要大
    • 排队时间

排队和延迟

  • 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

分组交换 vs 电路交换

分组交换允许更多用户使用网络
1. 1MB/s链路
2. 每个用户：活动时100kb/s、10％的时间是活动的

电路交换
1. 10用户

分组交换
1. 35用户
2. >=10个用户活动的概率为0.0004

3.3 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。

3.4 分组交换网络：存储-转发

分组的存储转发一段一段从源端传到目标端，按照有无网络层的连接，分成：

  • 数据报网络
  • 虚电路网络
  1. 数据报网络

工作原理

  • 在通信之前，无需建立起一个连接，有数据就传输。
  • 每个分组都独立路由（路径不一样，可能会失控）。
  • 路由器根据分组的目标地址进行路由。
  1. 虚电路网络

工作原理

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4.接入网和物理媒体

接入网的作用是将网络边缘接入到核心。

  • 有线或者无线通信链路

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

4.1 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

    • 调制
    • 解调
    • 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

4.2 企业接入网络（Ethernet）

  • 经常被企业或者大学等机构采用

    • 10Mbps、100Mbps、1Gbps、10Gbps传输率
    • 现在，端系统经常直接接到以太网络交换机上

  • 各无线端系统共享无线接入网络（端系统到无线路由器）

    • 通过基站或者交接入点
    • 无线LANs
    • 广域无线接入

4.3 物理媒体

  • Bit：在传输-接收对间传播
  • 物理链路：在每个传输-接收对，跨越一种物理媒体
  • 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：信号自由传播（如无线电）

双绞线

  • 两根绝缘铜线
    • 5类：100Mbps Ethernet、Gbps以太网
    • 6类：10Gbps

同轴电缆

  • 两根同心的铜导线
  • 双向
  • 基带电缆
    • 电缆上一个单个信道
    • Ethernet
  • 宽带电缆：
    • 电缆上有多个信道
    • HFC

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10Gbps-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
  • 类型：
    • 地面微波
    • LAN（例如：WiFi）
    • widi-area（例如：蜂窝）
    • 卫星

5.Internet结构和ISP

互联网络结构：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

松散的层次结构

  • 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相连

  • 第三层ISP与其他本地ISP

    • 接入网（与端系统最近）

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
    • 如一个底层ISP接入多个高层ISP，多宿（multi home）
  • 对等接入：2个ISP对等互联，不涉及费用计算
  • IXP：多个对等ISP互联互通之处，通常不涉及费用计算
    • 对等接入
  • ICP自己部署专用网络，同时和各级ISP连接

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6.分组延时、丢失和吞吐量

分组丢失和延时是怎样发生的

在路由器缓冲区的分组队列

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

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6.1 四种分组延迟

  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
  1. 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
  1. 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
  1. 传播延时
  • d=物理链路的长度
  • s=在媒体上的传播速度（~2×10^8m/sec）
  • 传播延时=d/s

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6.2 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
  • 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

6.3 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，或者根本不重传

6.4 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：在一个长时间内的平均值

7.协议层次及服务模型

网络是一个复杂的系统

  • 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、硬件和软件

7.1 层次化方式实现复杂网络功能

  • 将网络复杂的功能分成功能明确的层次，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

分层处理和实现复杂系统的好处

对付复杂的系统

  • 概念化：结构清晰，便于标识网络组件，以及描述其相互关系
    • 分层参考模型
  • 结构化：模块化更易于维护和系统升级
    • 改变某一层服务的实现不影响系统中的其他层次

7.2 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

  • 服务访问点SAP（Services Access Point）：上层使用下层提供的服务通过层间的接口——地点：

    • 例子：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
    • 例子：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

  • 无连接服务（Connectionless Service）

    • 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
    • 适合范围：传送零星数据
    • 服务类型：1.不可靠的数据报：电子方式的函件 2.有确认的数据报：挂号信 3.请求回答、信息查询

服务和协议

服务和协议的区别

  • 服务（Service）：低层实体向上层实体来提供它们之间的通信能力，是通过原语（primitive）来操作的，垂直
  • 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

服务和协议的联系

  • 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

7.3 Internet协议栈

  • 应用层：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
    • 在网络层提供的端到端通信基础上，细分为进程到进程，将不可靠的通信变成可靠的通信
    • TCP、UDP
  • 网络层：为数据报从源到目的选择路由
    • 主机与主机之间的通信、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
    • 2个相邻2点的通信、点到点通信、可靠或不可靠
    • 点对点协议PPP，802.11（WiFi），Ethernet
  • 物理层：在线路上传送bit

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各层次的协议数据单元

  • 应用层：报文（message）
  • 传输层：报文段（segment）：TCP段、UDP数据段
  • 网络层：分组packet（如果无连接方式：数据报datagram）
  • 数据链路层：帧（frame）
  • 物理层：位（bit）

8.历史

早期（1960以前）计算机网络

  • 线路交换网络
  • 线路交换的特性使得其不适合计算机之间的通信
    • 线路建立时间过长
    • 独享方式占用通信资源，不适合突发性很强的计算机之间的通信
    • 可靠性不高，非常不适合军事通信
  • 三个小组独立地开展分组交换的研究
    • 1961：Kleinrock（MIT），排队论，展现了分组交换的有效性
    • 1964：Baran（美国兰德公司）-军用网络上的分组交换
    • 1964：Donald（英国）等，NPL

1961-1972：早期的分组交换概念

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1972-1980：专用网络和网络互联

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1980-1990：体系结构变化，网络数量激增，应用丰富

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1990，2000's：商业化，Web，新的应用

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2005-现在

  • ~50亿主机：包括智能手机和平板
  • 宽带接入的快速部署
  • 高速无线接入无处不在：移动互联时代
    • 4G部署，5G蓄势待发
    • 带宽大，终端性能高，价格便宜，应用不断增多
  • 在线社交网络等新型应用的出现：
    • Facebook：10亿用户
    • 微信、qq：数十亿用户
  • 服务提供商创建他们自己的网络
    • 通过自己的专用网络提供对搜索、视频内容和电子邮件的即刻访问
  • 电子商务、大学、企业在云中运行他们的服务
  • 体系结构酝酿着大的变化，未来网络蠢蠢欲动
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