第一章 计算机网络和Internet

喜洋洋0037
120 阅读6分钟
  • 计算机网络和互联网
  • 应用层
  • 传输层
  • 网络层：数据平面
  • 网络层：控制平面
  • 数据链路层和局域网
  • 网络安全
  • 无线和移动网络
  • 多媒体网络
  • 网络管理

1.1 什么是因特网

什么是因特网？回答这个问题有两种方式：其一，我们能够描述因特网的具体构成，即构成因特网的基本硬件和软件组件；其二，我们能够根据为分布式应用提供服务的联网基础设施来描述因特网。

1.1.1 什么是Internet: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
  1. 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
  1. 协议

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  • 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

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  • 协议控制发送、接收消息 (如TCP、IP、HTTP、FTP、 PPP)
  • Internet：“网络的网络”
    • 松散的层次结构，互连的ISP
    • 公共Internet vs. 专用intranet
  • Internet标准
    • RFC: Request for comments
    • IETF: Internet Engineering Task Force

1.1.2 什么是Internet：从服务角度

  • 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

1.1.3 什么是协议

协议定义了在两个或多个通信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。

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1.2 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

  • 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

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1.2.1 网络边缘：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 – 传输控制协议（ Transmission Control Protocol ）

  • Internet上面向连接的服务

1.2.2 网络边缘：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

1.3 网络核心

 网络核心：路由器的网状网络  基本问题：数据怎样通过网络进行传输？

  • 电路交换：为每个呼叫预留一条 专有电路：如电话网
  • 分组交换：
    • 将要传送的数据分成一个个单位： 分组
    • 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）

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1.3.1 网络核心：电路交换

端到端的资源被分配给从源端到目标端的呼叫 “call”：

  • 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）
  • 独享资源：不同享  每个呼叫一旦建立起来就能够 保证性能
  • 如果呼叫没有数据发送，被分配的资源就会被浪费 (no sharing)
  • 通常被传统电话网络采用

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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

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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(Frequency-division multiplexing)
  • 时分(Time-division multiplexing)
  • 波分(Wave-division multiplexing)

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电路交换不适合计算机之间的通信连接建立时间长

  • 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
  • 可靠性不高

1.3.2 网络核心：分组交换

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以分组为单位存储-转发方式

  • 网络带宽资源不再分分为一个个片，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：分组每次移动一跳（ hop ）
  • 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

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  • 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： L/R s

Example:

  • L = 7.5 Mbits
  • R = 1.5 Mbps
  • 3次存储转发的延时 = 15 s

分组交换: 排队延迟和丢失

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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

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

  • 路由算法

转发: 将分组从路由器的输入链路转移到输出链路

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分组交换：统计多路复用

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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

分组交换 vs. 电路交换

  • 同样的网络资源，分组交换允许更多用户使用网络！
  • 分组交换是“突发数据的胜利者？”
  • 适合于对突发式数据传输
  • 资源共享
  • 简单，不必建立呼叫
  • 过度使用会造成网络拥塞：分组延时和丢失
  • 对可靠地数据传输需要协议来约束：拥塞控制

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

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