计算机网络｜第一章：计算机网络和因特网

目录

什么是因特网

组成描述

服务描述

协议​编辑

网络的边缘

接入网

物理媒体

网络核心  

分组交换

电路交换

对比

网络的网络

分组交换中的时延、丢包、吞吐量

分组交换中的时延

排队时延和丢包

端到端时延

计算机网络的吞吐量

协议层次及其服务模型

分层体系结构

封装

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什么是因特网

组成描述角度：描述组成它的硬件。

功能描述角度：将其视为为分布式应用提供基础服务的联网设施来描述。

组成描述

• 用因特网的术语来说，所有连入因特网的设备都叫做主机或者端系统
• 端系统通过通信链路和分组交换机连接到一起。
  • 端系统之间发送数据时，发送端系统将其数据分成一段一段，然后加上必要的信息后形成一个个的数据包，这个数据包用术语来说叫做分组。分组=用户数据+必要信息
  • 链路系统就是用来传输分组的。分组到达接收端系统后，接收端系统将根据必要信息来抽取用户数据
  • 分组交换机从它的一条入链路接收分组，并且选择一条出链路将分组转发出去。分组交换机也有很多种类，最为有名的是路由器和链路层交换机；两者的的不同之处在于，链路层交换机主要用在接入网中，路由器主要用在网络核心。
• 端系统通过因特网服务提供商（Internet Service Provider，简称ISP）接入因特网。
• 端系统、分组交换机和其他因特网部件都要运行一系列协议。这些协议控制因特网中信息的接收和发送。
  • TCP（Transport Control Protocol，传输控制协议）和IP(Internet Protocol，网际协议)是因特网中两个最为重要的协议。IP协议定义了在路由器和端系统之间发送和接收的分组格式。

服务描述

• 与因特网相连的端系统提供了一个套接字接口，该接口规定了运行在一个端系统上的程序请求因特网基础设施向运行在另一个端系统上的特定目的地程序交付数据的方式。
• 即应用程序编程接口（API)

协议

人类协议和计算机网络协议。协议通俗讲即方法或者规则，即根据所给消息，如何做出反应（不反应也是反应的一种）。凡是通信实体的所有活动都要受到协议的约束。

协议:定义了在两个或多个通信实体（不一定是端系统，还有可能是分组交换机等）之间交换的报文的格式和顺序，以及报文发送和/或接收一条报文或其他事件所采取的动作。

网络的边缘

端系统：与因特网相连的计算机和其它设备，往往处于网络的边缘。端系统也称为主机，主机有时被进一步划分为：客户和服务器。

接入网

接入网：是指将端系统物理连接到其边缘路由器的网络。

边缘路由器：是指端系统到任何其他远程端系统路径上的第一台路由器

家庭接入

• DSL(Digital Subscribe Line)数字用户线：这是一种宽带住宅接入的方法，它的ISP是本地电话公司。用户使用DSL调制解调器通过电话线与ISP中的数字用户线接入复用器（DSLAM）来交换数据；家庭DSL调制解调器将数字数据转换为高频音后通过电话线传输到ISP中心，并且通过DSL解调器将DSLAM发送过来的模拟信号转为数字信号；
• CIC(Cable Internet Access)电缆因特网接入：这是另一种宽带住宅接入方法，它的ISP是有线电视公司。用户使用电缆调制解调器通过同轴电缆与光纤结点相连，光纤结点通过光缆与电缆头端相连，而电缆头端接入了因特网。在电缆头端，电缆调制解调器端接系统（Cable Modem Termination System）起到DSLAM的作用，即实现模拟信号和数字信号的转换；
• FTTH(Fiber TO The Home)光纤到户：使用光纤作为通信链路的材质，有两种竞争性的光纤分布方案，一种是主动光纤网络（Active Optical Network），另一种是被动光纤网络(Passive Optical Network).其主要区别在于，是否在传输数据时共享光纤。

企业（和家庭）接入

• 以太网和WIFI（校园网）：以太网接入是一种在公司、大学、家庭里很流行的接入方式；用户使用双绞线与以太网交换机相连，从而接入因特网；在无线局域网中，无线用户从一个接入点发送和接收数据，而该接入点与企业网相连，企业网最终接入因特网；在无线LAN中，用户需要在一个接入点的几十米范围之内；
• 广域无线接入（5G）：在移动设备中，通过蜂窝网提供商运营的基站来发送和接收分组，与WIFI不同的是，用户仅需要位于基站的数万米范围之内即可；

物理媒体

传输媒体是构成通信链路的主要部分，物理媒体通常可以分为导引性媒体和非导引性媒体；

• 导引性媒体：电波沿着固体媒体前行
• 非导引性媒体：电波在空气或外层空间中传播

架设传输媒体的人力成本要远远高于物理材料的成本

• 双绞线：最便宜的引导性传输媒体
• 同轴电缆：同轴电缆可得到较高的数据传输速率，可被用作引导性的共享媒体
• 光纤：一种可以引导光脉冲的媒体
• 陆地无线电信道：无线电信道承载电磁频谱中的信号，不需要物理线路，提供与移动用户的连接以及长距离承载信号的方式
• 卫星无线电信道：通过卫星连接两个或多个在地球上的微波发射方（也被称为地面站），该卫星在一个频段上接收信号，在另一个频段上发送信号

网络核心  

网络核心即为由互联端系统的分组交换机和链路构成的网状网络

分组交换

• 在各种网络应用中，端系统彼此交换报文。
• 为从源端系统向目的端系统发送一个报文，源将长报文划分为较小的数据块，即分组。
• 在源和目的地之间，每个分组都通过通信链路和分组交换机传送。

存储转发传输

• 所谓存储转发是指交换机在收到一个完成的分组，才会向链路输出转发分组，否则就将收到的部分分组缓存起来
• 因为缓存等待一个分组的全部数据而导致的时间开销被称为存储转发时延。

排队时延与分组丢失

• 每台分组交换机有多条链路与之相连。对于每条相连的链路，该分组交换机具有一个输出缓存（输出队列），它用于存储路由器准备发往那条链路的分组。
• 如果到达的分组需要传输到某条链路，但发现该链路正忙于传输其他分组，该到达分组必须在输出缓存中等待。因此，除了存储转发时延以外，分组还要承受输出缓存的排队时延。这些时延是变化的，变化程度取决于网络的拥塞程度。
• 因为缓存空间的大小是有限的，一个到达的分组可能发现该缓存已经被其他等待传输的分组完全充满了，在此情况下，将出现分组丢失（丢包）。到达的分组或已经排队的分组之一将被丢弃。

转发表与路由选择协议

• 实际上，分组交换机之所以能够知道往哪去是因为其内部有一个转发表，这个表维护了一个IP地址和链路的对应关系，处理流程为：
  • 通过分组的必要信息，获得目的端系统的IP地址
  • 通过IP地址索引转发表，从而确定输出链路           

电路交换

在电路交换网络中，在端系统间通信会话期间，预留了端系统间沿路径通信路径所需要的资源（缓存，链路传输速率），即先建立连接，然后通信。

电路交换网络中的复用

• 时分复用（Time-Division Multiplexing TDM）：是指将时间划分为固定区间的帧，每个帧则又被划分为固定数量的时间空隙；当网络需要建立一条连接时，网络将在每个帧中为该连接指定一个时隙；在该时隙内，链路用来传输该链接的数据；
• 频分复用(Frequency-Division Multiplexing)：将频率域划分为频段，然后将频段分配给连接；此频段被用来专门传输链接的数据。该频段的宽度成为带宽。

对比

分组交换类似于不预定去餐馆，要承担排队和可能没位置了；电路交换类似于提前花时间预定好位置，去了一定有，但那桌位置因为被占用，可能会因此少招待一桌客人，没有充分利用。

	优点	缺点
分组交换	它提供了比电路交换更好的带宽共享；比电路交换更简单、更有效、实现成本更低；	分组交换不适合实时服务，因为端到端的时延是可变不可预测的，这和整个网络的情况相关；
电路交换	提供了端对端传输数据的速率保证；	电路交换存在静默期，这是指专用电路空闲时，其占用的资源并没有得到充分的利用；建立连接的过程比较复杂；

总体上来说，分组交换的性能要好于电路交换的性能，但是不同类型的分组交换方式有不同的应用场景，比如一些对最低速率有着严格要求的应用，如实时服务等，为了获得速率保证，牺牲网络的效率也是可以接受的。趋势向着分组交换发展。

网络的网络

今天的因特网是一个“网络的网络”，其结构复杂，由十多个顶层ISP和数十万个较低层ISP构成。

网络的网络是指互联网中由多个网络组成的复杂网络结构。这些网络可以是不同的物理网络，也可以是不同的逻辑网络。这些网络之间通过路由器、交换机等设备进行连接和通信，形成了一个庞大的网络系统。

分组交换中的时延、丢包、吞吐量

在理想情况下，我们希望因特网服务能够在任意两个端系统之间随心所欲地瞬间移动数据而没有任何数据丢失。但现实是，计算机网络必定要限制在端系统之间的吞吐量（每秒能够传送的数据量），就一定会存在时延、丢包。

分组交换中的时延

• 处理时延：检查分组首部和决定将该分组导向何处所需要的时间是处理时延的一部分。
• 排队时延：在队列中，当分组在链路上等待传输时，它经受排队时延。一般来说，排队时延是到达该队列的流量强度和性质的函数，通常可以达到毫秒级到微秒级；
• 传输时延：传输时延是将所有分组的比特推向链路所有需要的时间，实际的传输时延通常在毫秒到微秒数量级。用L表示分组的长度，用Rbps表示从路由器A到B的链路传输速率。传输时延是L/R。
• 传播时延：传播时延是指比特进入链路后，从该链路的起点到下一个结点所用的时间；一旦分组中的最后一个比特到达路由器就意味着该分组的所有比特都已到达路由器；广域网中，传播时延一般是毫秒级的。传播时延是d/s。d是路由器A到B的距离。s是链路的传播速率。

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类比理解：传输时延就是汽车经过收费站的时间，传播时间就是车在高速公路上行驶的时间。

排队时延和丢包

• 丢包：到达的分组发现一个满的队列。由于没有地方存储这个分组，路由器将丢弃该分组，该分组将会丢失。
• 排队时延和丢包与网络的状况和结点的缓冲空间大小、处理速度相关
  • 如果分组到达的速度高于结点的处理速度，那么分组就会在缓冲队列里排队等待。
  • 当缓冲空间用完后，如果还有到的分组，那么该分组将被迫丢弃。
• 流量强度 = 分组到达的速度 / 结点的处理速度。
• 当流量强度持续大于1时，就将出现丢包现象，因此，设计系统时流量强度不能大于1；

端到端时延

 即处理时延 + 传输时延（L/R）+ 传播时延， L 是分组长度

计算机网络的吞吐量

计算机网络的吞吐量实际上是一个速度指标，它描述了比特经过某个节点的速度。

• 对于某条路径上的节点来说，和该节点有关的速度有两个：接收数据的速度和发送数据的速度，而该结点的吞吐量是这两个速度中较小的一个
• 对于某条路径来说，该路径的吞吐量则是所有节点的吞吐量的最小值；
• 网络的吞吐量可以衡量网络的性能.

• 任何时间的瞬时吞吐量是主机B接受到该文件的速率
• 如果该文件由F个比特组成，主机B接受到所有比特用去Ts，则文件的平均吞吐量为F/Tbps
• 吞吐量可以近似为源和目的地之间路径的最小传输速率。最小传输速率的链路为瓶颈链路。

协议层次及其服务模型

分层体系结构

总体来说，将各层的所有协议组合起来，称为协议栈。因特网的协议栈有5个层次组成：物理层、链路层、网络成、运输层、应用层。推荐学习视频，指路8:10。

• 应用层：应用层协议分布在多个端系统，端系统中的应用程序使用该协议与另一个端系统中的应用程序通信。处于应用层的分组称为报文；
• 运输层：运输层在应用程序端点之间传输应用层报文，因特网中有两个传输层协议：TCP和UDP。处于运输层的分组称为报文段。TCP提供确保传递、流量控制、拥塞控制机制。UDP提供无连接服务，即不提供不必要服务的服务。没有可靠性、没有流量和拥塞控制。
• 网络层：网络层将称为数据报的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。网络层协议包含著名的IP协议以及其他一些路由选择协议。处于网络层的分组称为数据报。
• 链路层：链路层将称为帧的链路层分组从一个结点移动到路径上的另一个端点。一个帧可能被沿途不同链路上的不同链路层协议处理。我们把链路层分组称为帧。
• 物理层：物理层的任务是将帧中的比特从一个结点移动到下一个节点，它提供了传输信息的实际物理通道；

封装

一个分组，在不同的层次有不同的称谓，是因为它们经过每一层的时候就被该层封装上了属于该层的相关信息，也就是前面提到的必要信息；于是，每一分层的分组有两种类型的字段：首部字段和有效负载；其中有效负载即为来自上一层的分组数据，而首部字段就是该层加上的必要信息；分组不断被封装以实现各层协议规定的相关功能。

 

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参考学习博客