【计算机网络黑皮书】入门必学的基本网络知识

【事先声明】
这是对于中科大的计算机网络的网课的学习笔记，感谢郑烇老师的无偿分享
书籍是《计算机网络（自顶向下方法 第7版）》
需要的可以私信我，无偿分享，课程简介下也有
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网络核心

电路交换

两个端（网络设备）之间一旦建立了连接，其线路就会独享，其它的任务就不能再占用这条线路

端到端之间的带宽分配策略

频分FDM

每一天链路上，可以被划分为很多的不同频率，然后不同的频率划分个不同的任务，一条线路可以多路复用

时分TDM

一条链路上的通讯时间按照一个T周期进行划分，然后再周期中，不同的时间片分配这条线路给不同的任务

波分WDM

两个节点之间的通信方式是采用光纤进行数据通信，光纤中不同的波长分配给不同的任务。

两个主机之间的带宽是1.536Mbps，采用TDM多路复用方法，带宽被分为24片，每个时间片被分给一个任务使用。

要实现主机之间传输640000bit的任务，需要$64\ast 10000/(1.53M/24)$

还要加上建立线路的500ms，如果传输线路长，还需要加上传播延时

电路交换不太适合计算机之间

1. 线路资源建立耗时长
2. 共享资源的能力低
3. 计算机之间的通信有突发性，因为不共享，会造成时间片浪费

分组交换

分组，一个数据包进行转发

再每个交换节点中，以存储转发的形式，去完成从源端到目标端的发送。

一个交换节点收到一个分组的数据包，把数据包完全存储下来，然后再转发出去。再转发的时候，完全占用这条链路的网络资源，当不需要发数据包的时候，这个链路可以被其它任务使用

在节点的发送与接收中，对于接收端而言，发送数据包就是接收数据包，只不过可能会有一点延时而言，而接收与发送的时间耗时是只计算一次的，接收与发送是一个事件的两个方面。不能发送耗时计算一次，然后接收耗时计算一次

排队延迟与丢失

如果链路的到达速率大于链路的输出速率

• 分组（数据包）会排队，等待传输
• 如果路由器的缓存用完了，就会丢弃分组

关键功能

路由

路由是全局的，是对于分组（数据包）从源到目标的路径（经过的整个过程中的路由器或者交换机）

转发

转发是局部的，是当前路由器决定向相邻的哪个路由器/交换机进行转发

统计多路复用

在链路资源中，一段时间A发送分组，一段时间B发送分组，也有一段时间都没有分组发送，链组资源的时间上的划分你并不是固定的

这也是一种特殊的时分模式

分组交换与电路交换

分组交换跟适用于计算机之间的通信

分组交换共享性更好，可以支持更多的主机

定量分析

N个用户，只用10%的时间会使用，每次使用会需要100kps的带宽数据（这就是一种数据突发情况）

如果是电路交换，带宽1Mbps，最多可以同时支持10个用户的使用

如果是分组交换，N=35时，小于等于10个用户同时使用的概率 ${\sum }_{n=0}^9\left[C_{35}^n{p}^n{\left(1-p\right)}^{35-n}\right]$

则大于10个用户以上同时使用的概率 $1-{\sum }_{n=0}^9\left[C_{35}^n{p}^n{\left(1-p\right)}^{35-n}\right]=0.004$

说明，有99.6%的概率，可以保证带宽资源可以满足，说明分组交换的共享性更好些

而且，分组交换是可以提供给缓存进行分组排队的，只有0.4%的需要分组排队，这个还是可以接受的

分组交换跟可以在同样的网络资源下，接受更多的突发资源，因为其共享性

数据报

主机之间通信之前，没必要去建立连接没直接有数据就发送。也不必去维护两主机之间的通讯状态。

路由器根据分组的目标IP地址进行发送，虽然有时候，转发的路由路径是会变动的，但是你目标IP是不会改变的，这也会导致有些分组到达目标IP的顺序可能会不一样，但是分组只要到达，是可以通过其它手段去恢复数据的有序性。

甚至有时，一个路由堵塞时，会转发到另一路由器，绕开，选这其它的路由路径。

网络接入

网络核心与网络边缘的组成构成一个互联网

网络边缘（设备、主机）可以有不同的方式进行接入网络核心

接入网络有两个重要指标

• 接入带宽（每秒传输的比特位数量）
• 共享/专用

接入方式

modern

调制解调器，将网络信号数据，加载到特定频率的音频信号上，然后又端的专门的解调器进行处理。

这个方式的带宽非常窄，几kbps的样子

线缆网络

有线电视信号线缆双向改造

FDM，在不同的频段上传输不同的信道数据

无线接入

• WLAN：用于建筑内部
• 广域无线：由运营商提供

互联网结构

ISP：互联网服务提供商

ISP之间也是需要互联的，不然无法互相访问

N个ISP进行互联，该如何处理

成本非常高，可扩展性差，每新增一个ISP，都需要增加很多的连接成本

分组丢失与延时

路由器与多个网编边缘设备连接，设备想路由器发送分组（数据包）。

路由器的缓冲区中，会对接受的分组进行排队等待发送。

路由器的分组等待队列是有限的，也就是说路由器的分组缓冲区是有限的。当缓冲区满了，又有心得分组发送进来，则路由器会对分组进行丢弃。

分组在排队过程中就会产生延时，分组排队延时。

分组延时

每个 节点/端 传输分组都需要有这些延时

或者说，每个分组传输经过这些节点都要有这些耗时

节点处理延时

分组进到路由器后，需要进行bit级的分组检查，判断是否有出错

检查分组的首部，去IP表中查找IP地址，判断分组将要向哪里发送

排队延时

在输出链路上等待发送的时间，依赖于路由器的阻塞程度。

排队延时取决于流量强度

传输延时

取决于链路宽度R（带宽），分组长度L（数据报的比特数）

发送一个比特需要耗时$1/R$，而分组交换是整个数据报发送完才停止传输，所以传输分组需要耗时$L/R$。

这个传输时间，是指路由器发送到另一个端的时间或者，另一个端接收分组的时间。

传播延时

在物理链路上的传播耗时

物理链路长度$d$，在媒介上传播的速度$s$，耗时$d/s$

如果两个端/节点之间的距离比较近，那么传播耗时可以忽略不计

分组丢失

每个节点的等待队列都是有限的，如果当分组到达某个节点时，队列满了，然后就会被抛弃

如果当前节点与上一个节点之间的线路是可靠的（有一些协议支持的可靠链路，丢失会不断重传直到节点回复收到），那么由上一个节点进行重传。

如果当前节点与上一个节点之间的线路是不可靠的，如以太网，就可能会由源主机负责重传，如果源主机是UDP协议，那么源主机不会重传，直接传下一个分组。

还有一种是ICMP协议，其协议的报头中有关位段是IP，表示目标IP地址。还有一个位段是TTL（Time to Live），当每经过一个节点，TTL就会减一，当TTL为0时，节点提取报文信息后，也会将该分段丢弃。

流量强度

取决于流量强度 $I=\frac{La}{R}$

L：分组长度，a：单位时间内通过的分组数量，R：带宽

流量强度在[0,1]，排队延时与流量强度的关系

流量强度不能超过1，排队时间在流量强度超过一定阈值时会陡增。

吞吐量

源端与目标端之间的有效比特的传输速率（$\frac{数据量}{单位时间}$）

根据时间的长度，还分为，瞬时吞吐量、平均吞吐量

吞吐量取决于短桶效应，$\min R_s,R_c$

瓶颈链路：在端到端的路径上，限制端到端的吞吐的链路

前提是没有其它节点传输数据

实际场景中，瓶颈链路是端到端的链路上，传输有效分组数量最小的链路

协议层次与服务模型

互联网可以说是有史以来最复杂的人工系统，为了降低复杂度，分摊成本，使用模块化的设计思想，进行解耦，提高可拓展性。

模块化后，采用分层的设计方法，层层调用，不能跨层调用，降低互相的依赖性。

层次化模型

• 为上层模块提供服务接口
• 使用下层模块提供的服务接口
• 同层次模块，通过协议完成数据交换以实现新功能，需要借助下层模块提供的服务

协议

• 同层次模块规定好的动作的集合，以实现新的功能
• 目的是为了向上层提供更好的服务
• 实现是需要基于下层提供的服务的总和（包括下层的下层为下层提供的服务…）

服务类型

面向连接的服务

需要两个模块建立通信，TCP

建立连接->通信->拆除连接

可以保证数据的完整与有序性

无连接的服务

两个同层次的模块不需要建立连接后再进行通信，直接发送数据

发送的数据可能重复、可能失序

服务与协议的关系

• 服务：下层实体向上层实体提供他们之间的通信能力，垂直
• 协议：对等实体之间相互通信的过程中需要遵循的规则的集合，水平

数据单元（DU）

上一层传给下一层实体的数据叫做SDU，上一层需要通过下一层提供的ASP（接口）来发送SDU

一对一

SDU进入下一层后，会被在数据头部加上一部分控制信息，形成了这一层的PDU

一对多

当SDU比较大时，发送给下一层后，会被分割成很多部分，然后分别加上报头，形成多个PDU

多对一

当一个SDU非常小时，会收集多个SDU，然后拼一块，加上报头，合成一个PDU

网络协议栈

物理层

相邻两点之间的物理信号的传输与转换

将链路层传下来的每一帧数据（一组0/1数据），转化为电信号/电磁信号，然后通过物理线路或其它媒介，发送给接收端

接收端的物理层，再将获得电信号，转化为数字的0/1信号，再交给上面的链路层

链路层

将数据转化为一帧帧的比特数据，区分哪些是一帧比特数据的开头，哪些是一帧比特数据的节位，然后依次来分离出一帧比特数据，然后交给下方的物理层进行传输

在物理层提供的传输服务之上，在相邻的两点之间（从这个协议栈到另一个协议栈），以帧为单位传输数据

网络层

在链路层提供的相邻两点之间的数组传输的基础上，以分组为单位，从端到端（源主机到目标主机）的传输

网络层的核心功能：路由与转发（全局寻路与局部寻路，寻的路是网络核心的交换节点）

传输层

1. 在网络层提供的主机到主机之间的传输服务基础上，确定从主机A的进程到主机B的进程的传输
2. 在网络层传输数据不可靠的情况下，将数据传输变的可靠，然后提供给进程

应用层

在传输层提供稳定的数据包的基础上，进行数据报文的交换，可以实现很多应用功能

OSI七层网络模型

实现协议栈的厂商觉的太复杂，是不会去专门实现。

如果需要这两层功能，可以在应用层去自己实现。

数据的封装与解封装

协议栈中每一层都会为数据添加上自己的报文数据，也叫报头，是为了给另一边的协议栈中同层次的进行解包的，里面有控制信息，如，目标IP，生存时间等等。

这些控制信息/报头，本质上都是一个个独有的结构体对象或者说C语言中位段，每一段蕴含着一定的信息。这些都是规定好的协议，只有同层次的实体才能解封装。

当前层的报头也会是下一层的有效载荷

各层次协议的数据单元

• 应用层：报文
• 传输层：报文段
• 网络层：分组、数据报（无连接网络）
• 数据链路层：帧
• 物理层：位