计网——计算机网络和互联网

导论

一、计算机网络和互联网

网络：

节点和边所构成（人际关系网、蜘蛛网、神经网）

互联网（Internet）：

从构成角度看：

• 节点（主机及其上运行的程序、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

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

从具体构成角度上看：

• 数以亿计、互联的计算设备（主机=端系统、运行的网络应用程序）
• 通信链路（光纤、同轴电缆、无线电、卫星；传输速率 = 带宽（bps 或 bit/s））
• 分组交换设备【转发分组】（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】（松散的层次结构、互联的ISP；公共Internet vs、专用Intranet）
• Internet标准（RFC：Request For Comments、IETF：Internet Engineering Task Force）

从服务上看：

• 使用通信设施进行通信的分布式应用（Web、VoTP、email、分布式游戏）
• 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：无连接不可靠服务（UDP）、面向连接的可靠服务（TCP））

互联网网络结构：

• 网络边缘（主机、应用程序）

• 网络核心（互联着的路由器、网络的网络）

  作用：数据交换

• 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：client/server】（客户端向服务器请求、接收服务）
• 对等（peer-peer）模式【P2P】（很少（甚至没有）专门的服务器如Gnutella、KaZaA、Emule、迅雷）

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（两个主机之间连接建立状态）
• TCP-传输控制协议【Transmission Control Protocol】（Internet上面向连接的服务）

TCP服务

• 可靠的、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）

使用TCP的应用

HTTP（Web）、FTP（文件传送）、Telnet（远程登录）、SMTP（email）

采用基础设施的无连接服务

目标：

在端系统之间传输数据

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

网络核心

路由器的网状网络

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））

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，每段链路有四条线路（该呼叫采用了上面链路的第二个线路，右边链路的第一个线路（piece））
• 独享资源：不共享（每一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
• 通常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，其资源片处于空闲状态
• 将带宽分成片（频分复用【Frequency-division multiplexing】、时分复用【Time-division multiplexing】、波分复用【Wave-division multiplexing】）

电路交换不适合计算机之间的通信

• 连接建立时间长
• 计算机之间的通信具有突发性，如果使用线路交换在，则浪费的片较多（记是这个呼叫没有数据传递，其所占用的片也不能够被别的呼叫使用）
• 可靠性不高

分组交换

以分组为单位存储-转发方式；资源共享，按需使用

• 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
• 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）

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
• 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

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，分组将会被丢弃

统计多路复用

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

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（对可靠的地数据传输需要协议来约束，拥塞控制）
• 提供类似电路交换的服务（保证音频/视频应用需要的带宽；一个仍未解决的问题（chapter7））

分组交换网络：存储-转发

分组交换：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：

1、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：网络
• Internet

2、虚电路网络：

• 每个分组都带标签（虚电路标识VCID），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

分组交换两种方式

数据报（datagram）

• 在通信之前，无需建立起一个连接，有数据就传数据
• 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

虚电路（virtual circuit）

网络分类

接入网络和物理媒体

端系统和边缘路由器的连接依靠：

住宅接入网络、单位接入网络、无线接入网络

接入网技术：

住宅接入：拨号

• 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）

住宅接入：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

<2.5Mbps上行传输速率

<24Mbps下行传输速率

住宅接入：线缆网络 cable modem

HFC：hybrid fiber coax（非对称：最高30Mbps的下行传输速率，2Mbps上行传输速率）

线缆和光纤网络将每个家庭用户接入到ISP路由器

各用户共享到线缆头端的接入网络（与DSL不同，DSL每个用户有一个专用线路到CO（center office））

住宅接入：电缆模式

家庭接入网络：

企业接入网络（Ethernet）

无线接入网络

物理媒体

• Bit：在发送-接收对间传播
• 物理链路：连接每个发送-接受对之间的物理媒体
• 引导型媒体：信号沿着固体媒介被引导（同轴电缆、光纤、双绞线）
• 非引导型媒体：开放的空间传输电磁波挥着光信号，在电磁或者光信号中承载数字数据

双绞线：

两根绝缘铜导线拧合（5类：100Mbps以太网，Gbps千兆位以太网；6类：10Gbps万兆以太网）

同轴电缆：

• 两根同轴的铜导线
• 双向
• 基带电缆：电缆上一个单信道，Ethernet
• 宽带电缆：电缆上有多个信道，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）
• 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，携带需要传输的数据
• 无需物理“线缆”
• 双向
• 传播环境效应（反射、吸收、干扰）

无限链路类型：

• 地面微波
• LAN（WiFi）
• wide-area（蜂窝）
• 卫星（每个信道若干Kbps 到 45Mbps（或者多个聚集信道）；270msec端到端延迟；同步静止卫星和低轨卫星）

Internet结构和ISP

互联网络结构：网络的网络

• 端系统通过接入ISP连接到互联网
• 接入ISP相应的必须是互联的
• 导致的“网络的网络”非常复杂

内容提供商网络（Internet Content Provider，如Google、百度）可能会构建它们自己的网络，将他们的服务、内容更加靠近端用户，向用户提供更好地服务，减少自己的运营支出

松散的层次模型

中心：第一层ISP（国家/国际覆盖，速率极高）

• 直接与其它第一层ISP相连
• 与大量的第二层ISP和其他客户网络相连

第二层ISP：更小一些（区域性的）ISP

• 与一个或多个第一层ISP，也可能是与其它的二层ISP连接

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

分组延时、丢失和吞吐量

四种分组延时

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

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

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

传播延时

• d=物理链路的长度
• s=在没上的传播速度
• 传播延时=d/s

节点延时

排队延时

• R=链路带宽（bps）
• L=分组长度（bits）
• a=分组达到队列的平均速度

流量强度（I） = La/R

• I ~ 0：平均排队延时很小
• I -> 1：延时变得很大
• I > 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，到目的地的延时测量

• For all i（沿着目的路径，向每个路由发送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）

ICMP：TCP/IP协议簇的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息

RTT：往返时间

真机测试

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

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：在一个时间节点的速率
• 平均吞吐量：在一个长时间内平均值

端到端平均吞吐 = min{R1，R2，…， Rn}

协议层次及服务模型

协议层次

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

服务和服务访问点

服务

底层实体向上层实体提供他们之间的通信能力

• 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，高层使用底层提供的服务，以及底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）

上层使用下层提供的服务通过层间的接口——地点

例如，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——方式

服务和协议

服务和协议的区别

• 服务：底层实体向上层实体提供他们之间的通信能力，是通过原语来操作的，垂直
• 协议：对等层实体之间在相互通信的过程中，需要遵循的规则的合集，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

数据单元

sdu对n-pdu会有三种关系：多对一、一对一、一对多

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：为数据包从源到目的选择路由

• 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

• 两个相邻两点的通信，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

ISO/OSI 参考模型

表示层

允许应用解释传输的数据，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

各层协议的数据单元

应用层：报文（message）

传输层：报文段（segment）：TCP段、UDP数据报

网络层：分组（packet）/ 数据报（datagram）（无连接的方式）

数据链路层：帧（frame）

物理层：位（bit）

历史