计算机网络：快速了解网络框架

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前言

概述计算机网络。

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一、什么是Internet？

1.从具体构成角度

• 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
• 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
• 数以亿计的、互联的计算设备（端系统：end system 或者 host）：
  • 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
• 协议控制发送、接收信息
  • 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internet
• Internet标准
  • RFC：Request for comments
  • IETF：Internet Engineering Task Force

什么是协议？

人类协议

• 你好、几点了、我有个问题
• 发送特定的信息
• 收到消息时采取的特定行为或其他事件

网络协议

• 类似人类协议
• 机器之间的协议而非人与人之间的协议
• Internet中所有的通信行为都受到协议制约

协议定义了在一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/或接收时间方面所采用的动作。

2.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
  • 网络、VoIP、电子邮件、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:

    • 无连接不可靠服务服务
    • 面向连接的可靠服务

3小结

• 把端系统和交换节点连接在一起叫接入网，交换节点和交互节点叫网络核心。
• 端系统=主机，主要包括能进行网络通信的网络应用和操作系统。
• 计算机网络包括应用进程和其下的协议基础设施。
• 以tcp/ip协议为主的协议簇为基础的网络叫计算机网络。
• 协议:对等实体进行数据交换所需遵守的一系列规则。
• 协议包括:语法，语义，次序，动作。

二、网络边缘

网络结构（边缘通过接入连接核心，核心再将边缘联系一起，网络核心其实就是负责数据传输）

• 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）
  • 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（P2P）
  • 很少（甚至没有）专门的服务器
  • 如Gnutella、KaZaA、Emule
  • 每个主机可能是主机也可能是服务器

1.采用网络设施面向连接服务（TCP）

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）
  • Internet上面向连接的服
    务

TCP服务[RCF 793]

• 可靠地、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

2.采用基础设施的无连接服务（UDP）

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 DatagramProtocol)[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

三、网络的核心

• 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（以分组为单位，存储转发）：
    • 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)

1.电路交换

在电路交换过程中，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）
• 将带宽分成片的方式：
  • 频分(Frequency-divisionmultiplexing)
  • 时分(Time-divisionmultiplexing)
  • 波分(Wave-divisionmultiplexing)

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?

2.分组交换

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，因为每个节点都要收到整个分组才会往下hop，所以每个节点都要等待整个分组完整传输。
  • 排队时间
  • 使用每个节点之间的线路，其他节点线路仍然可以被其他人使用
  • 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

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（查路由表）

• 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

统计多路复用

3.分组交换 VS 电路交换

分组交换允许更多用户使用网络

• 1 Mbps 链路
• 每个用户:
  • 活动时100 kbps
  • 10%的时间是活动的
• 电路交换:
  • 10用户（1 Mbps / 100 Kbps）
• 分组交换:
  • 假设有35用户
  • 大于等于10个用户活动的概率为0.0004 = 0.04%（99.6%的可能hold住，0.04%的可能hold不住，流量强度为1，网络会挂掉，瞬间进来的速度比出去的速度来的快，但是有队列，可以慢慢排队，挺过这0.04%，后面就顺风顺水，进来的少，出去的多，把这0.4%传出去，也算hold住）

分组交换是“突发数据的胜利者”

• 适合于对突发式数据传输5634
  • 资源共享
  • 简单，不必建立时间
• 过度使用会造成网络拥塞：分组延时和丢失
  • 对可靠的数据传输需要协议来约束：拥塞控制

4.分组交换的两种方式

• 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：
  • 数据报网络（无连接）：
    • 分组的目标地址决定下一跳
    • 在不同的阶段，路由器可以改变
    • 类似：问路
    • Internet
  • 虚电路网络（有连接）：
    • 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，在整个呼叫中路径始终保持不变
    • 路由器维持每个呼叫的状态信息
    • X.25和ATM

数据报的工作原理

• 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

虚电路工作原理

5.总结

网络分类

• 通信网络

  • 电路交换网络
    • FDM
    • TDM
  • 分组交换网络
    • 虚电路网络
    • 数据报网络

  

电路交换，独享线路，性能保障，信息共享程度能力较低，连接建立时间非常长但网络连接的建立有很大的突发性，所以不好。将带宽分片以共享信息通路:频分(fdm)，时分(tdm)，波分(wdm)，码分(cdma)

分组交换，将信息进行分组，待分组(当个分组不是整个报文）全部传输完时再进行转发，延时较高，可能丢包，但利于信道共享，有存储时延和排队时延。

数据报（无连接） ∶每个分组携带完整的地址，进行分组转发。
虚电路(有连接) ∶建立一个虚拟的电路，每个分组携带一个电路号进行存储转发。有连接，无连接和面向连接（网络层的连接)没有关系。

服务分为面向连接的服务(tcp)和无连接的服务(udp)。
追求可靠性选择TCP，追求时效选择UDP如多媒体控制设备。

四、接入网和物理媒体媒介

Q: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

注意：

• 接入网络的带宽(bits persecond) ?
• 共享/专用?

1.住宅接入

modem:(modem越来越少，现在是移动联通光纤到户)

• 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

电缆模式

2.接入网

DSL：digital subscriber line：

• 采用现存的到交换局DSLAM的电话线
  • DSL线路上的数据被传入到互联网
  • DSL线路上的语音被传到电话网
• 小于2.5Mbps上行传输速率（typically < 1Mbps）
• 大于24Mbps下行传输速率（tyypically < 10Mbps）

线缆网络：

• 有线电视信号线缆双向改造（原有电视线缆只能传下行）
• FDM：在不同频段传输不同信道的数据，数字电视和上网数据（上下行）
• HFC: hybrid fiber coax
  • 非对称:最高3OMbps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每个用户一个专用线路到CO (central office)

家庭网络

企业接入网络

无线接入网络

LAN：局域网
WAN：广域网

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:
  • 开放的空间传输电磁波或者光信号，在电磁或者光信号中承载数字数据
  • 信号自由传播:如无线电

双绞线(TP)

• 两根绝缘铜导线拧合
  • 5类:10OMbps Ethernet. Gbps 千兆位以太网
  • 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:
  • 电继缆上有多个信道
  • 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（如10Gps-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

• 无线链路类型

  • 地面微波
  • e.g. up to 45 Mbps channels

• LAN (e.g. , WiFi)

  • llMbps，54 Mbps，540Mbpps…

• wide-area (e.g.，蜂窝)

  • 3G cellular :few Mbps
  • 4G 10Mbps
  • 5G 数Gbps

• 卫星

  • 每个信道Kbps到45Mbps(或者多个聚集信道)
  • 270 msec端到端延迟
  • 同步静止卫星和低轨卫星

五、Internet结构和ISP

互联网网络结构：网络的网络

• 端系统通过接入ISPs (lnternet 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
• 让我们采用渐进方法来描述当前互联网的结构

一些大的公司（ICPs），如谷歌等，在全球部署自己的数据中心机房，自己铺专用电缆相连（或者有的地方是租电缆专用），一般这些机房都建在距离ISP比较近的地方，这样用户访问等到达ISP可以很快到达机房，如果这个机房没有，专用电缆向其他机房获取也很快。而铺设这些专用电缆是因为ISP费用贵，还有就是提供高质量服务。

一个分组要经过许多网络
很多内容提供商(如:Google， Akamai )可能会部署自己的网络,连接自己的在各地的DC（数据中心），走自己的数据
连接若干local ISP和各级（包括一层）ISP，更加靠近用户
经济考虑:少付费
用户体验考虑:更快

六、分组丢失、延时和吞吐量

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

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

1.四种分组延时

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

2>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

3>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

4>传播延时：

• d =物理链路的长度
• s =在媒体上的传播速度(~2x108 m/sec)
• 传播延时= d/s

车队类比：

一个车队10个车，有两个收费站，现在车队在第一个服务站准备过站。

• 传输延时：从第一个汽车离开第一个服务站到第十个汽车车尾离开的时间
• 传播时间：最后一个汽车从第一个服务器出去进入第二个服务器的时间
• 汽车：bit；车队：分组
• 在所有的汽车被第一个收费站服务之前，汽车会到达第二个收费站吗?
  • 在整个分组被第一个路由器传输之前，第一个比特已经到达了第二个路由器!

节点延时：

排队延时：

Internet的延时和路由：

2.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

3.吞吐量

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:在一个长时间内平均值

吞吐量：链路上每一段实际可用带宽中最小的一个带宽，这个最小的带宽经常是瓶颈。

七、协议层次和服务模型

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,软件

问题是：如何组织和实现这个复杂的网络功能————分层
解决：层次化方式实现复杂网络功能

• 将网络复杂的功能分层功能明确的层次，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

1.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的通信的能力
  • 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—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)

2.服务类型

• 面向连接的服务和无连接的服务-方式
  • 面向连接的服务(Connection-oriented Service)
    • 连接(Connection):两个通信实体为进行通信而建立的一种结合
    • 面向连接的服务通信的过程:建立连接，通信，拆除连接
    • 面向连接的服务的例子:网络层的连接被成为虚电路适用范围:对于大的数据块要传输;不适合小的零星报文特点:保序
    • 服务类型:
      • 可靠的信息流传送页面(可靠的获得,通过接收方的确认)
      • 可靠的字节流 远程登录
      • 不可靠的连接 数字化声音
  • 无连接的服务(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;
    • 适用范围:适合传送零星数据;
    • 服务类型：
      • 不可靠的数据报电子方式的函件
      • 有确认的数据报 挂号信
      • 请求回答信息查询

3.服务和协议

• 服务与协议的区别
  • 服务(Service):低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力，是（通过SAP再）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
• 服务与协议的联系
  • 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

4.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，便于标示网络组件，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
    • 对于其他层次而言是透明的
  • 如改变登机程序并不影响系统的其它部分
    • 改变2个秘书使用的通信方式不影响2个翻译的工作
    • 改变2个翻译使用的语言也不影响上下2个层次的工作
• 分层思想被认为有害的地方?效率低等，但是利大于弊

5.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地通信
  • TCP, UDP
• 网络层:为数据报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（转发分组）,路由协议
• 链路层:相邻网络节点间的数据（以帧为单位的数据）传输
  • 2个相邻2点的通信，点到点通信，可靠或不可靠
  • 点对对协议PPP,802.11(wifi),Ethernet
• 物理层:在线路上传送bit

6.ISO/OSI参考模型

7.封装和解封装

8.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数据报
• 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)

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总结

以上就是计算机网络的概述。