计算机网络-第一章-计算机网络概述

第一章 计算机网络概述

1.1 Internet介绍

1.1.1 网络和计算机网络

  1. 网络不仅仅是计算机网络，比如蜘蛛网，神经网络
  2. 计算机网络是计算机之间互联构成的系统

这里要区分的概念

  1. 网络不仅仅计算机网络
  2. 计算机网络 ≠ Internet
  3. Internet(网际)是网络的网络

1.1.2 Internet组成

(1) 构成的角度

从零件的角度来看：

  • 互联网包括节点、边(链路)和协议
  • 节点包括主机节点和数据交换节点、边包括接入链路和骨干链路

节点：

  1. 主机节点：是数据的源，比如笔记本、手机，只能冰箱、Web服务器等设备
  2. 数据交换节点：中继器、路由器、交换机、负载均衡设备等，不是源也不是目标，是数据的中转节点
  • 一般用圆形表示数据交换节点，方形表示主机节点
  • 节点之间的边叫做链路

边：链路

  • 接入链路(access)：主机和数据交换节点连在一起的链路
  • 骨干链路：数据交换节点之间的链路

协议：

  • 支持互联网工作的标准，不同厂商的网络设备通过协议能工共同工作
  • 互联网是以TCP/IP协议为主的一簇协议(即协议组)
  • 由这一组协议构成的网络，叫做互联网
  • 如果只有TCP/IP，但是不于外接相连，就是内部网（也就是说不是以TCP/IP协议支撑的网络都是互联网）

网络互联设备的角度

  • 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
① 节点

端(节点)包括：

  1. 设备本身
  2. 设备上的网络操作系统（使得应用进程能够通信）
  3. 运行在设备上的网络程序

也就是端(节点)不仅仅包含硬件，还包含硬件之上的软件

  • 主机节点：也叫作 host 或者 end system
  • 数据交换节点：有交换机，路由器等

端系统的形式有很多，特别是在物联网时代，端的形式是多种多样的

② 链路

通信链路（边）：

  • 网线、光纤本身
  • 建立在网线之上支持工作的协议
  • 重要指标是传输速度
③ 协议
  • 可以理解为对等层的实体在通信过程中应该遵守的标准
  • 比如HTTP协议，就是对等的应用层之间通信的标准，发送方以什么形式接受，接收方以什么形式解析
  • TCP也是如此，一个端的TCP实体和另一个端的TCP实体也算是对等层的实体

协议定义了在两个或多个通信实体（对等层的实体）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

(2) 层次的角度

  • Internet：“网络的网络” （网际）

    • 松散的层次结构，互连的ISP
    • 公共Internet vs. 专用intranet

  • 教育网、军事网都是网络，互联网就是将这些网络都连起来
  • 从构成的角度来看，互联网是节点和边连起来的
  • 从层次的角度来看，互联网是由多个网络连接起来的，每个网络之内还包含更小的网络，网络还有更小的网络，更小的网络之间可能连接，还可能与其他网络之间的小网络连接

从层次角度：

  • 互联网是一对网络通过网络互联设备连起来的网络的网络

(3) 服务的角度

互联网是：

  • 应用进程角度：分布式的进程(应用)
  • 基础设施角度：基础设施
  • 互联网就是分布式的应用以及为应用提供通信服务的基础设施
  • 基础设施包括主机中应用层之下的所有实体，包括TCP，IP等实体

进行通信的分布式应用的角度

  • 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

也就是操作系统为应用进程提供API，比如socket，发送接受message，实现网络应用

  • 基础设施如何为分布式应用提供通信服务：提供API，比如socket

  • 基础设施向上层提供的服务有两种

    一种是面向连接的服务—TCP，无连接的服务—UDP

1.1.3 Internet标准

  • RFC: Request for comments （一个互联网的文档）
  • IETF: Internet Engineering Task Force（非联网的互联网组织，有任何想法都以RFC文档的形式发送到IETF的网站上，包括TCP和IP等都是如此，全球参与）

1.2 网络组成结构

之前按照零件将网络划分为

  • 节点
  • 链路
  • 协议

按照组成类型来看互联网，互联网包含三个子系统：网络边缘、网络核心以及接入网

  • 网络边缘(edge)：

    • 主机
    • 以及应用程序（客户端和服务 器）

  • 网络核心(core)：

    • 互连着的路由器
    • 网络的网络

  • 接入网、物理媒体：

    • 有线或者无线通信链路

    接入就是边缘接入核心的连接

  • 边缘的作用：应用的载体，边缘上的应用是网络存在的理由

  • 边缘之间如果要互联，不可能两两之间链接

  • 而是要依靠中间的核心构建成的可复用的网络连接

  • 网络核心的作用就是数据交换(就好像在两个边缘之间连接起来)

1.2.1 网络边缘

网络的边缘：

  • 分布式的应用以及支持分布式应用通信的基础设施(应用层下方的部分)

(1) 应用进程的通信模式

应用进程之间通信的模式

  • 客户/服务器(CS)模式
    • 客户端向服务器请求、接收服务
    • 如Web、电子邮件的浏览器/服务器
    • 是主从模式(Master-slave)
    • 服务器被动地等待服务器的请求，所有的资源都在服务器上

服务器挂了就完蛋了

  • 可扩展性差

  • 对等（peer-peer）模式

    • 很少(甚至没有)专门的服务器
    • 如 Gnutella、KaZaA、Emule

    每个节点既是服务器也是客户端，互相请求，分布式系统，无客户/服务器模式的缺陷；

    迅雷、电驴等 可以获得带宽的聚集

  • 文件分发系统很多用这种，一个迅雷客户端可以向其他的客户端请求
  • 迅雷之所以下载的比页面快，是因为下载时，对同一个文件，可以向客户端A下载一块，客户端B C分别下载，这样实现了带宽的聚集，因此下载比较快
  • 如果大家都从Web页面下载，那么服务器需要处理多个客户端

下面讲讲基础设施给网络应用提供的服务的类型

(2) 基础设施提供的服务

① 面向连接服务
  • 分布式应用之间通信先建立连接
  • 底层的协议栈为之后的通信分配资源，比如缓冲区，控制变量的准备，超时器的设置等
  • 之后再进行通信
  • 这才是有先进行连接的原因
  • 面向连接和有连接还是不同的
    • 面向连接：是端准备好了连接
    • 有连接：不仅仅是端，包括网络核心的路由等设备也建立起连接才叫有连接
  • 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
  • TCP 服务 [RFC 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

TCP实现了下面的特性

特性：

  • 可靠性（不重复，不丢失，不乱序）

TCP协议就是将下层提供的不可靠的服务转变为可靠的服务

  • 流量控制（当服务器负担太重的时候，会给客户机消息，让客户机放慢速度）

  • 拥塞控制

    就是链路之间阻塞了，因为一条链路不是一对点进行连接的，可能多对端都要经过一条链路，导致链路堵塞

TCP不仅考虑接收方的处理能力，还考虑网络路径的拥塞问题

② 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

    但是时间比较快，事务性的应用，UDP只要问一下，回一下就行，不需要建立连接了

应用举例

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

1.2.2 网络核心

网络核心是由交换节点及其链路构成的。交换方式分为

  • 电路交换（线路交换）
  • 分组交换

互联网和几乎所有的网络都是分组交换，电路交换用于电话网

(1) 分类

① 线路交换
a. 说明

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）

首先通过信令系统为两者之间的通讯分配一条独享的线路

  • 图中的两个数据节点之间分成了4个piece
  • 两个piece串联在一起
  • 源主机与目标主机之间串联在一起
  • 独享的线路，没有不确定性，性能有保证
b. 优缺点

优点：

  1. 性能保证：每个呼叫一旦建立起来就能够 保证性能
  2. 通信延迟较小，但是建立通信需要时间
  3. 通常被传统电话网络采用

缺点：

  • 独享资源：不同享
  • 如果呼叫没有数据发送，被分配 的资源就会被浪费 (no sharing)
  • 建立呼叫需要时间
c. 适用范围

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，浪费资源
  • 一般在电话网中使用
  • 建立电路是需要时间的
  • 通信的时间一般是几分钟，所以建立电路的时间占比很小
  • 但是计算机通讯是不一样的，有很强的突发性，总之在计算机中不常用
d. 分片
  • 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(Frequencydivision multiplexing)
      • 时分(Time-division multiplexing)
      • 波分(Wave-division multiplexing)

  • 频分FDM

指数据交换节点的带宽比较宽，有效通信覆盖范围如下

  • 两个主机通讯的时候就根据频率划分

  • 时分TDM：划分时间片的方式，某个时间片供某个用户使用

  • 波分：采用光通讯的方式，和频分类似，不过分的是波段

这部分可以参考通信原理，有分片的介绍

例题

在一个电路交换网络上，从主机A到主机B发送一个640,000比特的文件需要多长时间?

  • 所有的链路速率为1.536 Mbps
  • 每条链路使用时隙数为24的TDM
  • 建立端-端的电路需500 ms

  • 看到TDM，分成多个时槽，每个用户使用一个时槽
  • bps就是每秒的字节数，分成时槽之后就按照时槽的数目进行划分即可
  • 每条链路的速率（一个时间片): 1.536Mbps/24 =64kbps传输时间:640kb/64kps = 10s
  • 共用时间:传输时间+建立链路时间=10s + 500ms = 10.5s

  • 10.5s并不一定传完，还要加上最后电磁波传输的时间（传播延迟）

时间上的传输图如下

② 分组交换
a. 说明

以分组为单位存储-转发方式（核心就是存储转发）

  • 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(package)

  • 以package为单位在每个节点当中存储-转发

    （假如A→B，中间有C、D数据交换节点，那么C必须等收到A的所有的package，再分组转发给D，如果C收到一个字节就转发给D，那么别的连接就无法使用CD的链路了，网络还是不能够共享）

  • 存储-转发：分组每次移 动一跳（ hop ） 相当于分段使用链路

b. 优缺点

缺点：

  • 不可预计的延迟（有排队延迟，延迟比线路交换大）
  • 可能的数据丢弃（队列满的时候可能会造成数据丢失）

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

优点：

  • 资源共享：可以实现按需使用，不使用的时候不占用网络资源

相当于多个电路交换，延迟更大（排队延迟，存储/转发延迟），而来换取了共享性

延迟更大：

  • 电路交换中，每个数据交换节点只有一个bit的延迟，收到一个bit之后直接转发给下一个节点

  • 但是在分组交换中，每个节点都收到了所有的包之后才转发给下一个数据交换节点

    而且转发当前分组的时候，如果该数据交换节点还有其他要转发的分组排在前面，那么还有排队时间

  • 但是换取了链路的共享性（使用的时候才占用资源，不使用的时候就不占用资源）

例题
  1. 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： 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
  • L = 7.5 Mbits（整个分组的长度是7.5）
  • R = 1.5 Mbps（带宽是1.5）
  • 3次存储转发的延时 = 15 s

  • 主要还是存储时间占时间了
  • 如果建立电路的话，整个时间就是5s
③ 分组交换的优势

结论：

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

同样的网络资源，分组交换允许更多用户使用网络！

  • 1 Mb/s链路口

  • 每个用户:
    • 活动时100 kb/s
    • 10%的时间是活动的
  • 100kbps
  • 但是p=0.1
  • 也就是发送消息的话，那么发送的速度是100kbps，但是只有0.1的时间是发送消息的
  • 电路交换（线路交换）:
    • 10用户口（1Mbps / 100kbps，直接根据分片划分即可）
  • 分组交换:
    • 35用户时（假设有35个用户），则35>=10个用户活动的概率为0.0004

  • n是指活跃的用户的数量
  • n从0-10是记录只有0-10个用户活跃的可能
  • 当有这么多用户活跃的时候是可以支持的，但是如果大于10个用户活跃的话，就支持不了了
  • 所以要计算支持不了的情况，就用1减去

能支持更多用户

  • 但是还设计到一个流量强度的问题，如果流量强度 = 1，就会挂掉，此时的延迟会无穷大。因此还是计算9
  • 虽然有0.4%的不能支持率，但是有队列作为缓存，可以撑过去

(2) 关键功能

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
  • 转发: 将分组从路由器的输 入链路转移到输出链路

路由是全局的，转发是局部的

(3) 统计多路复用

分组交换也叫作统计多路复用

  • 如图所示，分组交换也是一种时间片的划分，但是划分时间片的方式不是固定的
  • 这种方式叫做统计多路复用
  • 这也是线路交换进行分片的一种特殊形式

(4) 分组交换分类

分组交换按照有无网络层的连接分类

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：

数据报是按地址找人，不事先确定路好不好走；虚电路是先去一次，熟悉一下路线，再进行发送。

① 数据报
  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:问路
    • Internent

数据包：

  • 含有目标节点的地址
  • 数据交换节点之间不维护源节点和目标节点的连接
  • 中间都采用跳的形式传播，每个分组是独立传送的

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(不维护主机和主机之间的状态)

  • 路由器不维护通信状态
② 虚电路网络
  1. 虚电路网络:
    • 每个分组都带标签（虚电路标识VC ID），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

要在每个交换节点之间建立连接

虚电路(virtual circuit)的工作原理

  • 靠信令检录虚电路根据表象去查找
  • 网络连接体现在中间所有的路由器上

1.2.3 接入网和物理媒体

把网络边缘接入网络核心

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

要考虑的问题：

  • 接入网络的带宽 (bits per second) ？
  • 共享/专用？
  • 比如共享网络，可能白天一起用的时候就会很卡
  • 独享的话，是独享一个网络接入设备，带宽是有保障的

(1) 分类

① 住宅接入:modem

调制解调器modem（分为调制和解调两个过程）

  • 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

  • 早期运营商将专网连到了每家门口，但是成本太高，难以实现，因此使用电话线来进行联网

  • 电话线是传播语音的，但是可以通过调制

    • 可以调制幅度：幅度比较高的持续一段时间代表1，幅度比较低的代表0
    • 可以调频率：2K、3K都可以是音频，2K一段时间代表1,3K一段时间代表0
    • 调相位
    • 综合调制等

    总之在音频这种载波信号上加载了传输了上网的信号

    对于运营商来说，不需要铺专网，只需要买一个设备，进行调制即可

    这个设备叫做猫(modem的谐音)，就是调制解调器

关于猫，请看这篇文章，调节器和路由器的区别

  • 然后信号被传输到了网络核心的边缘再被解调(demodem)
  • 这就叫做冲浪，因为音频一直在变化

缺点：

  • 带宽非常窄：56Kbps，线路不好的话可能更低
  • 不能同时上网和打电话

这种方式被淘汰了

接入网 DSL

digital subscriber line

  • 采用现存的到交换局DSLAM的电话线
    • DSL线路上的数据被传到互联网 （>4kHz，上行、下行再分频率）
    • DSL线路上的语音被传到电话网 （< 4kHz）
  • < 2.5 Mbps上行传输速率(typically < 1 Mbps)
  • < 24 Mbps下行传输速率(typically < 10 Mbps)
  • 带宽在4K以下的用于通话
  • 4K以上的用于通信
  • 4K以上的分上行和下行，通常不是平均分的，上行比例比较小，下行比较大
  • 现在还有的家庭使用IDSL modem
② 接入网: 线缆网络

下面是有线电视公司运营商提供的方式，上面的是电信运营商

电信就是利用电信号来传输信息的通信方式

有线电视信号线缆双向改造(原来的有线电视线缆是单向的，用于电视台广播，后来为了联网，将有线电视信号线缆进行双向改造)

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30Mbps的下行传输速率, 2 Mbps 上行传输 速率
  • 线缆和光纤网络将个家庭用户接入到 ISP 路由器
  • 各用户共享到线缆头端的接入网络 （是共享的）
    • 与DSL不同, DSL每个用户一个专用线路到CO（central office）
  • 越往上走是光纤，越往下走是电缆
  • 一部分带宽用于上行，一部分用于下行，一部分用于传统的电视信号传播，一部分用于控制（即传输信令）

住宅接入：电缆模式

fiber optic transport——光纤传输

越往上走是光纤，越往下走是线缆

接入网: 家庭网络

router, firewall, NAT

③ 企业接入网络:Ethernet

  • 经常被企业或者大学等机构采用
  • 以太网的带宽也是在不断提升的，10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps传输率
  • 家庭用1G即可了，但是在大型服务机可能需要10Gbps
  • 现在，端系统经常直接接到以太网络交换机上

就是交换机一直网上级联，然后通过路由器进行连接

(2) 无线接入网络

各无线端系统共享无线接入网络（端系统到无线路由器）

  • 通过基站或者叫接入点

无线分为两种：

  • WLAN（无限局域，也就是WiFi）
  • 无线广域

  • 现在国家也在积极部署5G设施

  • 但是现在还没有一个强大的应用能够使用这样的网络，没有人买5G套餐

    而且5G的部署成本也比较高

    而且能够也比较高

  • 总之现在还用不到5G

  • 就好像铺了高速公路，但是走的是拖拉机

  • 因此电信运营商不是很积极

(3) 物理媒体

  • Bit: 在发送-接收对间传播比特
  • 物理链路：连接每个发送-接 收对之间的物理媒体
    • 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
① 引导性媒体

常见的导引性媒体

  • 双绞线 (TP)
    • 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：
      • 电缆上一个单个信道
      • 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（如10 Gps-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

  • 光纤分两层介质，满足一定的条件，可以实现全反射，光纤可以在内介质一直反射传输

    光纤分成两类（可以分2类，去了解一下）

  • 光缆也了解一下

  • 如果全反射的话，那么信号就不会被辐射出去，因此很安全

  • 但是电信号是可以辐射出去的

② 非引导型媒体
  • 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)

  • wide-area (e.g., 蜂窝)（现在移动设备交易的数量已经多于布网的形式了）

  • 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（延迟比较高）和低轨卫星

    了解

光纤技术是华人科学家发明的

  • 使得光可以进行传输

1.3 Internet层次结构

上面的划分是按照节点和链路划分的

  • 下面也是一种划分方式，将关系比较密切，在一个ISP内部的设备叫做一个ISP网络，一个ISP内部也有效的ISP
  • 这个层次结构是自己命名的

按ISP划分互联网

1.3.1 互联网结构：网络的网络

  • 端系统通过接入ISPs (Internet Service Providers)连接到互联网
    • （比如移动设备通过移动的ISP接入到互联网，联通的通过联通的ISP接入到互联网，端系统都是通过接入ISP接入到互联网）
    • 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
    • 接入ISP需要互联，否则双方无法通信
  • 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

问题: 给定数百万接入ISPs，如何将它们互联到一起

ISP，IXP，reginal net，ICP

选项: 将每个接入ISP都连接到全局ISP（全局范围内覆盖）？ 客户ISPs和提供者ISPs有经济合约

竞争：但如果全局ISP是有利可为的业务，那会有竞争者

合作：通过ISP之间的合作可以完成业务的扩展，肯定会有互 联，对等互联的结算关系

Internet exchange point

接入方式

  • 对等连接（就是路由器之间的连接）
  • IXP

上面的IXP是实现全球范围内的交换

然后区域内的交换

然后业务会细分（全球接入和区域接入），区域网络将出 现，用与将接入ISPs连接到全局ISPs

  • 除了ISP，客户端两个身份，还有ICP这个角色，比如百度，谷歌等提供内容的服务商
  • ISP是提供基本连接的，ICP是提供业务的，早期ICP通过连入ISP来进行信息传输，会出现两个问题
    • 成本过高：钱都要交给ISP
    • ISP没办法向全球的用户提供高质量的服务
  • 因此ICP就搭建自己的专网，即在全球范围内部署自己的数据中心机房，这些机房之间采用自己的专线，（或者是自己搭的，或者是租的，比如国内是不允许谷歌自己搭电缆的，要不然挖的乱七八糟的），而且机房的位置都靠近核心的ISP设备，用户通过ISP接进来，很快就能访问到谷歌的ISP，即使附近没有机房，也可以通过ISP连接到附近有机房的ISP
  • 这样降低了成本，也提高了服务质量
  • 国内也是类似，不过也可以向政府提案提速降费

然 后 内 容 提 供 商 网 络 (Internet Content Providers,e.g., Google, Microsoft, Akamai) 可能会构建它们自己的网络，将它们的服务、内容更 加靠近端用户，向用户提供更好的服务,减少自己的运营支出

  • 在后面学习CDN的时候，会发现还有CDN

当然ICP数据中心机房部署的位置也是要考虑很多因素的

  • 离ISP数据中心机房比较近
  • 有的部署在温度比较低的地方：北极、水底
  • 比如大山：战争、自然灾害影响比较小

在网络的最中心，一些为数不多的充分连接的大范围网络（分布广、节点有限、 但是之间有着多重连接）

  • “tier-1” commercial ISPs (e.g., Level 3, Sprint, AT&T, NTT), 国家或者国际 范围的覆盖
  • content provider network (e.g., Google): 将它们的数据中心接入ISP，方便周边 用户的访问；通常私有网络之间用专网绕过第一层ISP和区域

1.3.2 松散的层次模型

(1) 第一层ISP

中心：第一层ISP（如UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T）国家/国际覆盖，速率极高

  • 直接与其他第一层ISP相连
  • 与大量的第二层ISP和其他客户网络相连

第二层ISP: 更小些的 (通常是区域性的) ISP

  • 与一个或多个第一层ISPs，也可能与其他第二层ISP

第三层ISP与其他本地ISP

  • 接入网 (与端系统最近)

下面是美国的骨干网BBN的覆盖情况

下面是Sprint的覆盖情况

  • POP是上级和下级的关系
  • 下级通过与上级连接，上级再与ISP连接

(2) 第二层ISP

(3) 第三层ISP

接入网(与端系统最近)

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

ISP之间的连接

  • POP: 高层ISP面向客户网络的接入点，涉及费用结算

    如一个低层ISP接入多个高层ISP，多宿（multi home）

  • 对等接入：2个ISP对等互接，不涉及费用结算

  • IXP：多个对等ISP互联互通之处，通常不涉及费用结算

  • ICP自己部署专用网络，同时和各级ISP连接

1.6 分组延时、丢失和吞吐量

网络交换的方式：分组交换和线路交换

  • 线路交换不适合计算机网络

分组丢失和延时是怎样发生的？

1.6.1 分组延时

在路由器缓冲区的分组队列

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

  • 延时原因：当当前链路有别的分组进行传输，分组没有到达队首，就会进行排队，从而产生排队延迟
  • 丢失原因：分组到达的时候，队列满了，就会丢弃
  • 除了排队延时，还有传输延时

(1) 延时类型

四种分组延时

  1. 节点处理延时：就是对分组进行检查和处理花费的时间

    • 检查 bit级差错
    • 检查分组首部和决定将分组导向何处
    • ...

    就是处理延迟 processing，处理延迟一般是确定的，因为怎么处理分组的过程是确定的

  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

    排队延时一般是不确定的

  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 (~2x10^8 m/sec)

    传播延时 = d/s

如下图

  • 虚线的高度是传输延迟

  • 三角形的高是传播延迟，传播延迟考虑物理空间

    如果两个节点非常近的话，那么传播延迟基本可以忽略不计

举例

车队类比

情况一、

  • 汽车以100 km/hr 的速度传播

  • 收费站服务每辆车需 12s(传 输时间)

  • 汽车~bit; 车队 ~ 分组

  • Q: 在车队在第二个收费站排 列好之前需要多长时间？

    即：从车队的第一辆车到达第 一个收费站开始计时，到这个 车队的最后一辆车离开第二个 收费站，共需要多少时间

  • 将车队从收费站输送到公 路上的时间 = 12*10 = 120s

  • 最后一辆车从第一个收费 站到第二个收费站的传播 时间： 100km/(100km/hr)= 1 hr = 60min（这个就是传播延迟）

A: 62 minutes

情况二、

  • 汽车以1000 km/hr 的速 度传播汽车
  • 收费站服务每辆车需 1分 钟
  • Q: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？ （一个分组还没打完，就已经到达了下一个节点了）
  • A:Yes！7分钟后，第一辆汽车 到达了第二个收费站，而第 一个收费站仍有3辆汽车
  • 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！

(2) 节点延时

排队延迟一般是随机的

(3) 排队延时

排队延时取决于流量强度

  • R=链路带宽 (bps)
  • L=分组长度 (bits)
  • a=分组到达队列的平均速率

La是单位时间通过一天链路放出比特的数量

流量强度 = La/R

0 < 流量强度 < 1，流量强度就是在0和1之间的

  • 因此设计系统的时候，不能设计流量强度 = 1的系统，否则延迟就会无限大

  • La/R ~ 0: 平均排队延时很小

  • La/R -> 1: 延时变得很大，趋近无穷

  • La/R > 1: 比特到达队列的速率超过了从该队 列输出的

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

tracerc指令及原理

Internet 的延时和路由是什么样的呢?

  • Traceroute 诊断程序: 提供从源端，经过路 由器，到目的的延时测量
  • For all i:
    • 沿着目的的路径，向每个路由器发送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

Traceroute 是 利用 ICMP协议（互联网控制报文协议） 运作的

TTL的原理：

  • 假设源客户端是A，目标客户端是B，中间的路由器标号一次为 1 2 3 4 5

  • 在分组的头部header中有一个字段叫TTL（Time to leave）是整数，每经过一个路由器时路由器将TTL-1，如果TTL=0，则该路由器向原客户端发送消息，从而得到时间

  • A设置TTL=1，那么第一个路由器返回时间；设置TTL=2，那么第二个路由器返回时间

依次增大TTL，得到每个路由器返回的延时

  • 对于目标客户端B，设置TTL足够大能够达到B，但是设置端口号没有对应的服务，这样到达B之后找不到对应的端口号就又会向A返回时间，得到B的延时
  • 在Windows系统下
    • Tracert hostname
    • 如 Tracert www.gucas.ac.cn
  • 更完整的例子
  • 测试网址
    • www.traceroute.org
    • www.linkwan.com

1.6.2 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
  • 对于TCP协议
    • 如果链路可靠，则是前一个节点重传
    • 如果链路不可靠，则是原端系统重传
  • 对于UDP协议，则不重传

1.6.3 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
瓶颈链路

瓶颈链路：端到端路径上，限制端到端吞吐的链路(吞吐量最小的链路)

吞吐量取决于吞吐量小的链路

吞吐量：互联网场景

  • 如图，可以看到R链路同时由多个连接共享，这样的话不同的连接就要平分带宽

  • 这样尽管R的带宽比Rs，Rc大，但是实际给AB的带宽是 1/n，最终比较的是 1/n的大小

1.7 协议层次及服务模型

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？

模块化分解/分层

分层和分解是不一样的

  • 分解：模块之间是可以互相调用的
  • 分层：只有相邻两层客户互相调用

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（服务是功能的子集，是可以由外部使用的功能叫服务）
  • 本层协议实体相互交互执行本层的协议动作（水平关系），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

1.7.1 服务和服务访问点

(1) 概念(术语)

服务和服务访问点

  1. 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 )

  • 服务之间是垂直关系

  • socket就是传输层向应用层提供的接口

  1. 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 比如socket API（一些类型的函数）

  2. 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)

    比如：一个 地点/层间接口，套接字就是服务访问点

比如应用层有 A1，A2，A3这些服务

  • A1 A2 A3就是服务用户
  • TCP就是服务提供者
  • 通过层接界面服务访问点来区分用户

不同层级之间都有各自的用户和提供者

(2) 服务的类型(有无连接)

  1. 服务的类型

服务不仅仅是应用层才分有无连接，每层之间的服务都有区分的

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

面向连接的服务和无连接的服务

  • 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) 服务和协议的关系

  1. 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) 数据单元(DU)

ICI : 接口控制信息 - Interface Control Information

上层的PDU对于本层是SDU，封装后对于本层是PDU
两者的封装关系：一对一、一个SDU分成多个再进行封装，成多个PDU（一对多）、多个SDU封装成一个PDU（多对一）

  • SDU：服务数据单元，上层传给本层的数据叫做SDU
  • ICI：接口控制信息
  • IDU：接口数据单元 SDU + ICI，是用于穿过层级接口使用的，实际要用的还是SDU
  • PDU：协议数据单元，是来自上层SDU加上本层的控制信息就是PDU

上层传给本层的数据叫SDU，SDU + 本层的控制信息就是PDU

一般情况下，SDU会很大，因此会分解然后分别构造PDU

还有一种关系是SDU很小，可以将多个SDU合并构造PDU

一对一、一对多、多对一

每层都有各自的PDU，也有不同的名称

(5) 分层优势

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：效率相对较低

1.7.2 Internet协议栈(网络层次架构)

下面是互联网的架构

层次 服务 传输单位 协议
应用层 网络应用（实现网络应用）
为人类用户或者其他应用进程提供网络应用服务		 报文(message) FTP,SMTP,HTTP,DNS
传输层 主机之间的数据传输（区分进程，把不可靠变为可靠）
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		 报文段(segment)：TCP段，UDP数据报 TCP，IP
网络层 为数据报从源到目的选择路由（转发、路由）
主机主机之间的通信，端到端通信，不可靠		 分组packet（如果无连接方式：数据报datagram） IP,路由协议
链路层 相邻网络节点间的数据传输（相邻两点间，以帧位单位的传输）
2个相邻2点的通信，点到点通信，可靠或不可靠		 帧(frame) 点对对协议PPP,802.11(wifi),Ethernet
物理层 在线路上传送bit（相邻两点间电磁波的承载，以bit的传输） bit

ISO/OSI 参考模型

  • ISO：国际标准化组织
  • OSI：关于网络的架构

  • 表示层: 允许应用解释传输的数据, e.g., 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
  • 互联网协议栈没有这两层! （在Internet协议栈在应用层实现）

也就是应用层会实现这两层

1.7.3 封装与解封装

  • 在链路层交换机经过一次解封装，解到链路层后再封装交
  • 路由器要解封装到网络层
  • 链路层交换机主要用于组建局域网，而路由器则主要负责连接外网并寻找网络中最合适数据传输的路径。
  • 最后需要说明的是：路由器一般都具有防火墙功能，能够对一些网络数据包选择性的进行过滤。现在的一些路由器都具备交换机的功能，也有具备路由器功能的交换机，称为三层交换机。相比较而言，路由器的功能较交换机要强大，但是速度也相对较慢，价格较为昂贵，而三层交换机既有交换机的线性转发报文的能力，又有路由器的路由功能，因此得到了广泛的应用。

1.8 历史

互联网发展那么快的原因：

  • 架构具有很强的包容性
  • 应用部署很容易，都能在部署到应用层
posted @ 2023-07-16 17:11  Crispy·Candy  阅读(201)  评论(0)  编辑  收藏  举报