【读书笔记】《计算机网络-自顶向下方法》第一章-计算机网络和因特网

0 概述

• 基本术语
• 基本硬件和软件
• 从边缘开始考虑端系统和网络应用
• 探究网络核心、链路、交换机

0.1 计算机网络的概念

计算机网络是互联的、自治的计算机系统的集合。

0.2 计算机网络的组成

0.2.1 组成

• 硬件

主机、通信链路、交换设备、通信处理机等。

• 软件

各种实现资源共享的软件和用户使用的各种工具软件，多处于应用层。

• 协议

计算机网络的核心，规定网络传输数据时遵循的规范。

0.2.2 工作方式

• 网络边缘

联网主机，用于通信和资源共享。

• 网络核心

大量网络和连接这些网络的路由器。
为边缘部分提供连通性和交换服务。

0.2.3 功能组成

• 通信子网

传输介质、通信设备和相应协议组成。
使网络有数据传输、交换、控制和存储的能力。

*资源子网

实现资源共享功能的设备和软件。
向网络用户提供共享硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

0.3 计算机网络的功能

• 数据通信

最基本和最重要的功能。
实现信息传输、计算机互联、统一调配控制等。

• 资源共享

软硬件、数据共享。
提高软硬件和数据的利用率。

• 分布式处理

负荷过重分配给其他计算机系统，提高利用率。

• 提高可靠性

通过替代实现。

• 负载均衡

工作任务均衡地分配。

0.4 计算机网络的分类

0.4.1 分布范围

• 广域网
• 城域网
• 局域网
• 个人区域网

0.4.2 传输技术

• 广播式

局域网、广域网中的无线、卫星通信网

• 点对点式

0.4.3 拓扑结构

• 总线型

建网容易、增减结点方便、节省线路。
重负载时通信效率低，总线任意一处故障敏感。

• 星型

便于集中控制管理。
成本高、中心结点故障敏感。

• 环形网络

单向传输

• 网状

可靠性高。
控制复杂、线路成本高。
用于广域网、其他的用于局域网

0.4.4 使用者

• 公用网

• 专用网

0.4.5 交换技术

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换

1 什么是因特网

1.1 从具体构成

端系统通过通信链路和分组交换机连接到一起。

端系统 = 主机

端系统通过ISP接入因特网。

ISP：因特网服务提供商，Internet Service Provider，如：中国电信、中国移动、中国联通、大学网络中心

端系统、分组交换机等网络部件上都要运行一系列协议。协议控制信息的发送和接收。

TCP：传输控制协议，Transmission Control Protocol
IP：网际协议，Internet Protocol
主要协议统称为TCP/IP

1.2 从服务

分布式的网络应用

音乐流、视频流等

与因特网相连的端系统提供套接字接口，规定程序间交付数据方式

1.3 什么是协议

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顺序，以及报文发送、接收或其他事件所采取的动作。

理解计算机网络就是理解网络协议的构成、原理、工作方式

2 网络边缘

主机有时被进一步划分为客户和服务器

客户：个人PC、智能手机等
服务器：提供搜索结果、电子邮件等的（大型）数据中心

2.1 接入网

接入网：将端系统连接到其边缘路由器的网络

2.1.1 家庭接入：DSL和电缆以及光纤到户

• DSL从本地电话公司获得，使用现有电话线（双绞铜线），需要DSL调制解调器

DSL：数字用户线 Digital Subscriber Line
高速下行通道：50kHz-1MHz
中速上行通道：4kHz-50kHz
普通双向电话信道：0-4kHz
这也是为什么一般下行速度大于上行速度

• 电缆利用有线电视公司，应用光纤和同轴电缆，需要电缆调制解调器
• 光纤到户：Fiber To The Home, FTTH

2.1.2 企业（和家庭）接入：以太网和WiFi

2.1.3 广域无线接入：3G、4G、5G

LTE：长期演进 Long-Term Evolution

2.2 物理媒体

• 导引型

双绞线、同轴电缆、光纤等

• 非导引型

陆地无线电、卫星无线电等

3 网络核心

端系统的分组交换机和链路构成的网状网络

3.1 分组交换

端系统彼此交换报文，报文划分成较小的数据块即为分组。
分组通过通信链路和分组交换机传送。

3.1.1 存储转发

交换节点在传输分组前，要接收、存储和处理整个分组，因此会带来额外的传输时延。

3.1.2 排队时延和丢包

排队时延：分组交换机具有输出缓存（AKA输出队列），故也带来排队时延。
丢包：输出缓存满了导致分组丢弃。

3.1.3 路由表和路由协议

转发表：把目的地址（或目的地址的一部分）映射为输出链路。
路由选择协议：用于自动设置转发表。

3.2 电路交换

预留带宽和链路资源，确保数据能稳定交付。

3.2.1 电路交换中的复用

频分复用

FDM，Frequency-Division Multiplexing。频带之间往往会有保护频带。

时分复用

TDM，Time-Division Multiplexing。

3.2.2 分组交换VS电路交换

分组交换简单、有效、成本低，且能提供更好的带宽共享。

3.3 网络的网络

即ISP之间的互联。
IXP，Internet Exchange Point。第三方公司创建的因特网交换点。

4 分组交换网中的时延、丢包、吞吐量

4.1 时延

时延 = 处理时延 + 排队时延 + 传输时延 + 传播时延

• 处理时延

检查分组首部，决定分组导向何处。

• 排队时延

分组在链路上等待传输

• 传输时延

分组传输给链路所需时间。

• 传播时延

比特经物理媒体传播的时间。

4.2 排队时延

流量强度：(La) / R

L-分组大小，a-分组到达队列的平均速率，R-传输速率

流量强度趋近于1时，排队时延急剧增加

4.3 端到端时延

N-链路数

4.4 吞吐量

吞吐量：单位时间内，流过某个网络的数据量。

对于简单的两链路网络，其最大吞吐量取决于带宽较小的那一段。

5 协议层次及其服务模型

5.1 分层的体系结构与封装

5.1.1 分层

• 模块化
• 向上提供相同的服务
• 向下使用相同的服务
• 某层改变不影响其他组件

5.1.2 封装

协议数据单元（PDU）= 服务数据单元（SDU）+ 协议控制信息（PCI）

应用层-传输层：应用层报文 + 首部 = 传输层报文段
传输层-网络层：运输层报文段 + 首部 = 网络层数据报
网络层-链路层：网络层数据报 + 首部 = 链路层帧

5.2 计算机网络分层结构

5.2.1 常见五层结构

①应用层

单位：报文
功能：网络应用程序及其协议存留处
例：HTTP、SMTP、FTP

②运输层

单位：报文段
功能：应用程序端点之间传送应用层报文。
例：TCP、UDP

③网络层

单位：数据报
功能：主机间传输网络数据报。
例：IP

④链路层

单位：帧
功能：将分组从一个节点移动到路径上另一个节点。
例：以太网

⑤物理层

单位：比特
功能：将比特从一个节点移动到另一个节点。

5.2.2 OSI分层

多了两层结构：表示层和会话层。
①表示层

功能：使通信的应用程序能够解释交换数据的含义。

②会话层

功能：提供数据交换的定界和同步功能。

5.2.3 TCP/IP参考模型

应用层+传输层+网际互连层+网际接入层

5.2.4 TCP/IP和OSI对比

OSI偏理论学术，先建立模型去指导实践，但是效果不好。
TCP/IP先有协议再建立模型，广为使用。

6 网络攻击

6.1 恶意软件

一般是自我复制的。

从感染主机试图进入其他联网主机，完成扩散。主要有病毒和蠕虫两种形式。
病毒：通过某种用户交互来感染，如打开电子邮件。
蠕虫：无序明显用户交互。

6.2 对服务器和网络基础设施的攻击

拒绝服务攻击(DoS:Denial-of-Service):弱点攻击、带宽洪泛、连接洪泛。
DDoS攻击：分布式DoS，多源，更加难以防范。

6.3 分组嗅探

嗅探器得到网络中分组副本，截取敏感信息。

6.4 IP哄骗

虚假源地址分组注入网络，骗取信任。