计算机网络第一章-计算网络和因特网

🎈什么是Internet

从具体的构成角度：节点、边、协议

1️⃣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

数以亿计的、互联的计算设备

• 主机 = 端系统（端系统称为end system or host）
• 运行网络应用程序

2️⃣边：通信链路

• 接入网链路：主机链接到互联网的链路
• 主干链路：路由器间的链路

通信链路

• 光纤、同轴电缆、无线电、卫星
• 传输速率 = 带宽(bps)（bit/s）

分组交换设备:转发分组(packets)

• 路由器和交换机

3️⃣协议

什么是网络协议：

协议定义了在两个或者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

红字表示老师重点解释了这个词汇
报文格式：语法、语义
次序：时序
动作：收到动作

协议三要素：语法，语义，时序

协议控制发送和接受信息

• 如TCP、IP、HTTP、FTP、PPP

Internet:"网络的网络"

• 松散的层次结构、互连的ISP
• 公共Internet vs. 专用intranet(内部网)

Internet标准

• RFC：Request for comments（是由IETF发布的一系列备忘录）
• IETF：Internet Engineering Task Force（Google翻译互联网工程任务组）

从服务角度：使用通信设施进行通信的分布式应用，通信基础设施为apps提供编程接口（通信服务）

4️⃣使用通信设施进行通信的分布式应用

• Web、VoTP、email、分布式游戏、电子商务、社交网络……

5️⃣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：1.无连接不可靠服务（UDP） 2.面向连接的可靠服务（TCP）

⚫网络结构

1.网络边缘：

• 主机
• 应用程序（客户端和服务器）

2.网络核心：

• 互连着的路由器
• 网络的网络

3.接入网、物理媒体：

• 有线或者无线通信链路

上课老师图太生动形象的解释了edge，core，across

🎈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

• 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

俗称p2p

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

1️⃣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

• 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

TCP[Transmission Control Protocol]服务[RFC 793]

• Internet上面向连接的服务

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

2️⃣采用基础设施的无连接服务

目标：在端系统之间传输数据，是不是很眼熟，但是需要无连接服务

UDP-用户数据报协议

UDP[User Datagram Protocol]服务[RFC 768]

• 无连接
• 不可靠数据传输
• 无流量控制
• 无拥塞控制

3️⃣UDP和TCP应用

• 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

🎈网络核心：分组交换、电路交换

0️⃣基本介绍

网络核心：路由器的网状网络

基本问题：数据怎么样通过网络进行传输？

• 电路交换：为每一个呼叫预留一条专有电路：如电话网
• 分组交换：
  1.将要传送的数据分成一个个单位：分组
  2.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
  3.每段：采用链路的最大传输能力（带宽）

1️⃣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4段线路

• 该呼叫采用了上面的链路的第二个线路，右边链路的第一个线路

• 独享资源：不同享（每个呼叫一旦建立起来就能保证性能）
• 如果呼叫没有数据发送，被分配的资源就会被浪费（no sharing）
• 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，则其资源片处于空闲状态（不共享）
• 将带宽分成片 1.频分 2.时分 3.波分

计算题

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

解：

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

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？

2️⃣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：分组每次转动一跳（hop）
  1.在转发之前，节点必须收到整个分组
  2.延迟比线路交换要大
  3.排队时间

分组交换：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

example：L=7.5Mbits R=1.5Mbps 三次存储转发的延时=15s

分组交换：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

• 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：统计多路复用

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的端，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：问路
• 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

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
• 每一个分组都是独立路由（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）的工作原理

3️⃣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

• 1Mb/s 链路

• 每个用户：
  1.活动时100kb/s
  2.10%的时间是活动的

• 电路交换：10用户

• 分组交换：
  1.35用户时
  2.>=10个用户活动的概率为0.0004

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堵：分组延时和丢失（对可靠地数据传输协议来约束：拥塞控制）

4️⃣网络分类

通信网络:电路交换网络和分组交换网络

• 电路交换网络：FDM和TDM

• 分组交换网络：虚电路网络和数据报网路

🎈接入网、物理媒体

1️⃣住宅接入：modem

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调解出来。反之亦然

• 调频
• 调幅
• 调相位
• 综合调制

拨号调制调解器

• 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

2️⃣接入网：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

线缆网络

有线电视信号线缆双向改造

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，2Mbps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

• 与DSL不同，DSL每个用户一个专用线路到CO（central office）

住宅接入：电缆模式

接入网：家庭网络

企业接入网络

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或者光信号，在电磁或者光信号中承载数字数据

1.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）

2.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）

3.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

4.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，LAN，wide-area，卫星

🎈Internet/ISP结构

1️⃣互联网结构：网络的网络

• 端系统通过接入ISPs（Internet Service Providers互联网服务供应商）连接道互联网（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个端系统可互相发送分组到对方）
• 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使的）

2️⃣互联网结构：network of network细化

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）

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
连接诺干local ISP和各级（包括一层）ISP，更加靠近用户

3️⃣ISP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（对等接入）
• ICP自己部署专用网络，同时和各级ISP连接

🎈性能：丢包、延时、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
  1.分组到达链路的速率超过了链路输出能力
  2.分组等待排到队头、被传输

1️⃣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

• 在输入链路上等待传输的时间

• 依赖于路由器的拥塞程度

• R=链路带宽（bps）

• L=分组长度（bits）

• a=分组到达队列的平均速率

流量强度=La/R

• La/R ~ 0:平均排队延时很小
• La/R->1:延时变得很大
• La/R>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

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=在媒体上的传播速度（-2 * 10^8 m/sec）
• 传播延时=d/s

s和R都是不同的量

这里视频讲了一个类比，模拟车队比作网络传输分组的模式

节点延时

2️⃣Internet的延时和路由

traceroute（路由）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:
1.沿着目的的路径，向每个路由器发送3个探测分组
2.路由器i将向发送方返回一个分组
3.发送方对发送和回复之间间隔计时

关于traceroute

3️⃣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，或者根本不会重传

丢包率=丢包数/已发分组总数

4️⃣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

端到端路径上，限制端到端吞吐的链路

端到端的平均吞吐量=min{R1，R2，R3……Rn}

假设总共有十条链路，理论上是，第一点，即三个数值中的最小值，一般在实际生活中，就是传输端或者接收端的通常就是瓶颈链路！

🎈协议层次、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

1️⃣服务和服务访问点

• 服务（service）：低层实体向上层实体提供他们之间的通信能力
  1.服务用户（service user）
  2.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；
  1.例子：邮箱
  2.地址（address）：下层的一个实体支撑上层的多个实体，SAP有标志不同上层实体的作用
  3.可以有不同的实现，队列
  4.例子：传输层的SAP：端口（port）

2️⃣服务的类型

面向连接的服务和无连接的服务-方式

面向连接的服务

• 面向连接的服务（connection-oriented service）
  1.连接（connection）：两个通信实体为进行通信而建立的一种结合
  2.面向连接的服务通道的过程：建立连接，通信，拆除连接
  3.面向连接的服务的例子：网络层的连接被成为虚电路
  4.适用范围：对于大的数据块要传输；不适合小的零星报文
  5.特点：保序
  6.服务类型：1）可靠的信息流 传送页面（可靠的获得，通过接收方的确认） 2）可靠的字节流 远程登录 3）不可靠的连接 数字化声音

无连接的服务

• 无连接服务（connectionless service）
  1.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）
  2.特点：不可靠，可能重复、可能失序
  3、IP分组，数据包；
  4.适用范围：适合传送零星数据
  5.服务类型：1）不可靠的数据报 电子方式的函件 2）有确认的数据报 挂号信 3）请求回答 信息查询

3️⃣服务和协议

服务和协议的区别

• 服务（service）：低层实体向上层实体提供他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

• 本层实体通过的协议为上层提供更高级的服务

4️⃣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
  1.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）
  2.如改变登机程序并不影响系统的其他部分（改变2个秘书使用的通信方式不影响2个翻译的工作，改变两个翻译使用的语言也不影响上下两层次的工作）

5️⃣Internet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，路由协议

链路层

相邻网络节点间的数据传输

• 2个相邻2点的通信，点到点通信，可靠或者不可靠
• 点对点协议PPP（Point to Point Protocol），802.11（wifi），Ethernet

物理层

在线路上传送bit

各层次的协议数据单元

6️⃣ISO/OSI参考模型

互联网协议栈没有这两层！

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

7️⃣封装和解封装

这一段网课讲的很详细

🎈历史

看ppt……