第一章《计算机网络和因特网》

什么是因特网，有两种描述：

  • 具体构成：　主机/端系统、通信链路、分组交换机、路由器、链路层交换机、因特网服务提供商（ISP）、TCP/IP等一系列部件组成因特网，即构成因特网的基本硬件和软件
  • 服务描述：当一些应用涉及多个相互交换数据的端系统时，比方：视频会议，多人游戏.....,称为“分布式应用程序”。把因特网描述为应用程序的平台，两个端系统互相交付数据的规则，即与因特网相连的端系统提供一个套接字接口

协议

  • 协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文的格式和顺序，以及报文发送和/或接收一条报文或其他事件所采取的动作
  • 也可以看作是人类活动的类比，即人与人之间交流的规则

网络边缘

  • 与因特网相连的计算机和其他设备位于因特网的边缘，故而被称为网络边缘，又称端系统，也称主机，端系统==主机
  • 主机有时又进一步分为两类：客户端和服务器，客户端通常是桌面PC,移动PC和智能手机等，服务器则是更加强大的机器，用于储存或发布数据

接入网

  • 接入网是指将端系统物理连接到其边缘路由器的网络。边缘路由器是指端系统到任何其他远程端系统的路径上第一台路由器
  1. 家庭接入：DSL、电缆、FTTH、拨号和卫星
    • 宽带住宅接入有两种最流行的类型：数字用户线和电缆
    • 数字用户线(DSL)
    • 住户通过DSL调制解调器使用现有的电话线与电话公司的本地中心局的数字用户线接入复用器交换数据，DSL调制解调器把数字数据转换成高频音，通过电话线传给本地中心局，复用器再转换回数字形式。
    • 家庭电话线同时承载了数据和传统的电话信号，它们用不同的频率进行编码：
      • 高速下行信道，位于50kHz到1MHz频段
      • 中速上行信道，位于4kHz到50kHz频段
      • 普通的双向电话信道，位于0到4kHz频段　
    • 电缆因特网接入
    • 住宅通过有线电视公司现有的有线电视基础设施接入因特网
    • 电缆因特网接入需要电缆调制解调器，调制解调器把HFC网络划分为上行和下行两个信道，两个信道通常不对称，下行传输速率比上行高
    • 电缆因特网接入的一个重要特征：共享广播媒体。即多个用户同时下载文件，每个用户接收文件的实际速率将大大低于电缆总计的下行速率，另一方面，如果有很少活跃用户使用，每个用户都可以以全部的下行速率接收，上行信道也是共享的。
    • 光纤到户（FTTH，一种新兴技术）
    • 光纤分配有两种竞争性的光纤分布体系结构：有源光纤网络（AON）、无源光纤网络（PON）
    • PON:每个家庭具有一个光纤网络端接器（ONT)，它有专门的光纤连接到邻近的分配器，该分配器把一些家庭（通常少于100）集结到一根共享的光纤，该光纤再连接到本地电话和公司的中心局中的光纤线路端接器（OLT）,OLT提供了光信号和电信号之间的转换，经过本地电话公司路由器与因特网相连。
    • FTTH有潜力提供每秒千兆比特范围的因特网接入速率
    • 拨号和卫星
    • 在无法提供DSL、电缆和FTTH的地方可以使用卫星链路与因特网相连，速率超过1Mbps
    • 使用家庭的调制解调器经过电话线接入因特网，拨号为56kbps慢速率
  2. 企业（和家庭）接入：以太网和WIFI
    • 以太网用户与一台以太网交换机相连，以太网交换机或这样相连的交换机网络，则再与更大的因特网相连。
    • 越来越多的人用便携机、智能手机等其他物品无线接入因特网，无线用户从/到一个接入点发送/接收分组，该接入点与企业网连接，企业网再与有线因特网相连，一个无线局域网用户通常必须位于接入点的几十米范围，称为WIFI
  3. 广域无线接入：3G和LTE
    • iPhone和安卓等设备在移动中接收或发送数据，通过蜂窝网提供商运营的基站来发送和接收分组。与WIFI不同的是，用户仅需要位于基站数万米范围内

 物理媒体（传输介质）

  • 物理媒体是指在网络中传输信息的载体，分两种类型：导引型媒体、非导引型媒体
  • 对于导引型媒体，电波沿着固体媒体前行，如光缆、双绞铜线、同轴电缆。
  • 对于非导引型媒体，电波在空气或外层空间中传播，如无线局域网或数字卫星频道。
  • 双绞铜线
    • 最便宜最常用的导引型传输媒体，双绞线由两根绝缘的铜线组成，每根约1mm粗，以规则的螺旋状排列，通过两根线的绞合以减少邻近类似的双绞线的电气干扰。通常许多双绞线捆扎一起形成一个电缆，并在外面覆盖上保护性防护层，一对电线构成一个通信链路。无屏蔽双绞线常用于建筑内部，即局域网中，速率从10Mbps到10Gbps。所能达到的数据传输速率取决于线的粗细以及传输双方的距离。
  • 同轴电缆
    • 与双绞线类似，由两个铜导体组成，但是这两个导体同心而不是并行，借助这种结构及特殊的绝缘体和保护层，同轴电缆能达到较高的数据传输速率。同轴电缆在电缆电视系统中相当普遍，与电缆调制解调器结合，可以为用户提供数十Mbps速率的因特网接入。
  • 光纤
    • 光纤是一种细而柔软，能够导引光脉冲的媒体，每个脉冲表示一个比特。光纤能够支持极高的比特速率，高达数十甚至上百Gbps。它们不受电磁干扰，光缆信号衰减极低，并且难以被切听，这些特征使得光纤成为长途导引型传输媒体，特别是跨海链路
  • 陆地无线电信道
    • 无线电信道承载电磁频谱中的信号，它不需要安装物理线路，并具有穿透墙壁、提供与移动用户的连接以及长距离承载信号的能力。无线电信道极大依赖于传播环境和传输距离。
    • 陆地无线电信道能大致划分三类：一类运行在很短距离（如1米到2米）；另一类运行在局域，通常跨越数十到几百米，第三类运行在广域，跨越数万米。
  • 卫星无线电信道
    • 通信中通常使用两类卫星：同步卫星和近地轨道卫星，卫星具有280ms信号传播延时，不过可以以数百Mbps速率为其他无法接入因特网的地区使用

网络核心

  • 既由互联因特网端系统的分组交换机和链路构成的网状网络
  • 通过网络链路和交换机移动数据有两种基本方法：电路交换和分组交换
  • 电路交换
    • 电路交换在端系统会话期间，预留了端系统间沿路径所需的资源，两个用户要通信之前需要先建立一条专用的物理链路，并且在整个通信过程中始终占用该链路。由于通信的过程中不可能一直在使用传输线路，因此电路交换对线路的利用率很低，往往不到 10%。
    • 链路中的电路是通过频分复用(FDM)或时分复用(TDM)来实现的
    • 对于FDM,链路的频谱由跨域链路创建的所有连接共享。特别是，在连接期间链路为每条连接专用一个频段，在电话网络中，这个频段的宽度通常为4kHz,称为带宽
    • 对于TDM,时间被划分为固定期间的帧，每个帧又被划分为固定数量的时隙。当创建一条连接时，网络在每个帧为该链接指定一个时隙，这些时隙由该链接专门使用。

 对于TDM,一条电路的传输速率等于帧速率乘以一个时隙中的比特数量。例如，如果链路每秒传输8000个帧，每个时隙由8个比特组成，则每条电路的传输速率为8000*8=64kbps。

  • 分组交换
    • 在网络应用中，端系统彼此交换报文。报文能够包含协议设计者需要的任何东西，为了从源端系统向目的端系统发送一个报文，源将长报文分为较小的数据块，称之为分组。在源和目的地之间，每个分组都通过通信链路和分组交换机传送。交换机主要有两类：路由器和链路层交换机。分组以等于该链路最大传输速率的速度通过通信链路，因此，经过一条链路发送一个L比特的分组，链路的传输速率为R比特/秒,则时间为L/R.
    • 存储转发
      • 多数分组交换机在链路的输入端使用存储转发传输机制。路由器在转发前需要接收、存储和处理整个分组，不可以一边接收数据一边传输数据。
      • 通过有N条速率均为R的链路组成的路径，则端到端的时延是：

    • 排队时延和分组丢失

      • 每台分组交换机有多条链路相连。对于每条相连的链路，分组交换机具有一个输出缓存，也称为输出队列，用于储存路由器准备发往那条链路的分组。如果到达的分组需要传输都某条链路，但发现该链路正在传输其他分组，则该分组需要在输出缓存中等待，这就是排队时延。这个时延是变化的，取决于网络拥塞程度，因为缓存空间有限，如果一个分组需要在输出缓存中等待却发现其他要等待的分组已经充满了整个缓存空间，这个分组或正在排队之一的分组就会丢失（丢包）。

    • 转发表和路由选择协议
    • 路由器得到分组后会向目标的通信链路转发，那路由器怎么知道要转给谁呢？
    • 不同的计算机网络有不同的方法，其中因特网的方法为：
    • 每个端系统都有一个称为IP的地址，当源主机向目的端系统发送一个分组时，源在该分组的首部包含了目的地的IP地址。路由器检查该分组的目的地址的一部分，并向一台相邻路由器转发，每台路由器有一个转发表，用于把目的地址映射成对应输出链路。而转发表是通过路由选择协议来设置的。

网络的网络

  • 网络把主机连接起来，而互联网是把多种不同的网络连接起来，因此互联网是网络的网络

分组交换网中的时延、丢包和吞吐量

  • 分组交换网中的时延概念
    • 处理时延
      • 主机或路由器收到分组时进行处理所需要的时间，例如分析首部、从分组中提取数据、进行差错检验或查找适当的路由等。
    • 排队时延
      • 分组在路由器的输入队列和输出队列中排队等待的时间，取决于网络当前的通信量。
    • 传输时延
      • 主机或路由器传输数据帧所需要的时间。时延为L/R,其中 L 表示数据帧的长度，R表示传输速率。
    • 传播时延
      • 电磁波在信道中传播所需要花费的时间，电磁波传播的速度接近光速，大概为2*108-3*108m/s,取决于该链路的物理媒体，时延为d/s，d是两个路由器之间距离，s是传播速率

    • 时延

      • 总时延 = 传输时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
  • 计算机网络中的吞吐量
    • 主机A传输文件给主机B,在任何时间瞬间的瞬时吞吐量是主机B接收该文件的速率，如果文件大小为F比特，主机B接收所有比特时间为T，则平均吞吐量为F/Tbps
    • 在两个端系统之间由多个链路形成路径，每个链路的传输速率为R1,R2,R3......RN。传输速率最小的那一条链路就是瓶颈链路

协议层次及其服务类型

  • 分层的体系结构
    • 协议分层
    • 为了给网络协议的设计提供一个结构，网络设计者以分层的方式组织协议，每个协议属于这些层次之一，某层向它的上一层提供服务，即所谓一层的服务模型

      各层的所有协议被称为协议栈

    • 因特网的五个层次
      • 应用层
        • 应用层是网络应用程序及它们应用层协议存留的地方，例如：HTTP、SMTP、FTP......。应用层协议分布在多个端系统上，。两个端系统通过应用程序协议交换信息分组，这种分组的数据单位为报文。
      • 运输层
        • 为进程提供通用数据传输服务。由于应用层协议很多，定义通用的传输层协议就可以支持不断增多的应用层协议。运输层包括两种协议：传输控制协议 TCP，提供面向连接、流量控制、拥塞控制机制、可靠的数据传输服务，数据单位为报文段；用户数据报协议 UDP，提供无连接、无可靠性、无流量控制、无拥塞控制机制、尽最大努力的数据传输服务，数据单位为用户数据报。TCP 主要提供完整性服务，UDP 主要提供及时性服务
      • 网络层（IP层）
        • 该层的分组称为数据报，为主机提供数据传输服务。而传输层协议是为主机中的进程提供数据传输服务。网络层把传输层传递下来的报文段或者用户数据报封装成分组。
      • 链路层
        • 因特网的网络层通过源和目的地之间的路由器用传输数据报，而链路层就是为网络层服务，网络层把数据报下传到链路层，链路层沿路径将数据报传输到下个节点，在该下个节点，链路层将数据报上传到网络层。数据链路层把网络层传下来的分组封装成帧。
      • 物理层
        • 考虑的是怎样在传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是尽可能屏蔽传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到这些差异。
    • 封装
    • 一个应用层报文被传送到运输层，在最简单的情况下，运输层收取该报文并在首部附上附加信息（差错检测位信息，该信息让接收方能判断报文中的比特在途中是否已被改变），即下图的H1，封装成报文段，再往下传到网络层，网络层也在首部增加附加信息Hn（如源和目的地的端系统地址），封装成了网络层数据报，再下传，链路层也增加了首部信息，封装成链路层帧。所以在每一层的分组有两种类型字段：首部字段和有效载荷字段（上一层的分组）。
    • OSI模型
      • 在五层协议中添加了表示层和会话层
      • 其中表示层和会话层用途如下：
      • 表示层 ：数据压缩、加密以及数据描述，这使得应用程序不必关心在各台主机中数据内部格式不同的问题。
      • 会话层 ：建立及管理会话。
      • 五层协议没有表示层和会话层，而是将这些功能留给应用程序开发者处理。

 

 

服务模型
[Fúwù móxíng]
Service model
posted @ 2021-04-17 00:39  夜灯长明  阅读(219)  评论(0)  编辑  收藏  举报