1 计算机网络概论 · Zwing's blog

杂糅了中科大（学习过程）与南大（考前复习）的课件而成的笔记，排版与质量可能不保证

1 Internet

1.1 具体构成角度

节点
- 主机及其上的应用程序
- 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、互联计算设备：

主机 = 端系统
在边缘运行着网络应用程序

分组交换设备：转发分组（数据块）

路由器，交换机，SDN 交换机

通信链路

光纤、同轴电缆、无线电、卫星
传输速率 = 带宽（bps）

网络

设备的结合，路由器、链路：被一些机构所管理

互联网：“网络的网络”

互联着的 ISPs

协议

控制着（各层）报文的发送和接收

1.2 协议

网络协议

标准：所有互联网中的通信行为都被协议所控制

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次序，以及在报文传输/接收或其他时间方面所采取的动作

1.3 从服务的角度

基础设施为应用提供服务
- 远程应用借助基础设施提供的服务，交互报文，实现应用
为分布式应用提供编程接口
- 允许发送/接收进程接到接口上，使用基础设施（互联网传输层）提供的服务
- 有不同的服务，类似于邮政服务（面向连接、无连接）
- 应用之间交互的方式：P2P、C/S

1.4 网络结构

网络边缘
- 主机
- 应用程序（客户端和服务器）
网络核心
- 互联着的路由器
- 网络的网络
接入网、物理媒体
- 有线或者无线通信链路

2 网络边缘

端系统（主机）
- 运行应用程序
- 如 Web、email
- 在 “网络的边缘”

2.1 应用程序之间的通信模式

客户端/服务器模式（C/S）
- 客户端主动向服务器发起请求
- 服务器被动等待并响应客户端的请求
- 主从关系
对等模式（P2P）
- 很少甚至没有专门的服务器
- 对等体既是客户端又是服务器

基础设施为应用程序提供的两种服务：

2.2 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
- 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
- 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，发送方降低发生速率

使用 TCP 的应用：

HTTP（Web）、FTP（文件传送）、 Telnet（远程登录）、SMTP（email）

2.3 采用基础设施的无连接服务

目标：在端系统之间传输数据

UDP：用户数据报协议（User Datagram Protocol）
- 无连接（没有握手）
- 不可靠
- 无流量控制
- 无拥塞控制

使用 UDP 的应用：

流媒体、远程会议、DNS、Internet 电话

3 网络核心

网络核心：路由器的网状网络

基本问题：数据怎么通过网络从源主机传输到目的主机？

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
- 数据被分成分组
- 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）

3.1 电路交换

端到端的资源被分配给从源端到目标端的呼叫

独享资源，不同享
- 每个呼叫一旦建立起来就能够保证性能
如果呼叫没有数据发送，被分配的资源就会被浪费
通常被传统电话网络使用

alt text

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（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（FDM）
时分（TDM）

alt text

电路交换不适合计算机之间的通信

连接建立时间长
计算机之间的通信具有突发性，若使用电路交换，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被其他呼叫使用
可靠性不高（单点故障）

3.2 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，按序使用

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
- 延迟比电路交换更大
- 排队时间

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 的链路上传输一个 L bit 的分组

存储转发延时 L/R s（整个分组都要到达）
经过 n 个链路（n-1 个路由器）就有 n 个存储转发延时

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（排队延迟不确定）
- 如果路由器的缓存用完了，分组将会被抛弃

路由：决定分组采用的从源到目标的路径

转发：将分组从路由器的输入链路转移到输出链路

3.3 电路交换 vs 分组交换

分组交换允许更多用户使用网络

1 Mb/s 的链路
每个用户
- 活动时 100 kb/s
- 10% 的时间活动（计算机通信具有突发性）

电路交换：最多支持 10 个用户

分组交换：

35 用户时，\(>=10\) 个用户活动的概率为

1 - \sum_{k=0}^{9} \binom{35}{k} (0.1)^k (0.9)^{35-k}=0.004

分组交换是 “突发数据的胜利者？”

适合突发数据传输
- 资源共享
- 简单，不必建立呼叫
过度使用会造成网络拥塞：分组延迟和丢失
- 对可靠地数据传输需要协议来约束：拥塞控制
怎样提供类似电路交换的服务？
- 保证音频/视频需要的宽带

3.4 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，路由可以改变（“问路”）
- Internent
虚电路网络（有连接）：
- 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
- 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

alt text

虚电路的工作原理（查每个节点的虚电路表）略

虚电路网络 “有连接”：不仅是端系统之间的连接，也是路由器（节点）之间的连接
TCP “面向连接”：仅体现在源和目标端系统的 TCP 实体上，中间不维护连接状态

3.5 网络分类

graph
A[通信网络] --> B[电路交换网络]
A --> C[分组交换网络]
B --> D[FDM]
B --> E[TDM]
C --> F[数据报网络]
C --> G[虚电路网络]

4 接入网和物理媒体

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（移动）接入网络

4.1 接入网

住宅接入：modem（已淘汰）

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（复用电话线，运营商无需铺设新线路）

调频
调幅
调相位
综合调制

拨号调制解调器（modem）

不能同时上网和打电话；不能总是在线

digital subscriber line (DSL)

语音，数据在专享线路的不同频段传输

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

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（混合光纤同轴电缆）
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

家庭网络

企业接入网络(Ethernet)

经常被企业或者大学等机构采用
- 现在，端系统经常直接接到以太网络交换机上

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 LANs:
- 建筑物内部 (100 ft)
- 802.11b/g (WiFi)
广域无线接入
- 由电信运营商提供 (cellular)，10’s km
- 1 到 10 Mbps
- 3G, 4G: LTE

4.2 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波或者光信号，在电磁或者光信号中承载数字数据

双绞线 (TP)

两根绝缘铜导线拧合

同轴电缆、光纤

同轴电缆
- 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
- 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
LAN (e.g., WiFi)
wide-area (e.g., 蜂窝)
卫星

5 Internet 结构和 ISP

前面的对 Internet 的划分按照节点和链路的类型：网络边缘、网络核心、接入网

5.1 互联网络结构：网络的网络

端系统通过接入 ISPs（Internet Service Providers）连接到互联网
接入 ISPs 是互联的
- 任何两个端系统可相互发送分组到对方

将每两个 ISPs 直接相连？

不可扩展
需要 \(O(N^2)\) 连接

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

alt text

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

alt text

然后内容提供商网络 (Internet Content Providers, e.g. Google) 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

很多内容提供商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

alt text

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ISPs
松散的层次模型

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

alt text

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

alt text

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

alt text

接入网 (与端系统最近)

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
- 对等接入
ICP自己部署专用网络，同时和各级ISP连接

6 分组延时、丢失和吞吐量

分组丢失：

分组到达链路的速率超过了链路输出的能力
分组到达时，如果没有可用的缓冲区，则该分组被丢掉

6.1 四种分组延时

alt text

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
- 在输出链路上等待传输的时间
- 依赖于路由器的拥塞程度
传输延时（推送完整一个分组）
- 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 = 物理链路长度
- s = 在媒体上的传播速度（~ \(2\times 10^8\) m/s）
- 传播延时 = d/s

节点延时：

d_{nodal} = d_{proc} + d_{queue} + d_{trans} + d_{prop}

原课件未提

排队延时取决于流量强度 La/R (a = 分组到达队列的平均速率)

\(L \cdot a\)：代表单位时间内到达队列的比特总数（入队速度） \(R\)：代表单位时间内队列能处理的比特总数（出队速度）

La/R -> 0: 排队延时小
La/R -> 1: 排队延时大
La/R > 1: 到达队列的速率超过了从该队列输出的速率，排队延时无限大

设计系统时流量强度不能大于 1

Internet 的延时和路由：Traceroute 诊断程序

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

（无限长的队列无意义 -> 排队延时无限大）

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

端到端平均吞吐 \(= min\{R_1, R_2, … , R_n\}\) (受限于瓶颈链路)

alt text

互联网场景的吞吐量

alt text

每个连接上的端到端吞吐: \(min\{R_c, R_s, R/n\}\)

7 协议层次及服务模型

7.1 层次化方式实现复杂网络功能

将网络复杂的功能分层为功能明确的层次，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

分层处理和实现复杂系统的好处：

概念化：结构清晰，便于标示网络组件，以及描述其相互关系
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

7.2 服务和服务访问点

服务：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力
原语：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
服务访问点 SAP：上层使用下层提供的服务通过层间的接口
- 地址：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
- 例子：传输层的 SAP: 端口(port)

7.3 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
- 连接：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：网络层的连接被称为虚电路
- 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
- 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
- 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

7.4 服务和协议

服务与协议的区别
- 服务：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力，是通过原语来操作的，垂直
- 协议：对等层实体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

alt text

7.5 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
- 主机到主机之间的通信，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
- 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

各层次的协议数据单元（DU）

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）
链路层：帧(frame)
物理层：位(bit)

封装与解封装：

alt text

原课件补充

请归类：

– 属于网络边缘的是：A B E G – 属于接入网络的是： D F H – 属于网络核心的是： C I

A 笔记本电脑； B 手机； C 路由器； D 双绞线；E 智能家具； F 无线路由器； G 服务器； H 同轴电缆； I 交换机

电路交换（Circuit Switching）

源端向目标端发送预留请求
交换机在准入控制后创建电路
源端发送数据
源端发送拆除请求

alt text

预留机制在交换机内部建立一条“电路”

• 优点

性能可预测
交换简单/快速（一旦电路建立）

• 缺点

电路建立/拆除复杂
资源专用：流量突发时效率低
电路建立增加延迟
交换机故障 → 其电路也故障

分组交换（Packet Switching）

• 优点

高效利用网络资源
实现更简单
健壮：可以“绕开故障”路由

• 缺点

性能不可预测
需要缓冲区管理和拥塞控制

	电路交换	数据报分组交换	虚电路分组交换
传输通路	专用	非专用	非专用
连续性	连续传输	分组传输	分组传输
带宽	固定	动态使用	动态使用
路由	固定	动态	固定
时延	实时（只有呼叫建立时延）	分组传输时延	分组传输时延 + 呼叫建立时延
扩展性	差（接入用户有上限）	好（用户数量可动态扩充）	较好（用户数量动态，由拥塞控制来保证服务质量）