Computer Network Notes 1：the basic

把老师的 PPT 变成 md 文件之计算机网络第一章计算机网络概述自学笔记

课程来源

bilibili 网课：中科大郑烇、杨坚全套《计算机网络》

什么是 Internet

网络

由节点和边构成的拓扑结构

计算机网络

联网的计算机所构成的系统，包括主机节点 (数据源或数据目标)、数据交换节点 (路由器、中继器、交换机等)、链路

• 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
• 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：路由器间链路
• 协议
  • 对等层实体在通信过程中，应该遵守的规则的集合，包括语义、语法和时序

互联网

数以亿计的、互联的计算设备

• 主机 = 端系统：end system / host
• 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

Internet

TCP、IP 协议建立起的一个网络，也是一种计算机网络。

• 协议控制发送、接收消息：TCP、IP、HTTP、FTP、PPP 等
• 网络的网络：松散的层次结构，互连的 ISP；公共 Internet vs 专用 intranet
• 标准：RFC (Request For Comments)；IETF(Internet Engineering Task Force)

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，以及在报文传输和/或接收或其他事件方面所采取的动作。

从服务角度理解 Internet

• 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 apps 提供服务选择，类似于邮件服务，包括无连接不可靠服务和面向连接的可靠服务

网络边缘

网络结构

网络边缘 (edge)

• 主机
• 应用程序：客户端和服务器

网络核心 (core)：数据交换

• 互连着的路由器
• 网络的网络

接入网、物理媒体 (access)

• 有线或无线通信链路

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/服务模式

• 一种主从模式，可扩展性、可靠性有问题
• 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

• 每个节点既是客户端有时服务器
• 分布式的文件系统
• 很少 (甚至没有) 专门的服务器，如 Gmutella、KaZaA、Emule、迅雷、电驴

面向连接的通信服务

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，为通信准备好相应的资源、设置
• 两个通信主机之间为连接建立状态，端系统维护连接，只有端系统“知道”连接

TCP (Transmission Control Protocol) 传输控制协议 [RFC 793]

• Internet 上面向连接的服务
• 使用 TCP 的应用：HTTP (Web)、FTP (文件传输)、Telnet (远程登陆)、SMTP (Email)
• 可靠地、按顺序地传送数据：确认和重传
• 流量控制：平衡发送方和接收方，发送方不会淹没接收方
• 拥塞控制：了解网络路径情况，当网络拥塞时，发送方降低发送速率

采用基础设施的无连接服务

目标

• 在端系统之间传输数据
• 无连接服务：直接发送，不打招呼

UDP (User Datagram Protocol) 用户数据报协议 [RFC 768]

• 无连接
• 不可靠数据传输
• 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

网络核心

定义

路由器的网状网络

通过网络传输数据的方式

电路交换

为每个预叫预留一条专有电路，如电话网

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
• 要求建立呼叫链接

网络资源 (如带宽) 被分成片

• 可频分 (Frequency-division multiplexing, FDM)，称频段；可时分 (Time-division multiplexing, TDM)，称时间周期片；可波分 (Wave-division multiplexing, WDM)，称波段
• 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)

特点

• 连接建立时间长
• 计算机之间的通信具有突发性，若使用电路交换则浪费片较多
• 可靠性不高 (维护 piece 间的 mapping 关系，若核心节点损毁则会造成大面积瘫痪)

分组交换 (packet switch)

简介

• 将要传输的数据分成一个个单位：分组
• 将分组从一个路由器传到一个相邻的路由器 (hop)，一段段最终从源端到目标端
• 每段：采用链路的最大传输能力 (带宽)

以分组为单位存储 - 转发方式

• 网络带宽资源不再分为一个个片，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：分组每次移动一跳 (hop)
• 在转发之前，节点必须收到整个分组
• 延迟比线路交换大有排队时间
  如果到达速率 > 链路的输出速率，分组将会排队，等待传输；如果路由器缓存使用完，分组将被会抛弃。

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

分组交换的分组没有固定模式，即统计多路复用。

分组交换 vs 电路交换

• 分组交换允许更多用户使用网络
  

*网络强度为 1 时，网络会挂，所以分组交换时用户数不能为 10*

• 分组交换更适合于突发式数据传输：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；对可靠的数据传输需要协议来约束 (拥塞控制)

分组交换网络

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：
(1) 数据报 (datagram) 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
• 即无连接，每一份都独立传送
  • 通信之前无需建立连接，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
• 类似：问路
• eg. Internet

(2) 虚电路 (virtual circuit) 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
• 路由器维护每个呼叫的状态信息
• 即建立网络层的连接，每个交换节点中有相应标识
• eg. X.25 和 ATM

接入网和物理媒体

接入网：怎样将端系统和边缘路由端链接

• 住宅接入网络
• 单位接入网络：学校、公司
• 无线接入网络

重要指标：带宽、共享/专用

住宅接入 (modem)

将上网数据调制加载在音频信号上 (能保证的带宽只有 4 kHz)，在电话线上传输，在局端将其中的数据解调出来；反之亦然。

• 调频
• 调幅
• 调相位
• 综合调制

拨号调制解调器

• 56 Kbps 的速率直接接入路由器 (通常更低)
• 不能同时上网和打电话，且不能总是在线
• 利用已有的线路

Digital Subscribe Line (DSL)：采用现存的到交换局 DLSAM 的电话线

• 语音、数据在专享线路的不同波段传播
• DSL 线路上的数据波传到互联网 (> 4 kHz，上下传输带宽分布不均时称为 ADSL)
• DSL 线路上的数据波传到电话网 (< 4 kHz)
• 传输速率
  • < 2.5 Mbps 上行传输速率 (typically < 1 Mbps)
  • < 24 Mbps 下行传输速率 (typically < 10 Mbps)

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，包括数字电视和上网数据 (上下行)
• 类似的也可以使用电网
• HFC (Hybrid Fiber Coax)：非对称，最高 30 Mbps 的下行传输速率，2 Mbps 上行传输速率
• 线缆和光纤网络将各个家庭用户接入到 ISP 路由器
• 个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))

企业接入网络 (Ethernet)

经常被弃业或大学等机构采用

• 10 Mbps，100 Mbps，1 Gbps，10 Gbps 传输率
• 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)

• 通过基站或接入点

无线 LANs

• 建筑物内部 (100 ft)
• 802.11 b/g (WiFi)：11，54 Mbps 传输速率

广域无线接入

• 由电信运营商提供 (Cellular)：10’s km
• 1 到 10 Mbps
• 3 G，4 G：LTE

物理媒体

• Bit：在传输-接收对间传播
• 物理链路：在每个传输-接收对间跨越的一种物理媒体
• 导引型媒体：信号沿着固体媒介被导引，如同轴电缆、光纤、双绞线
• 非导引型媒体：信号自由传播，如无线电

双绞线 (TP)

• 两根绝缘铜线
• 5 类：100 Mbps Ethernet、Gbps 以太网
• 6 类：10 Gbps

同轴电缆

• 两根同心的铜导线
• 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：点到点的告诉传输，如 10 Gbps ~ 100 Gbps 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：全反射或垂直 (射入角度为零)；单模光纤或多模光纤

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
• 类型
  • 地面微波：up to 45 Mbps channels
  • LAN：WiFi；11 Mbps，54 Mbps，540 Mbps 等
  • wide area：蜂窝；3 G cellular (~ few Mbps)；4 G 10 Mbps；5 G 数 Gbps
  • 卫星：每个信道 Kbps 到 45 Mbps，或者多个聚集信道；270 msec 端到端延迟 (延迟大)；同步静止卫星和低轨卫星

Internet 结构和 ISP

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

• 住宅、公司和大学的 ISPs

接入 ISPs 相应的必须是互联的，因此任何两个端系统可相互发送分组到对方。
导致“网络的网络”非常复杂，发展和演化通过经济和国家政策来驱动。

接入 ISPs 的连接方式

接入 ISPs 之间全连接：即将每两个 ISPs 直接相连，不可扩展，需要 O(n²) 连接

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

如果全局 ISP 事可行的业务，则一定会有不同公司竞争；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

业务细分 (全球接入和区域接入)，区域网络将出现，用于将接入 ISPs 连接到全局 ISPs

内容提供商网络 (Internet Content Provider, eg. 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

• 在全球各地部署自己的网络 (或靠近核心 ISP)，连接自己的数据中心机房 (Data Center)，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
• 少付费，且用户访问更快

在网络的最中心，有一些为数不多的充分连接大范围网络 (分布广、节点有限，但之间有多重连接)

• “tier-1” commercial ISPs (eg. Level 3, Sprint, AT & T, NTT)，国家或者国际的覆盖范围
• content provider network (eg. Google)：将数据中心接入 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

Internet 的结构：松散的层次结构

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

• 直接于其它第一层 ISP 相连
• 与大量的第二层 ISP 和其它客户网络相连

second.png：更小些的 (通常是局域性的) ISP

• 与一个或多个第一层 ISPs 相连，也可能于其它第二层 ISP
• 通过合作拓展网络

第三层 ISP 与其它本地 ISP

• 接入网 (与端系统最近)
• 一个分组要经过许多网络

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
• 多宿 (multi home)：一个低层 ISP 接入多个高层 ISP

对等接入

• 2 个 ISP 对等互接，不涉及费用结算

IXP

• 多个对等 ISP 互联互通之外，通常不涉及费用结算
• 对等接入

ICP

• 自己部署的专用网络
• 同时和各级 ISP 连接

分组延时、丢失和吞吐量

分组丢失和延时如何产生

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
• 缓冲区满，无法进入路由器

分组延时

(1) 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

(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控制

(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 (~ 2 x 10⁸ m / sec)
• 传播延时 = d / s

R and s are very differential quantities

信道容量大，可容纳的分组数量多

节点延时

排队延时

• 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 I = 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

  

Internet 的延时和路由

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，像每个路由器发送 3 个探测分组
  • 路由器 i 将向发送方返回一个分组
  • 发送方队发送和回复之间间隔计时
• ICMP 协议

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

吞吐量

在源端和目标端之间传输的速度 (数据量 / 单位时间)
有效的数量，要从源端确实到达目标端
源到端的吞吐量取决于路径上的最小吞吐量，即瓶颈链路的吞吐量
瓶颈链路：端到端路径上，限制端到端吞吐的链路
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

协议层次和服务模型

网络是一个复杂系统

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
网络有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、软件等
如何规划这样一个复杂系统：模块化、层次化

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
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
在实现本层协议时，直接利用下层所提供的服务
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 (上层可以利用的) 新功能 + 更下层所提供的服务

服务和服务访问点

服务 (Service)：低层实体向上层实体提供它们之间通信的能力

• 服务用户 (service user)
• 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都是通过服务访问原语来进行交互的 —— 提供服务的形式

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 —— 提供服务的地点

• eg. 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
• eg. 传输层的 SAP：端口 (port)
  区分数据要从哪里传到哪里，服务提供者区分不同的服务用户，层间接口

服务的类型

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过程：建立连接 (通信之前先“握手”，为通信分配资源，做好准备) -> 通信 -> 拆除连接
• 例子：网络层的连接被称为虚电路
• 适用范围：更适合传输大的数据块，不适合效地零星报文
• 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：先“握手”)
  • 可靠的字节流 远程登陆
  • 不可靠的连接 数字化声音

无连接的服务 (Connectionless Service)

• 两个对等层实体在通信钱不需要建立一个连接，不预留资源，不需要通信双方都活跃 (例：寄信；通信之前不“握手”)
• 特点：不可靠、可能重复、可能失序
• IP分组，数据包
• 适用范围：传送零星数据
• 服务类型
  • 不可靠的数据报 电子方式的函件
  • 有确认的数据包 挂号信
  • 请求回答 信息查询

服务和协议

区别

• 服务 (Service)：低层实体向上层实体提供它们之间的通信能力；通过原语 (primitive) 操作；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

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

数据单元

SDU：上层要求传输的数据
ICI：接口控制信息，为更加顺利地传过层间接口
IDU = SDU + ICI
PDU：最常见的数据单元；在不同层有不同的名称，如应用报文、分组、数据报、位、帧等

n-PDU的构成形式
n-header：与本层交换数据所需的一些控制信息；其中，n 为层数，第 n 层

• 一对一：SDU + n-header
• 一对多：SDU 的一部分 + n-header (PDU 大小有限，需要将 SDU 分为几个部分)
• 多对一：若干 SDU + n-header

分层处理队实现复杂系统的好处

对复杂的系统
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它层次，对其它层次而言是透明的
• eg. 如果改变登记程序并不影响系统的其他部分

分层的问题：效率相对较低

Internet 协议栈

应用层：网络应用

• 为人类用户或其它应用进程提供网络应用服务
• 完成应用报文之间的交互
• FTP, SMTP, HTTP, DNS
• 协议数据单元：报文 (message)

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
• 完成进程到进程的区分
• TCP, UDP
• 协议数据单元：报文段 (segment)；eg. TCP 段，UDP 数据报

网络层：为数据包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
• 传输以分组为单位的端到端的数据
• IP，路由协议
• 协议数据单元：分组 (packet)；如果无连接方式：数据报 (datagram)

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，可靠或不可靠
• 在相邻两点之间，传输以帧为单位的数据 (Point to Point, P2P)
• 点对点协议 PPP，802.11 (WiFi)，Ethernet
• 协议数据单元：帧 (frame)

物理层：在线路上传送 bit

• 把数据转换成物理信号承载在媒体上传输出去，接收方将物理信号再转换为数据信息
• 协议数据单元：位 (bit)

链路层和物理层协议一般封装在同一张网卡中

ISO/OSI 参考模型

表示层：允许应用解释传输的数据

• 关心数据语义方面的信息和核心内容，而不是关心具体表达、如何编码
• 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

• 会话管理：建立会话、维持会话

Internet 协议栈中没有以上两层，但依靠应用层来实现以上两层实现的功能

封装和解封装