【计算机网络】计算机网络概述

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计算机网络：自顶向下方法（第五版&第七版）学习笔记，第一章计网概述。吐槽一句，这书中文翻译实在有种抽象的美（流汗.jpg）

因特网

许多非计算机连入全球网络，传统理解的计算机网络（Computer Network）应为因特网（Internet），以下从结构和服务两个角度描述因特网

结构描述

  • 连网的设备称主机（host）或端系统（end system）
    • 常被进一步分类为客户（client）和服务器（server）
  • 主机发送的信息被分段修改，称分组（packet）（又称包），通过通信链路（communication link）到达分组交换机（packet switch）
  • 分组交换机：从一条通信链路接收分组，从另一条通信链路发送分组
    • 流行的分组交换机包括路由器（router）（一般用于网络核心中）和链路层交换机（link-layer switch）（一般用于接入网）
  • 分组所经历的系列通信链路和分组交换机称路径（route，path）
  • 主机通过因特网服务提供商（Internet Service Provider，ISP）（由分组交换机和通信链路组成的网络）接入因特网
  • 信息的接受和发送遵循协议（protocol），因特网主要协议统称TCP/IP（TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议），IP（Internet Protocol，网际协议））
    • 协议定义了通信实体之间交换的信息格式（format）和顺序（order）、发送接收等系列事件的动作

服务描述

  • 分布式应用程序（distributed application）：应用程序运行在各个主机而不在分组交换机中
  • 应用程序之间的通信：主机提供套接字接口（socket interface），规定了发送程序的规则

网络边缘（Network Edge）

网络边缘指前面说的主机（端系统）和其接入网络的部分，主机没什么好说的，这部分主要介绍接入网络的部分

接入网

  • 接入网：将主机物理连接到边缘路由器（edge router） 的网络
  • 边缘路由器：主机与其他任何主机联系路径上的第一台路由器

卫星链路

传统拨号接入，电话线连接到ISP，网速极慢

数字用户线（Digital Subscriber Line，DSL）

用户的本地电话公司作为ISP，电话线是双铜绞线，数据与传统电话信号频分复用（如图所示）

DSLAM：复用器，数字数据（家庭传过去的）与模拟信号的转换

上下行速度不一致

电缆

利用有线电视公司的有线电视基础设施

使用光纤和同轴电缆，一起被称为混合光纤同轴（Hybrid Fiber Coax，HFC）

CMTS：电缆调制解调器端接系统（Cable Modem Termination System），模拟信号与数字信号转换

特征：共享广播媒体（即共享上下行链路，会存在实际速率慢的问题）

光纤到户（Fiber To The Home，FTTH）

  • 本地中心局连网线路径到家庭

  • 直接光纤（拉到家里）

  • 竞争性光线分布体系结构

    • 有源光纤网络（AON）（交换以太网，第六章）
    • 无源光纤网络（PON）
      • 光纤网络端接器：ONT
      • 光纤线路端接器：OLT

以太网（Ethernet）

  • 局域网（LAN）的一种，常用于企业和校园
  • 双铜绞线+以太网交换机

WiFi

  • 通过接入点（access point）发送接收包，接入点与以太网相连
  • 家庭企业都很常见

广域无线技术

通过蜂窝网提供商运营的基站发送接受包

物理媒体（Physical Media）

引导型媒体（guided media）

  • 电波延固体媒体前行，相比之下成本小
  • 双铜绞线（Twisted Copper Wire）
    • 电话网
    • 无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP），常用在LAN中
  • 同轴电缆（Coaxial Cable）
    • 铜导体同心，电缆电视中常见，频分复用
  • 光纤（Fiber Optics）
    • 引导光脉冲，不受电磁干扰，难窃听，常用作长途引导，成本高

非引导型媒体（unguided media）

  • 电波在空气空间中传播
  • 无线电有引导型的；微波、LAN、WideArea、卫星
  • 陆地无线电信道（Terrestrial Radio Channels）
  • 卫星无线电信道（Satellite Radio Channels）

网络核心（Network Core）

包括电路交换（circuit switching）和分组交换（packet switching）

分组交换

  • 分组（包），主机交换报文（message）（可能是功能或数据）
  • 源（source）将长报文划分成小数据块，即包，每个包通过分组交换机传送

规定：存储转发传输（store-and-forward transmission）

  • 多数交换机必须接收到完整的包才可以向输出链路传输
  • 时延d端到端=NLRd_\text{端到端}=N\frac{L}{R} ，NN 条速率为 RR 的链路组成的路径，LL 为信息大小

问题：时延、丢包、吞吐量

丢包

等待某条链路其他分组传输完毕时在输出缓存/队列（output buffer/queue）中。缓存容量有限，缓存满了又来新的，路由器会丢弃（drop）这个分组，导致丢包（packet loss）（丢失的包可能会重传，后面章节的问题）

时延

节点总时延（total nodal delay）=节点处理时延（nodal processing delay）+排队时延（queuing delay）+传输时延（transmission delay）+传播时延（propagation delay）

  • 节点处理时延（nodal processing delay）：检查分组首部并决定分组导向何处、检查比特级别的差错

  • 排队时延（queuing delay）：在链路上等待传输的时间，往往用统计量度量

    • a(pkt/s)a(pkt/s) 为分组到达队列的平均速率，R(bps)R(bps) 为推出比特的速率（链路速度），L(bit)L (bit) 的包，则到达队列的平均速度为 La(bps)La(bps) ，LaR\frac{La}{R} 为流量强度（traffic intensity）
    • 若流量强度大于 11 则队列趋向于无限增加，排队时延趋向无穷大，因此设计系统时流量强度不能 >1>1
    • 流量强度 →0\rightarrow 0 ：几乎没有分组到达且到达间隔时间很长，平均排队时延接近 00
    • 流量强度 →1\rightarrow 1 ：形成队列

  • 传输时延（transmission delay）：将分组的所有比特发射到链路所用时间，=分组长度/链路速度，与路由器之间距离无关

  • 传播时延（propagation delay）：推向链路后向另一个路由器传播的时间，速度取决于链路的物理媒体，与路由器之间距离有关，但与分组长度和链路传输速率无关

吞吐量

  • 瞬时吞吐量（instantaneous throughput）：接收方主机接收文件的速率（bps）
  • 平均吞吐量（average throughput）：文件比特数/主机接收文件所用总时间（bps）
  • 瓶颈链路（bottleneck link）：端到端路径上限制端到端吞吐量的链路，min{Rc,Rs}min\{R_c,R_s\} ，其中 RcR_c 是路由器与客户的传输速率，RsR_s 是服务器与路由器间的传输速率，可近似得到从服务器向客户传文件的时间为文件大小min{Rc,Rs}\frac{\text{文件大小}}{min\{R_c,R_s\}}
  • 现在的因特网中对吞吐量的限制主要是在接入网
  • 一条高速链路如果流量太大也会成为瓶颈链路

方法：转发表（forwarding table）

  • 每个端系统有自己的IP地址
  • 发送包时，源会在包的首部包含目的地的IP地址
  • 路由器检查包的目的地址的一部分，有一个转发表将其映射成输出链路，由该链路转发到相邻的某个路由器
  • 转发表的设置：路由选择协议（routing protocol）

电路交换

  • 电路交换网络预留了资源（缓存、链路传输速率）（分组交换网络是不预留的）
  • 电路交换机（circuit switches）
  • 通信时创建专用端到端连接（end-to-end connection）
  • 每条链路可以有多条电路，通过频分复用（Frequency-Division Multiplexing，FDM）或时分复用（Time-Division Multiplexing，TDM）实现
    • FDM：频段的宽度称带宽（bandwidth）
    • TDM：时间划分成固定期间的帧，帧划分成固定数量的时隙

分组交换 vs 电路交换

  • 电路交换的静默期（silent period） 专用电路空闲，造成浪费
  • 分组交换不适合实时服务，因为端到端的时延可变且不可预测（因为排队时延变动）
  • 分组交换提供比电路交换更好的带宽共享
  • 分组交换更简单、成本更低

网络的网络（Network of networks）

  • 第一种：单一全球传输ISP（tier-1 ISP），是提供商（provider），接入ISP（tier-2 ISP）是客户（customer）
  • 第二种：多个全球传输ISP，之间是互联的，以及接入ISP
  • 第三种：第一层ISP（tier-1 ISP）类似全球传输ISP，区域ISP（regional ISP）与之连接，区域ISP继续套娃区域ISP
  • 第四种：
    • 在第三种上加入存在点（Point of Presence，PoP），存在于底层接入ISP之外的所有ISP中，是提供商网络中的一台或多带路由器群组，与其他ISP的路由器直接相连
    • 任何ISP（除了第一层）可以选择多宿（multi-home）（即与多个ISP提供商相连）
    • 为减少费用，使得同等级结构层次的邻近ISP对等（peer），这样不用向上游付费，也不向对等付费
    • 第三方公司创建因特网交换点（Internet Exchange Point，IXP），使得多个ISP在这里一起对等
  • 第五种：在第四种顶部增加内容提供商网络（content provider network），内容提供商创建自己的网络，与第一层和下面的IXP、区域ISP、接入ISP直接相连，减少了向顶层ISP支付的费用
  • 国内：通信子网（由具体的通信线路和结点交换机构成，主要完成信息分组的传递工作，每个通信节点具有存储转发功能）+ 资源子网（包含所有由通信子网连接的主机，向网络提供各种类型的共享资源。通信子网和资源子网可分别建设）

协议层次（Protocol Layers）和服务模型（Service Model）

  • 网络设计者分层组织协议并实现软硬件，每一层向上一层提供服务
  • 概念化、结构化
  • 协议栈（protocol stack）：各层的所有协议

因特网的协议栈

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	应用层Application --- 运输层Transport --- 网络层Network --- 链路层Link --- 物理层Physical

应用层

  • 网络应用程序及应用协议，分布在多个主机上
  • 分组称报文（message）
  • 例如HTTP（提供Web文档的请求和传送）、SMTP（电子邮件报文的传输）、FTP（两个端系统之间的文件传送）

运输层

  • 在应用程序端点之间传送应用层报文
  • 这层的分组称报文段（segment）
  • 例如：TCP（提供面向连接的服务，确保传递和流量控制，将长报文划分成短报文，提供拥塞控制机制）、UDP（提供无连接服务）

网络层

  • 运输层协议向网络层递交报文段和目的地址，从一台主机传到另一台主机
  • 这层的分组称数据报（datagram）
  • 例如：网际协议IP（定义数据报中各个字段及主机和路由器如何作用于这些字段）
  • 也称IP层，反映了是这层将因特网连接在一起

注：RFC文档中将运输层UDP的分组、网络层的分组均称数据报，这本书为了区分将运输层的分组统称报文段，网络层分组称数据报

链路层

  • 链路层将网络层的数据报传给下一个链路节点，在下一个节点传给网络层，服务取决于链路的特定协议
  • 例如：以太网、WiFi、电缆接入网的DOCSIS协议
  • 分组称帧（frame）

物理层

  • 把帧中的一个个比特移动到下一个节点，协议不同移动方式不同
  • 例如：关于双铜绞线、同轴电缆、光纤等的协议

OSI模型

  • Open System Interconnect，开放系统互连参考模型
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	应用层Application --- 表示层Presentation --- 会话层Session --- 运输层Transport --- 网络层Network --- 链路层Link --- 物理层Physical
  • ISO的标准
  • 表示层：使通信的应用程序能够解释交换数据的含义，如数据压缩、加密、描述（处理内部格式不同）
  • 会话层：提供数据交换的定界和同步功能，如建立检查点和恢复方案

封装

  • 每一层的分组：首部字段（header fields）+有效荷载字段（payload field）（来自上一层）
  • 层层封装

分层的原因（？）

  • 为更好的处理复杂的系统，分层后模块化也便于维护