1.概论

1.1 什么是Internet?

网络
计算机网络：连网的计算机所构成的系统
方的 端系统（操作系统， 能够通信的网络应用进程、笔记本、电脑 等等 end system| host）
圆的 网络交换设备（交换机，路由器，负载均衡设备）
链路层的交换机，网络层的路由器

互联网

从具体构成角度

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：路由器间的链路

协议

终端设备

什么是协议？

人类协议:

• “几点了？”
• “我有个问题”
• 你好

…发送特定的消息
… 收到消息时采取的特定行动或其他事件

网络协议:

• 类似人类协议
• 机器之间的协议而非人 与人之间的协议
• Internet 中所有的通信行为都受协议制约

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

互联网：分布式应用和为分布式应用提供通讯服务的基础设施

1.2 网络边缘

网络边缘：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（Transmission Control Protocol ）

• Internet上面向连接的服务
  TCP 服务 [RFC 793]
  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

1.3 网络核心

数据交换

电路交换

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

• 频分(Frequencydivision multiplexing)
• 时分(Time-division multiplexing)
• 波分(Wave-division multiplexing)

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

分组交换

换取了共享性，按需使用

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塞：分组延时和丢失
• 对可靠地数据传输需要协议来约束：拥塞控制

Q: 怎样提供类似电路交换的服务？

• 保证音频/视频应用需要的带宽
• 一个仍未解决的问题(chapter 7)

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：

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
   Internent
2. 虚电路网络：
   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
   路由器维持每个呼叫的状态信息
   X.25 和ATM

数据报(datagram) 的工作原理

每个分组都带有目标主机的完整地址，传递都是独立的。

虚电路(virtual circuit)的工作原理

每个交换节点中有个相应的标识。每个分组，带一个虚电路号

网络分类

1.4 接入网和物理媒体

住宅接入：modem

接入网: digital subscriber line (DSL)

接入网: 线缆网络

住宅接入：电缆模式

接入网: 家庭网络

物理媒体

1.5 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2个端系统可相互发送分组到对方
 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动的
 让我们采用渐进方法来描述当前互联网的结构






ISP提供接入，网络
ICP提供内容提供商，业务

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

 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

Internet结构：network of networks

• 经济考虑：少付费
• 用户体验：更快

1.6 分组延时、丢失和吞吐量

分组丢失和延时是怎样发生的？

四种分组延时

Internet的延时和路由

吞吐量

1.7 协议层次及服务模型

协议层次

大问题拆解成小问题，好操作

• 通过层间接口，向上层提供服务
• 对等层的协议实体，通过协议来交换信息

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的通信的能力
 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—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；
 例子: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
 例子:传输层的SAP: 端口(port)

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( Connection-oriented Service) TCP
 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：网络层的连接被成为虚电路
 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

面向连接的服务和无连接的服务
 无连接的服务(Connectionless Service) UDP
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)
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

服务和协议

服务与协议的区别
 服务(Service)：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(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
 本层实体通过协议为上层提供更高级的服务

数据单元(DU)

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
 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  如改变登机程序并不影响系统的其它部分
 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2个翻译使用的语言也不影响上下2个层次的工作
分层思想被认为有害的地方？

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，可靠或不可靠
 点对对协议PPP, 802.11(wifi), Ethernet
 物理层: 在线路上传送bit

ISO/OSI 参考模型

 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
 互联网协议栈没有这两层!
 这些服务，如果需要的话，必须被应用实现
 需要吗?

表示层和会话层在应用层自己做。在网络协议中

各层次的协议数据单元

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） 数据链路层：帧(frame)
物理层：位(bit)

1.8 历史

早期（1960以前）计算机网络