计算机网络自顶向下前一章知识点回顾

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1. 计算机网络第一章知识点总结
2. 计算机网络第二章知识点总结
3. 计算机网络第三章知识点总结
4. 计算机网络第四章知识点总结
5. 计算机网络第五章知识点总结
6. 计算机网络第六章知识点总结
7. 计算机网络第七章知识点总结
8. 计算机网络第八章知识点总结

1.因特网构成

1. 终端：
   • 也称主机（host）或端系统（ end system）
   • 运行应用程序
2. 通信链路：
   • 光纤，铜线，电磁波
   • 主要指标为传输速率，也称带宽(bandwidth)
3. 交换设备:
   • 转发分组（packet）
   • 路由器和交换机
4. Internet Service Provider：
   • ISP是由交换设备和通信链路组成的网络，为终端提供因特网接入服务
   • 不同层次的ISP：本地ISP，地区ISP，全球ISP
   • 每个ISP是自治的

1.1协议规定

1. 协议规定了设备之间通信需要遵循的规则：
   • 终端与终端之间
   • 终端与交换设备之间
   • 交换设备与交换设备之间
2. 因特网协议标准：
   • 由IETF组织统一管理，以RFC xxx文档的形式发布
   • 因特网中最核心的两个协议是TCP和IP，因特网协议统称为TCP/IP协议族

1.2因特网的定义

1. 因特网定义一：
   • 由一群遵循TCP/IP协议的ISP，按照松散的层次结构组织而成的网络的网络
2. 因特网的几个特点：
   • 因特网是“网络的网络”
   • 因特网不存在严格的层次结构
   • 因特网没有统一的管理机构
3. 因特网定义二：
   • 因特网是为分布式应用提供通信服务的基础设施
4. 传统通信系统的服务接口：
   • 电话系统：拨号，振铃
   • 邮政系统：邮筒，信箱
5. 因特网提供给应用程序的服务接口：
   • 一组用于在因特网上发送和接收数据的应用编程接口API

小结

1. 因特网定义一：
   • 由一群遵循TCP/IP协议的ISP，按照松散的层次结构组织而成的网络的网络
2. 对于通信功能的实现有指导作用：
   • ISP内部实现
   • ISP之间互联
3. 因特网定义二：
   • 为分布式应用提供通信服务的基础设施
4. 对于服务接口的定义有指导作用：
   • 有序、可靠的数据交付服务
   • 不可靠的数据交付服务

2.网络核心

2. 网络核心：由路由器和链路组成的网状网络
3. 任务：将数据包从发送侧的边缘路由器传送到接收侧的边缘路由器
4. 通信网络中移动数据的两种基本方式：
   • 电路交换(独占信道)：电话网使用
   • 分组交换(复用信道)：计算机网络使用

2.1分组交换

2. 分组交换的过程
   • 主机将要传输的数据分段，并组装成一系列分组
   • 交换：在传输路径上，交换设备从一条链路上接收分组，将其发送到另一条链路上
   • 存储转发：交换设备在接收到完整的分组后，才开始转发
     2.存储转发引入序列化延迟
     • 将一个分组全部推送给到一条链路上，耗时L/R秒
     • 将一个分组从源发送到目的，总耗时=2L/R（不考虑信号传播时间）
     • 3个分组从源终端发送到目的终端，总耗时=4L/R
     • P个分组经过N条链路的总耗时为：(P+N-1)L/R
     • 当P远大于N时，存储转发不会引入过多的延迟
     3. 存储转发引入排队延迟和丢包
        • 排队延迟：分组在输出链路的缓存中排队，引入延迟
        • 丢包：若输出链路的缓存满，溢出的分组被丢弃
        • 当大量分组集中到达时，排队延迟和丢包较严重

2.2电路交换

2. 电路交换: 通话前完成两部电话机之间的电路接续，通话结束后释放整条电路。本质是预留资源和独占资源
3. 概念区分：链路和电路
   • 链路(link)：物理媒体，也称信道(channel)、可以通过某种方式划分成若干条独立的子信道
   • 电路(circuit)：物理媒体中的一条子信道
4. 多路复用
   • 频分复用FDM
   • 时分复用TDM

2.3采用电路交换的文件传输时间

1. 采用电路交换从主机A主机B传输一个640 000bits的文件需要多久？

• 链路带宽为1.536 Mbps
• 时分复用TDM为 24 slots/sec
• 500毫秒建立端到端电路

数据传输速率：$1.536Mbps/24=64kbps$
传输数据的时间：$640kbits/64kbps=10s$
总时间：$500ms+10s=10.5s$
2. 为什么采用分组交换
同样的链路容量，分组交换允许支持更多用户！

• 1Mb/s的链路
• 每个用户：
  • 活跃时可分配到100kb/s
  • 用户有10%的时间活跃
• 采用电路交换时(固定分配)：只能服务固定10个用户
• 采用分组交换(按需分配)：同时有10个用户在线的概率小于0.0004，因此可以服务35个用户

轻负载时，分组交换可以更快地服务用户！

• 1Mb/s的链路
• 如果只有一个用户在线：需要传输1000个1kb的包
• 采用电路交换(固定分配)：需要10s
• 采用分组交换(按需分配)：只需要1s

2.4衡量网络性能的主要指标

1. 延迟: 分组从源终端到达目的终端的时间

2. 丢包率：未成功交付到目的终端的分组比例

3. 吞吐量：单位时间内网络成功交付的数据量、端到端的吞吐量与瓶颈链路的带宽, 以及链路上的负载有关

4. 分组在交换网络中要经历四种延迟：处理延迟，排队延迟，传输延迟，传播延迟

   • 排队延迟的变化范围最大。
   • 当分组到达交换设备时，若输出链路的缓冲队列满，发生丢包。

5. 分组延迟的来源

   • 节点处理延迟 $d_{proc}$:
     • 检查错误、确定输出链路
     • 几个微秒或更低
   • 排队延迟 $d_{queue}$:
     • 在输出缓存等待传输、时间长短取决于链路负载大小
     • 变化范围很大, 取决于链路负载
   • 传输延迟 $d_{trans}$ ：
     • R=链路带宽(bps)、L=包长度(bits)
     • 将分组发送到链路上的时间= L/R (分组序列化时间)
     • 注意区分 L 的单位是字节还是比特
     • 微秒 ~ 毫秒, 主要取决于链路传输速率 R
   • 传播延迟 $d_{prop}$ :
     • d=物理链路的长度、s=中等传播速度(~$2\ast 10^{8}m/sec$)
     • 传播时延=d/s、注意：s 和 R 是非常不同的量级！
     • 几微秒 ~ 几百毫秒, 主要取决于链路长度
       注意区分传输延迟和传播延迟
   • 节点的总延迟 $d_{node}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}$

6. 排队延迟与流量强度

   • R：链路带宽（bps）
   • L：数据包长度（btis)
   • a：平均数据包到达率
   • 流量强度：La/R
     • La/R~ 0：平均排队延迟小
     • La/R -> 1:平均排队延迟大
     • La/R > 1: 到达的请求超出能服务的限额，平均延迟趋近无限大！
     • 

2.4.1 排队与丢包

2. 输出队列的容量是有限的：队列满时，新来的分组被丢弃
3. 队列长度是一个重要的参数：
   • 队列太短：丢包率增大
   • 队列太长：排队延迟增大(也会造成间接丢包！)

2.4.2端到端延迟

1. 端到端延迟：分组传输路径上所有节点的节点延迟之和
2. 对端到端延迟敏感的应用：
   • 高度敏感：实时交互应用:如网络电话、视频会议
   • 中度敏感：在线交互应用、如网页浏览
   • 探测端到端延迟：ping、Traceroute

2.4.3端到端吞吐量

1. 单位时间内接收端成功交付的数据量
   • 瞬时吞吐量：给定时刻的传输速率
   • 平均吞吐量：较长时间内的传输速率
2. 瓶颈链路的带宽限制了端到端吞吐量:
   • 
   • 端到端吞吐量: min(Rc,Rs,R/10)
   • 端到端吞吐量与瓶颈链路的速率、以及链路上的负载有关
   • 

2.5分组交换和电路交换的区别

1. 分组交换统计复用和电路交换中的同步时分复用（TDM），都是让用户轮流使用链路，它们之间的区别是:

   • 统计复用(分组交换)：信道使用模式不固定、用户使用链路的模式不固定
   • TDM(电路交换)：信道使用模式固定、用户使用链路的模式固定

2. 分组交换的优点：资源利用率高，简单(不需要建立连接)

3. 分组交换的缺点：可能产生延迟、丢包，需要设计相应的协议解决

4. 有些应用需要类似电路交换的传输特性，如何提供：音视频应用需要带宽保证，该问题尚未解决

5. 为什么因特网采用分组交换：

   • 分组交换适合突发流量
   • 传统因特网应用(如电子邮件、文件传输)具有突发通信的特点

小结

1. 端系统
   • 调用因特网服务接口，实现分布式应用
   • 因特网中的通信过程对其不可见
2. 接入网
   • 因特网到用户的“最后一公里”，将各类终端接入因特网
   • 关注物理媒体、信号传输技术
3. 网络核心
   • 任务是高效、准确地投递分组到目的地
   • 关注选路、转发、拥塞控制等
   • 延迟、丢包率、吞吐量三个指标，均与负载有关
   • 如何通过调节负载来获得这些指标的平衡，是因特网的重要研究内容之一

3.协议

3.1协议的要素

1. 网络：
   • 发送的特定消息
   • 收到消息时采取的特定操作，或其他事件
2. 网络协议定义了：
   • 通信实体之间交换的报文的格式和次序
   • 在发送/接收报文、或其它事件后采取的动作
   • 掌握计算机网络知识的过程，就是理解网络协议的构成、原理和工作的过程
3. 系统分层：将系统按功能划分成一系列水平的层次，每一层实现一个功能(服务)
4. 层次间服务：每一层的功能实现都要依赖其下各层提供的服务

3.2Internet协议栈

1. 应用层：在应用程序之间传输应用特定的报文（message）如：FTP、SMTP、HTTP
2. 传输层：在应用程序（进程）的网络接口之间传输报文段（segment）如：TCP、UDP
3. 网络层：在源主机和目的主机（终端-终端）之间传输分组（packets）如：IP，routing protocs
4. 链路层：在相邻设备之间传输帧(frame）如：PPP,Ethernet
5. 物理层：在物理媒体上传输比特（bit）
6. ISO/OSI 参考模型: 多两个层次
   • 表示层
   • 会话层

3.3网络功能的分布式实现

1. 某一层上的网络功能，需要该层上的实体（分布在不同的节点）协同完成
2. 协同计算要求功能实体之间能够交互信息，需要解决以下问题：
   • 信息交互的载体是什么：各层上的报文
   • 信息交互的约定：报文格式及语义规定
   • 报文的传输方式：封装和解封装

小结

1. 网络按功能划分层次，每层实现一个功能
2. 在不同系统的同一层上：对等实体执行该层的协议
3. 相同系统的上下层:
   • 调用服务/提供服务
   • 封装/解封装分组
4. 不同系统的不同层
   • 不直接通信

本章小结

1. 计算机网络关注：

• 功能性问题：可达性（选路、转发），正确性（可靠性控制）
• 性能问题：吞吐量，延迟，丢包率
• 安全性问题：基础设施安全，信息安全

3. 重点理解：

• 分组交换：存储转发，设计考虑（利），引入的问题（弊）
  说明：在因特网中使用分组交换而不是电路交换，是一个重大的决定。需要理解这个决定背后的考虑，以及这些决定可能带来的问题，如何解决这些问题则是协议的主要内容
• 网络分层架构：服务，功能，接口，协议，封装

例题

1. 分组在交换网络中需要经历各种延迟，以下哪种延迟对分组的端到
   端延迟贡献最大?
   A. 传输延迟 B. 排队延迟 C. 传播延迟 D. 钝角

2. 以下那种设备运行了完整的协议栈?
   A. 交换机 B. 终端 C. 路由器 D. 钝角

3. 下列选项中, 不属于网络体系结构所描述的内容是 ()
   A. 网络的层次 B. 每层使用的协议 C. 协议的内部实现细节 D. 每层必须完成的功能

4. 协议是以下哪两个实体之间通信时需要遵循的规则？
   A. 不同系统的相同层实体之间 B. 不同系统的不同层实体之间 C. 同一个系统的相邻层实体之间 D. 以上都是

5. 写出至少三种接入网技术。对于每一种接入网技术，指出使用的传输媒体是什么。

   接入网技术：DSL，HFC，以太网，WiFi，3G，…… （写出三种即可）
   DSL使用双绞线，HFC使用光纤和同轴电缆，以太网使用双绞线或光纤，WiFi和3G使用电磁波

6. 分组在交换网络中要经历哪四种延迟？哪种延迟的变化范围最大？什么情况下会出现丢包？

   四种延迟：处理延迟，排队延迟，传输延迟，传播延迟
   排队延迟的变化范围最大。
   当分组到达交换设备时，若输出链路的缓冲队列满，发生丢包。

7. 从高到低列出因特网协议栈的五个层次。主机上运行哪些层次？TCP协议运行在哪个层次？IP协议运行在哪个层次？HTTP协议运行在哪个层次？

   因特网协议栈的五个层次：
   应用层，传输层，网络层，数据链路层，物理层
   主机上运行全部五个层次
   TCP运行在传输层
   IP运行在网络层
   HTTP运行在应用层

8. 分组交换和电路交换中的同步时分复用（TDM），都是让用户轮流使用链路，它们之间的区别是什么？

   分组交换：用户使用链路的模式不固定
   TDM：用户使用链路的模式固定

9. A和B两个终端通过一台分组交换机连接到一起。两段链路的数据速率分别为R1和R2，忽略信号传播时间。A向B连续发送2个长度为L的分组。假设路径上没有其它分组传输，请问从A开始发送到B完整收到2个分组，其间经过了多长时间？（提示：分R1≤R2和R1>R2两种情况考虑）
   若R1≤R2，T = 2L/R1 + L/R2
   若R1>R2，T = L/R1 + 2L/R2