计算机网络学习笔记（I）——概述

第一章—概述

1.1、什么是Internet？

从具体构成角度：

• 节点
  • 主机上运行的应用程序
  • 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
• 数以亿计的、互联的计算设备
  • 主机 = 端系统
  • 运行的网络应用程序
• 通信链路
  • 光纤、同轴电缆、无线电、卫星
  • 传输速率 = 贷宽
• 分组交换设备：转发分组
  • 路由器和交换机
• 协议控制发送、接收消息
  • 如TCP、IP、HTTP、FTP、PPP
• Internet：“网络的网络”
  • 松散的层次结构、互连的ISP
  • 公共Internet 专用internet
• Internet标准
  • RFC：Request for comments（请求评述）
  • IEIF：Internet Engineering Task Force

什么是协议？

• 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，以及在报文传输或接收或者其他方面所采取的动作

从服务角度：

• 使用通信设施进行通信的分布式应用
  • Web、VoIP、Email、分布式游戏
• 通信基础设施为apps提供编程接口（通信服务）
  • 将发送和接受数据的apps与互联网连接起来

1.2、网络边缘

网络结构：

• 网络边缘
  • 主机
  • 应用程序
• 网络核心
  • 互连着的路由器
  • 网络的网络
• 接入网、物理媒体
  • 有线或者无线通信链路

网络边缘：

• 端系统
  • 运行的程序
  • 如We、Email
  • 在“网络的边缘”
• 客户/服务器模式
  • 客户端像服务器请求、接受服务
  • 如Web浏览器/服务器：email客户端/服务器
• 对等(peer—to—peer) 模式
  • 很少（甚至没有）专门的服务器

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
    • 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
  • 可靠的、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

网络边缘：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
  • UDP：用户数据报协议（User Datagram Protocol）
    • 无连接
    • 不可靠数据传输
    • 无流量控制
    • 无拥塞控制

• 使用TCP的应用：

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

• 使用UDP的应用：

  • 流媒体、远程会议、DNS、Internet电话

1.3、网络核心

网络核心：路由器的网状网络

基本问题： 数据怎样通过网络进行传输？

• 电路交换：为每个呼叫预留一条专有电路
• 分组交换
  • 将要传送的数据分成一个个单位
  • 将分组从一个路由器传到相邻的路由器，一段段最终从资源端传到目标端
  • 每段采用链路的最大传输能力（带宽）

电路交换：

电路交换是：建立连接（占用通信资源）—> 通话（一直占用通信资源）—> 释放连接（归还通信资源）

端到端的资源分配给从源端到目标端的呼叫：

• 独享资源：不共享：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

网络资源（如带宽）被分成片

• 为呼叫分片
• 将带宽分片
  • 频分（Frequencydivision multiplexing)
  • 时分（Time-division multiplexing)
  • 波分（Wave-division multiplexing)

分组交换

分组交换：采用存储转发技术。以分组为单位存储—转发，资源共享，按需使用。

• 网络带宽资源不再分一个个片，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
• 存储—转发：分组每次移动一跳

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
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

存储—转化：

• 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，一个长度为L bits的分组的存储转发延时：L/R s

排队延迟和丢失：

• 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
  • 如果路由器的缓存用完，分组将会被抛弃

网络核心的关键功能：路由和转发

• 路由：决定分组采用的源到目标的路径
• 转发：将分组从路由器的输入链路转移到输出链路

1.4、分组延时、丢失和吞吐量

四种分组延时

• 处理延时

  • 检查bit差错
  • 检查分组首部和决定将分组导向处

• 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成程度

• 传输延时

  • R = 链路带宽（bps）
  • L = 分组长度（bits）
  • 将分组转发到链路上的时间 R / L

• 传播延时

  • d = 物理链路长度
  • s = 在媒体上的传播速度（~2* 10 ^ 18）
  • 传播延时：d / s

节点延时

节点延时：$dnodal=dproc+dqueue+dtans+dprop$

d_proc = 处理延时 ：通常是微妙级别或更少

d_queue = 排队延时：取决于拥塞程度

d_tans = 传输延时：=L / R

d_prop = 传播延时：几微秒到几百毫秒

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 = 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该队列输出的速率，平均排队延时将趋向无穷大

分组丢失的原因：链路的队列缓冲容量有限、当分组到达一个满队列时，该分组会丢失、丢失的分组可能会被前一个节点或源端系统重传

吞吐量

==吞吐量：==在源端和目标端之间的传输速率（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{R1, R2, R3, … , Rn}

1.5、协议层次和服务模型

协议的层次：

层次化方式实现复杂网络功能：

• 将网络复杂的功能分层能明确层次，每层实现一个或一组功能，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
• 在实现本层服务的时候，直接利用下层所提供的服务
• 本层的服务：借助下层服务实现本层协议实体之间交互带来的新功能+下层所提供的服务

服务和服务访问点

服务（Service）：底层实体向上层实体提供他们之间的通信能力

• 服务用户（service user）
• 服务提供者（service provide）

原语（primitive）：上层使用下层服务形式，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（Service Access Point）：上层使用下层提供的服务通过层间接口—地点。

• 地址（address）：下层的一个实体支撑着上层的多个实体，SAP由于标志不同上层实体的作用
• 可以有不同的实现队列

服务类型

• 面向连接的服务和无连接的服务方式

  • 面向连接的服务（Connection—orient—Service）

    • 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

    • 例子：网络层的连接被成为虚电路

    • 适用范围：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

      👉可靠的字节流 远程登录

      👉不可靠的连接 数字化声音

  • 无连接的服务（Connectionless Service）

    • 无连接服务：两个对等层实体在通信前不需要建立连接，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

    • 例子：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

• 服务和协议的区别
  • 服务（service）：低层实体向上层实体提供他们之间的通信能力，是通过原语（primitive）来操作的，垂直的
  • 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，水平的
• 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

Internet协议栈

五层协议体系：

• 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之上，细分为进程到进程，将不可靠的通信转变为可靠的通信
  • TCP 、UDP
• 网络层：为数据报从源到目的的选择路由
  • 主机之间的通信，端到端通信，不可靠
  • IP、路由协议
• 链路层：相邻网络节点之间的数据传输
  • 2个相邻2点的通信，点到点通信，可靠或不可靠
  • 点对点协议PPP，802.11（WiFi），Ethernet
• 物理层：在线路上传送bit

ISO/OSI的七层协议体系：

• 应用层：同上
• 表示层：允许应用解释传输的数据，加密、压缩等
• 会话层：数据交换的同步，检查点，恢复
• 网络层：同上
• 链路层：同上
• 物理层：同上

数据的封装和解封装：

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）注：此描述不太准确