2022-07-16

计算机网络第一章

全文共: 5.9k字 | 阅读时长: 21分

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计算机网络自顶向下书籍中科大B站课程笔记

第一章概论

目的：了解概念术语、基础工作原理（概念基础）

这一章最重要，特别详细地学习！

什么是Internet ?
什么是协议?
网络边缘
接入网、物理媒体
网络核心：分组交换、线路交换
Internet/ISP 结构
性能：丢包、延时、吞吐量
协议层次、服务模型
历史

1.1 什么是Internet

什么是网络：具体构成的角度

节点和边构成，和大小形状无关。

计算机网络：

节点：1. 主机节点（终端服务器）■；2. 数据交换节点（路由器交换机中继器负载均衡）⚪。
边：链路 1. 接入网链路-主机接数据交换；2. 主干链路-数据交换节点之间
协议：各种规则制定的标准，可以相互配合进行工作。

Internet：互联网-网络的网络； Intranet：企业内网；

互联计算设备：主机/端系统（end system/host）；各种应用程序
通信链路：link-网线/光纤；各种支持的协议——重要指标：带宽bps
分组交换设备：转发分组-路由器交换机（switch）

互联网标准：RFC、IETF

什么是协议

协议：对等层实体在通讯过程中应当遵循的规则集合

对等层实体（网卡、相同协议、相同服务层等等）-peer
包括报文（PDU）格式、次序和动作。语法规范、时序、操作。

什么是网络：从服务角度

分布式应用（应用层以上的主机、网络服务进程）
向应用提供通信服务的基础设施（应用层以下的实体）：面向连接/无连接

graph TD
    A[什么是Internet]-->B[从构成角度]
    B-->B1["节点（主机、数据交换）"]
    B-->B2["边（接入网、主干链路）"]
    A-->C((什么是协议))
    A-->D[从服务角度]
    D-->D1[分布式应用]
    D-->D2[基础设施]

1.2 网络边缘

网络结构（总）

网络边缘：主机、应用程序（客户端和服务器） ——提供服务应用
网络核心：互连着的路由器、网络的网络 ——数据交换（分布式系统）基础设施
接入网、物理媒体：有线或者无线通信链路 ——边缘接入核心基础设施

通信模式

网络边缘——运行的应用程序

client/service 客户端/服务器模式：服务器主，客户端从。请求服务器硬件、计算、数据资源。客户端主动，服务器被动。服务器一直运行，客户端有需要去请求。——主，从模式。可扩展性差，请求载荷增加性能断崖式下降。
peer-peer 对等模式：每个节点即时客户端又时服务器，数据存储是分布式的，通信也是分布式的。——文件分发系统，可扩展性强。

面向连接服务

目标：在端系统之间传输数据——通信之前握手打招呼，存储栈、协议栈、资源栈做好准备。连接建立状态。

与有连接服务的区别：

通信状态在端系统之中维护，网络不知道。——面向连接的服务
通信状态在经过的各个节点都知道。——有连接的服务

典型-TCP 服务：

可靠、保序：不出错、不重复、不丢失、不乱序。——靠协议自己的努力：缓存、编号、确认、重传（占用时间空间资源）
流量控制：协调处理数据速度不同的两个设备协同工作。
拥塞控制：路径堵了以后主动降低速度。

无连接服务

目标：在端系统之间传输数据——通信前不打招呼，直接连接。

典型-UDP服务：

无连接
不可靠数据传输
无流量控制
无拥塞控制

UDP：实时多媒体应用、速度型应用。流媒体、远程会议、 DNS、 Internet电话

TCP：HTTP (Web), FTP (文件传送), Telnet (远程登录), SMTP (email)。

graph TD
    A[网络边缘]-->B[通信模式]
    B-->B1["客户端/服务器模式"]
    B-->B2["对等-端到端模式"]
    A-->D[服务种类]
    D-->D1[面向连接-TCP]
    D-->D2[无连接-UDP]

1.3 网络核心

问题：怎么实现？电路交换（预留专有线-跑腿服务）、分组交换（存储转发-发快递）

电路（线路）交换

通过信令系统分配一条独享的线路。端到端的资源被分配给从源端到目标端的呼叫 “call”。——电话线路网络

——性能有保障，但是会有资源浪费。

通过复用的方法把线路资源进行分配：时分多路TDM、频分多路FDM、波分多路WDM、码分多路CDM。——划分为资源片（带宽等）

练习题：计算每个资源片的速率，计算传递时间，加上建立连接时间。有时候计算对方收到的时间的话，需要加上信号传播的时间-传播延迟（物理距离/信号速度）。

对于计算机来说好多时候请求是突发的，对带宽的需求不均匀。对建立连接的实时性要求高，所以不适合使用这种方式。

分组交换

分组存储转发方式：

每一条通信时不再分成资源片piece，使用全部带宽。
主机之间传输的数据被分为一个个的组packet。
存储-转发：避免大数据传输占用带宽成为独享。
1. 收到整个packet才转发。
2. 延迟比线路交换大。（坏处）
3. 按需使用，共享性。（好处）
4. 存在排队机制，不使用的时候不占用网络资源。

举例：

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 。计算需要几次存储、转发，乘这个系数。

注意：计算时不要把发送和接收都算进去，发的同时就在收。

排队延迟和丢失：

如果到达速率>链路的输出速率时，分组要排队，缓存队列用完的话会被抛弃。

网络核心的关键功能：转发（局部）、路由（全局）。

转发：查路由表决定往哪传。
路由：根据当前状态计算维护路由表。

统计多路复用：其实也是划分时间片，但是划分不均匀，模式不是固定的。

二者对比

同样的网络资源，分组交换允许更多用户使用网络！——支持同时使用的用户数更多，可以用计算的方式证明。是9而不是10的原因是不能完全占满，流量强度100%的时候没有任何裕量会挂。

分组交换是“突发数据的胜利者”

适合突发式数据传输，资源共享、不用呼叫。
过度使用会造成网络拥塞：分组延时和丢失。需要拥塞控制。
提供类似电路交换的服务：仍未解决。

分组交换分类

根据网络层是否建立连接分为两种：

数据报网络：数据报携带目标主机完整地址。（寄信）——不同分组路由可以改变，可能会失序。
虚电路网络：需要进行握手，每个分组携带虚电路号。——建立以后路径保持不变，查询虚电路号存储转发即可。虚电路连接体现在中间所有经过的所有节点上。

graph TB
    A[网络核心]-->B[电路交换网络]
    B-->B1[FDM]
    B-->B2[TDM]
    B-->B3[WDM]
    B-->B4[CDM]
    A-->C[分组交换网络]
    C-->C1[虚电路网络]
    C-->C2[数据报网络]

1.4 接入网和物理媒体

接入网

把边缘设备接入网络核心的网络（将端系统和边缘路由器连接）：住宅接入网络、单位接入网络；无线接入网络（局域、广域）。

重要指标：带宽bps（bits per second每秒多少位）、共享/专用。

住宅接入

住宅接入-电话公司：直接利用电话线网络拨号上网，“猫”modem/调制解调器，4kHz，调频调幅调相综合调制。带宽很窄，56Kbps及以下，无法同时打电话和上网。

digital subscriber line (DSL)-电话公司：上下行不对称-ADSL。0-4K语音通话，4K以上一块上行一块下行，在各自的频段进行调制解调。可以边打电话边上网，使用ADSL猫。上行1Mbps下行10Mbps。每个用户一个专用线路到CO（central office）。

线缆网络-电视公司：有线电视公司同轴电缆（单向只支持下行），进行双向改造支持上行，某些带宽用于传统电视，一部分上行一部分下行。——共享服务。

特点：

上游光纤，下游同轴电缆。——hybrid fiber coax（混合光纤同轴）。
非对称: 最高30Mbps的下行传输速率, 2 Mbps 上行传输速率。
各用户共享到线缆头端的接入网络：线缆和光纤网络将个家庭用户接入到 ISP 路由器。

电缆模式-电网公司：power modem，我国用的很少。

当今常见接入模式：无线路由设备-路由器、防火墙、网络地址转换、IP分配功能。然后通过连接猫接入运营商，带着WiFi设备一起，支持有线无线接入。具备路由功能、局部交换功能、无线接入功能。

企业接入

通过AP、无线接入点整合所有设备接入交换机端口，通过交换机级联，连接公司路由器接入互联网。(Ethernet-以太网)

无线接入

各无线端系统共享无线接入网络：

WLAN：建筑物内部
无线广域 4G 5G：由电信运营商提供

物理媒体

发送接收节点之间传递bit的介质（光纤、电缆、开放空间传电磁波）

分类：

导引型媒体：有形的介质，信号沿着固体媒介被导引。
非导引型媒体：开放的空间传输电磁波或者光信号。

导引型媒体主要包括：

双绞线 (TP) ：两根绝缘铜导线拧合。
同轴电缆：两根同轴的铜导线。
光纤和光缆：玻璃纤维中传播光脉冲。（在光纤中全反射-单模、多模）

非导引型媒体链路包括：

地面微波
LAN
wide-area
卫星

环境影响：反射吸收干扰，随着距离平方反比，高速衰减。

graph TB
    A[接入网和物理媒体]-->B[接入网]
    B-->B1[住宅接入]
    B-->B2[企业接入]
    B-->B3(有线接入)
    B-->B4(无线接入)
    A-->C[物理媒体]
    C-->C1[导引型媒体]
    C-->C2[无导引型媒体]

1.5 Internet结构和ISP

从演化的角度来看另一种划分方式：一个运营商的网络叫做一个ISP网络。教育网、电信网、银行服务网……通过路由器联系在一起——网络的网络。

端系统通过接入ISPs (Internet Service Providers)连接到互联网。

发展和演化是通过经济的和国家的政策来驱动的

全互联的话需要连接，代价特别大，不可扩展。

演化过程

方法：将每个接入ISP都连接到全局ISP。通过全球ISP经过上行下行可以连接起来——有利可图。

竞争：全局ISP是可行的业务，那会有竞争者，有利可图，一定会有竞争。
合作：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。——IXP-互联网交换点（骨干流量通过此交换点）。
业务细分：将局部ISPs连接到全局ISPs。
ICP-Internet Content Providers：互联网内容服务商（提供上层业务-聊天、搜索、购物等等），可能会在全球各地部署自己的机房，构建自己的网络，一般部署在离ISP比较近的地方。——ISP费用太高成本大。

主要结构

——松散的层次结构，互联是任意的，不稳定可以及时更换链路。

中心第一层ISP：分布广、节点有限、带宽很大。直接与其他第一层ISP相连；与大量的第二层ISP和其他客户网络相连。——Tier1

POP：point-of-presence不对等关系-上下级，低级ISP提供POP接入高级ISP从而接入互联网。
第二层ISP: 更小些的 (通常是区域性的) ISP。与一个或多个第一层ISPs，也可能与其他第二层ISP。——Tier2
第三层ISP与其他本地ISP：local ISP，接入终端。——local

一个分组在跨国传输的时候要经过许多网络。

内容提供商ICP可能会部署自己的网络,连接自己的在各地的DC（数据中心）。连接若干local ISP和各级（包括一层）ISP，提供更快的服务。

连接方式

POP: 高层ISP面向客户网络的接入点，涉及费用结算。
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。
ICP自己部署专用网络，同时和各级ISP连接。

graph TB
    A[Internet结构]-->B[演化过程]
    B-->B1[竞争]
    B-->B2[合作]
    B-->B3[业务细分]
    B-->B4[ICP]
    A-->C[主要结构]
    C-->C1[Tier1]
    C-->C2[Tier2]
    C-->C3[Local]
    A-->D[连接方式]
    D-->D1[POP]
    D-->D2[对等接入]
    D-->D3[IXP]
    D-->D4[ICP]

1.6 分组延时、丢失和吞吐量

丢失和延时是怎样发生的：分组到达链路的速率超过了链路输出的能力，排队等待需要时间，传播需要时间、排队队伍太长被丢弃。

分组延时

分类：（一个hop花费的所有时间-一跳的时间）

节点处理延时：检错、查路由表……
排队延时：输出链路上等待传输的时间。
传输延时：将分组发送到链路上的时间= L/R。
传播延时：d/s 物理长度/速度。

用车队作类比：

过收费站：传输延时。
在路上跑：传播延时。

信道容量：广域网打出去数据在路上，容量大；局域网还没发完对方就收到了，信道容量小。

节点延时：

排队延时取决于流量强度：

R=链路带宽 (bps) L=分组长度 (bits) a=分组到达队列的平均速率。流量强度越接近1，排队延时越接近无穷大（分组会丢失）。

延时和路由：测试往返时延-RTT(Round-Trip Time)

基于ICMP(Internet Control Message Protocol)协议。IP包的头里面有很多载荷信息，包括TTL（生存时间），过一个节点TTL减一，减到0的时候把它抛掉，并且通知源主机。测试的时候把TTL设置为1，到第一个节点的时候被删除获得通知，收获往返延时。怎么知道到达目标主机？目标端口没有应用进程，目标主机发送“目标端口不可达”报文，得到发送到目标主机的往返延时。

举例，gaia.cs.umass.edu to www.eurecom.fr。发送三次测试，返回每一挑的往返时延。7到8时延极具增加，应该是因为非常远，跨国跨大洋，延时陡增。到第17以后，探针丢失，路由器不响应。

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。——线路可靠，上节点重传；线路不可靠，源主机重传。以太网就不可靠，链路层可靠。

吞吐量

分类：瞬间-某一时间点的速率、平均-长时间的平均值

瓶颈链路：端到端路径上，限制端到端吞吐的链路。最细的部分——木桶效应。

仅有两个设备在通信时，端到端平均吞吐： $，$

多个设备同时使用时，端到端吞吐：，每段都取决于当时同时使用的连接数量。

graph TB
    A[网络性能]-->B[分组延时]
    B-->B1[处理]
    B-->B2[排队]
    B-->B3[传输]
    B-->B4[传播]
    A-->C[分组丢失]
    A-->D[吞吐量]
    D-->D1[瞬间]
    D-->D2[平均]

1.7 协议层次及服务模型

互联网是一个异常复杂的大系统：人类历史上最大的人造系统之一。需要使用模块化、分层方式来设计实现。

协议层次

示例：航线系统、异地哲学家的相互交流（说不同语言）：秘书-传递、翻译-转换、哲学家-应用层。

每层实现一个或一组功能，非常明确。层之间交换PUD（协议数据单元）。

服务是功能的子集，利用自己的功能为上层提供服务。对等层实体通过协议交换信息（通过接口访问下层服务）。

实现协议要通过下层服务，协议的目的是和对等层交换信息更好地为上层服务。越往上功能越高级，越往下功能越具体。本层能向上层提供的服务包括了下面所有层能提供的所有服务加自己所增加的新的服务。

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的通信的能力。

实体分为两类：服务用户（上层）、服务提供者（下层）。提供者向用户提供服务，提供服务的位置是访问点。

服务访问点 SAP (Services Access Point) ：上层使用下层服务的层间接口点。用于区分上层用户。IP/端口……

提供服务的形式：原语(primitive)，如socket API的各种函数，抽象成原语，是服务真正实现的形式。

服务的类型

面向连接的服务和无连接的服务（前面讲过）

面向连接：要进行握手做好准备。建立连接，通信，拆除连接。如TCP、虚电路，传大型数据。

无连接：寄信、UDP。

服务和协议

区别：服务是垂直的关系、协议是水平关系。

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)

SDU：服务数据单元（上层要传的数据） ICI：接口控制信息 IDU：SDU+ICI 接口数据单元

PDU：协议数据单元（本层之间要传的数据）SDU+本层控制信息。注意IDU通过接口以后舍掉ICI。

如果SDU特别大，可能会把它拆开分别加上本层头部封装成PDU；如果SDU很小也可以多个合并成一个PDU。

一对一、一对多、多对一几类情况。

不同层PDU名字不同：应用报文、报文段、分组/IP数据报、帧……

讨论：分层的好处

每个功能独立实现、便于采用新的技术、便于交流和讨论。

层次化解决复杂问题：把任务拆分为不同层次解决、便于引入新技术。缺点效率低。

Internet 协议栈

物理层：把数字数据转换为物理信号，在线路上传送bit，接收发来的物理信号转为数字信号。
链路层：相邻两点之间传输以帧为单位的数据。PPP, 802.11(wifi), Ethernet。
网络层：传输以分组为单位的源主机到目的主机端到端的传输。（转发、路由）IP
传输层：作进程到进程的区分，把不可靠变为可靠。以报文段为单位。TCP, UDP
应用层：实现各种各样的网络服务。FTP, SMTP, HTTP,DNS

ISO/OSI 参考模型

和TCP/IP架构模型的区别：多了表示层、会话层。表示转换、会话管理。

互联网协议栈如果需要的话由应用层自己实现。

封装和解封装

“直接通信”是抽象的，并不是真正直接传过去的，通过底层才能实现。

交换机只涉及链路层、物理层（两层）。路由器涉及网络层、链路层、物理层（三层）。

封装：层层加头部信息；解封装：层次去掉头部信息还原原始PDU。

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)/数据报（如果无连接方式：数据报datagram）
数据链路层：帧(frame)
物理层：位(bit)

graph TD
    X[协议层次]-->X1[两个例子]
    X-->X2[层次化好处]
    X-->X3[协议栈]
    X3-->X3-1[Internet]
    X3-->X3-2[ISO/OSI]
    X-->X4[协议数据单元]
    X4-->X4-1[封装解封装]
    Y((区别联系))
    A[服务模型]-->B[定义]
    B-->B1[用户和提供者]
    B-->B2[原语]
    B-->B3[服务访问点]
    A-->C[类型]
    C-->C1[面向连接]
    C-->C2[无连接]

1.8 历史（了解）

1960以前早期

线路交换网络：建立时间过长、资源独享浪费、可靠性不高。

1961-1972 分组交换

ARPAnet第一个分组交换网络。每个节点既是源、目的，也是数据交换节点。

NCP协议：相当于TCP/IP协议。同时包括传输层、网络层。

1972-1980 专用网络

专用网络和网络互联。各种各样的网络各种各样的标准协议。很难进行网络互联。

Cerf and Kahn 网络互联原则：覆盖方法。极简、自治、尽力而为（best effort）、服务模型、无状态的路由器、分布控制。——包容性。只需要在上层软件进行转换改变即可进行连接。

1980-1990 体系结构变化

1983: TCP/IP部署，标记日。将NCP转换为TCP/IP，将主机设备和数据交换设备区分开来。两种节点拆分。

变得非常容易部署应用，便于维护，便于使用。

smtp、DNS、ftp、TCP拥塞控制等协议的提出。

ISO-OSI标准需要重新构建、成本太高、协议太臃肿。——“赢者通吃”

1990-2000 商业化

NSFnet学术交流网络，刚开始是ARPAnet的访问网，后来独立出来。互联网的前身。

UNIX 中TCP/IP的免费捆绑；web应用在超文本（hypertext）、HTML标记语言的基础上于1994年发明-Netscape。

各种杀手级应用，不断部署新应用、扩展网络边界（打补丁）。

2005-现在

数百亿设备、移动终端、IoT（物联网）的时代、宽带接入快速便宜、高速无线接入、移动互联网、云服务。

graph LR
    A[1960前 早期]-->B[1961-1972 分组交换]
    B-->C[1972-1980 专用网络]
    C-->D[1980-1990 体系结构变化]
    D-->E[1990-2000 商业化]
    E-->F[2005-现在]

1.9 小结

什么是互联网、什么是协议、边缘、核心、接入网（交换）、ISP架构、网络性能、层次结构服务模型、历史。

组成角度看：边缘、核心、协议。

服务角度看：通信服务基础设施，面向连接无连接。

分层方式：应用层，传输层，网络层，数据链路层，物理层。报文，报文段，分组，帧，位。

应用交互方式：C/S模式 P2P模式。

数据交换：分组交换线路交换。虚电路、数据报。

ISP层次结构

延迟的组成：处理、传输、传播、排队

分层体系结构：服务、协议、PDU、原语、服务访问点。

第一章 概论