计算机网络

课程内容总结

1. 计算机网络和互联网
2. 应用层
3. 传输层
4. 网络层：数据平面
5. 网络层：控制平面
6. 数据链路层和局域网
7. 网络安全
8. 无线和移动网络
9. 多媒体网络
10. 网络管理

第一章、计算机网络和互联网

1、什么是Internet?

**1.1 从具体构成角度 **

​零件的角度

• 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

1.2 从网络互联设备的角度

• 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，互联的ISP
  • 公共的Internet VS 专用的intranet
• Internet 标准
  • RFC: Request for comments
  • IETF: Internet Engineering Task Force

1.3 协议

定义了在两个或多个通信实体（对等层的实体）之间交换的报文格式和次序，以及在报文传输和/或接受或其他事件方面所采取的动作；

1.4 从服务的角度

• 使用通信设施进行通信的分布式应用
  • Web、VoIP、email、分布式游戏、电子商务、社交平台……
• 通信基础设施为apps提供编程接口（通信服务）
  • 将发送和接收数据的apps与互联网连接起来
  • 为app应用提供服务类型、类似于邮政服务
    • 无连接不可靠服务
    • 面向连接的可靠服务

2、网络边缘

2.1 补充

• 网络结构
  • 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

2.2 网络边缘

• 端系统(主机)
  • 运行应用程序
  • 如Web、email
  • 在“网络的边缘”
• 客户/服务器模式
  • 客户端向服务器请求、接受服务
  • 如Web浏览器 / 服务器：email客户端 / 服务器
• 对等(peer-peer) 模式
  • 很少（甚至没有）专门的服务器
  • 如 Gnutella、KaZaA,Emule
  • 每个节点既是服务器也是客户端，互相请求、分布式系统，无客户 / 服务器模式的缺陷如迅雷等。

2.3 网络边缘：采用网络设施的面向连接服务

1. 目标：在端系统之间传输数据
2. 握手：在数据传输之前做好准备
   • 人类协议中：你好、你好
   • 两个通信主机为连接建立状态
3. TCP-传输控制协议（Transmission Control Protocol）
   • Internet上面面向连接的服务

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

2.4 网络边缘：采用基础设施地无连接服务

1. 目标：在端系统之间传输数据

   1. 无连接服务

2. 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

3. 使用TCP的应用

   • HTTP(Web)，FTP(文件传送)，Telnet(远程登陆)，SMTP(email)

4. 使用UDP的应用

   • 流媒体、远程会议、DNS、Internet电话

3、网络核心

3.1 网络核心

1. 网络核心
2. 基本问题：数据怎样通过网络进行传输
   1. 电路交换
   2. 分组交换
      • 将要传送的数据分成一个个单位：分组（pocket)
      • 将分组从一个路由器传到相邻路由器（hop），一段段最终从源端传送到目标端
      • 每段：采用链路的最大传输能力（带宽）

3.2 网络核心：电路交换

端到端的资源被分配给从源端到目标端的呼叫叫"call"

1. 独享资源：不同享
   • 每个呼叫一旦建立起来就能够保证性能
2. 如果呼叫没有数据发送，被分配的资源就会被浪费
3. 通常被传统电话网络采用

3.3 网络核心：电路交换

为呼叫预留端-端资源

1. 链路带宽、交换能力
2. 专用资源：不共享
3. 保证性能
4. 要求建立呼叫连接
5. 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
     • 时分
     • 波分

3.4 电路交换不适合计算机之间的通信

1. 连接建立时间长

2. 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输，其所占据的片也不能被别的呼叫使用

3. 可靠性不高？

3.5 网络核心：分组交换

1. 以分组为单位存储-转发方式
   + 网络带宽资源不再分为一个个片，传输时使用全部带宽
   + 主机之间传输的数据被分成一个个分组
2. 资源共享、按需使用
   • 存储-转发：分组每次移动一跳（hop)
     • 在转发之前，节点必须收到整个分组
     • 延迟比线路交换要大
     • 排队时间

3.6 分组交换：存储-转发

1. 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
2. 在一个速率为R bps的链路，一个长度为L bits的分组的存储延时：L/R s

3.7 分组交换：排队延迟和丢失

• 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了，分组将会被抛弃

3.7 网络核心的关键功能

1. 路由：决定分组采用的源到目标的路径

   • 路由算法

2. 转发：将分组从路由器的输入链路转移到输出链路

3.8 分组交换 VS 电路交换

同样的网络资源，分组交换允许更多用户使用网络！

分组交换是“突发数据的胜利者？”

1. 适合于对突发式数据传输
   • 资源共享
   • 简单，不比建立呼叫
2. 过度使用会造成网络拥塞：分组延时和丢失
   • 对可靠的数据传输需要协议来约束：拥塞控制

3.9 分组交换网络：存储-转发

1. 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，分为：
   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
      • Internet
   2. 虚电路网络
      • 每个分组都带标签（虚电路标识VCID），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

3.10 数据报（datagram）的工作原理

• 在通信之前，无需建立起一个连接，有数据就传输
• 每一个分组都独立路由（路径不一样，可能会失序）
• 路由器根据分组的目标地址进行路由

3.11 总结

数据报是按地址找人，不事先确定路好不好走；

虚电路是先去一次，熟悉一下路线，再进行发送

4、接入网和物理媒体

4.1 Q:怎样将端系统和边缘路由器连接？

1. 住宅接入网络
2. 单位接入网络（学校、公司）
3. 无线接入网络
4. 注意：
   • 接入网络的带宽（bits per second）
   • 共享/专用

4.2 住宅接入：modern

1. 将上网数据调制加载音频信号上，在电话线上传输，在局端将其中的数据解调出来；反之亦然
   • 调频
   • 调幅
   • 调相位
   • 综合调制
2. 拨号调制解调器
   • 56Kbps的速率直接接入路由器（通常更低）
   • 不能同时上网和打电话；不能总是在线

4.3 接入网：digital subscriber line(DSL)

4.4 接入网:线缆网络

有线电视信号线缆双向改造

FDM:在不同频段传输不同信道的数据，数字电视和上网数据（上下行）

1. HFC:hybird fiber coax
   • 非对称：最高30Mbps的下行传输速率，2 Mbps上行传输速率
2. 线缆和光纤网络将每个家庭用户接入到 ISP 路由器
3. 各用户共享到线缆头端的接入网络
   • 与DSL不同，DSL每个用户一个专用线路到CO（central office)

4.5 住宅接入：电缆模式

4.6 接入网：家庭网络

4.7 企业接入网路

1. 经常被企业或者大学等机构采用
   • 10 Mbps,100 Mbps,1Gbps,10Gbps传输率
   • 现在，端系统经常直接接到以太网交换机上

4.8 无线接入网络

1. 各无线端系统共享无线接入网络（端系统到无线路由器）
   • 通过基站或者接入点

4.9 物理媒体

1. Bit:在发送-接收时间传播
2. 物理链路：连接每个发送-接收对之间的物理媒体
3. 导引型媒体：
   • 信号沿着固体媒介被导引：同轴电缆、光纤、双绞线
4. 非导引型媒体
   • 开放的空间传输电磁波或者光信号，在电磁或者光信号中承载数字数据
5. 双绞线（TP）
   • 两根绝缘铜导线拧合

4.10 物理媒体：同轴电缆、光纤

1. 同轴电缆：
   • 两根同轴的铜导线
   • 双向
   • 基带电缆
   • 宽带电缆
2. 光纤和光缆
   • 光脉冲，每个脉冲表示一个bit，在玻璃纤维中传输
   • 高速：点到点的高速传输（如10Gbps-100Gbps传输速率）
   • 低误码率：在两个中继器之间可以有很长的距离，不受电磁噪声的干扰
   • 安全

4.11 物理媒介：无线链路

1. 开放空间传输电磁波，携带要传输的数据
2. 无需物理：”线缆“
3. 双向
4. 传播环境效应’
   • 反射
   • 吸收
   • 干扰
5. 无线链路类型‘
   • 地面微波
   • LAN
   • wide-area
   • 卫星

5、Internet结构和ISP

5.1 互联网络结构：网络的网络

1. 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

2. 接入ISPs相应的必须是互联的

   • 因此任何2个端系统可互相发送分组到对方

3. 导致的“网络的网路”非常复杂

   • 发展和演化是通过经济的和国家的政策来驱动

4. 竞争：如果全局ISP是有利可为的业务，那会有竞争者

5. 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

   

6. 然后业务会细分（全球接入和区域接入），区域网络将出现，用于将接入ISPs连接到全局ISPs

7. 然后内容提供商网络（Internet Content Providers,e.g.,Google,Microsoft,Akamai)可能会构建它们自己的网络，将它们的服务、内容更加靠近端用户，向用户提供更好的服务，减少自己的运营支出。

8. 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,国家或者国际范围的覆盖

   • content provider network: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

     

5.2 Internet结构：network of networks

1. 松散的层次模型
2. 中心：第一层ISP（如UUNet,BBN/Genuity,Sprint,AT&T)国家/国际覆盖，速率极高
   • 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

3. 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

     

4. 第三层ISP与其他本地ISP

   • 接入网（与端系统最近）

     

5.3 互联网结构：网络的网络

1. 很多内容提供商（如：Google）可能会部署自己的网络，连接自己的在各地的DC(数据中心)，走自己的数据
2. 连接若干local ISP和各级（包括一层）ISP，更加靠近用户

5.4 ISP之间的连接

1. 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)
2. 对等接入：2个ISP对等互联，不涉及费用结算
3. 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
4. ICP自己部署专用网络，同时和各级ISP连接

6、分组延时、丢失和吞吐量

6.1 分组丢失和延时是怎样发生的？

1. 在路由器缓冲区的分组队列
   • 分组到达链路的速率超过了链路输出的能力
   • 分组等待排到队头、被传输

6.2 四种分组延时

1. 节点处理延时：

   • 检查bit级差错
   • 检查分组首部和决定将分组导向何处

2. 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程度

   

3. 传输延时

   • R=链路带宽（bps)
   • L=分组长度（bits）
   • 将分组发送到链路上的时间=L/R
   • 存储转发延时

4. 传播延时

   • d=物理链路的长度

   • s=在媒体上的传播速度

   • 传播延时=d/s

     

   5. 节点延时

      d_nodal=d_proc+d_queue+d_trans+d_prop

      • d_proc=处理延时
        • 通常是微秒数量级或更少
      • d_queue=排队延时
        • 取决于拥塞程度
      • d_trans=传输延时
        • =L/R，对低速率的链路而言很大（如拨号），通常为微秒级到毫秒级
      • d_prop=传播延时
        • 几微秒到几百毫秒

6.3 分组丢失

1. 链路的队列缓冲区容量有限
2. 当分组到达一个满的队列时，该分组将会丢失
3. 丢失的分组可能会被前一个节点或者源端系统重传，或者根本不重传

6.4 吞吐量

1. 吞吐量：在源端和目标端之间传输的速率（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：在一个长时间内的平均值

7、协议层次及服务模型

7.1 协议层次
网络是一个复杂的系统！

1. 网络功能繁杂：数字信号的物理信号承载、点到点、路由、rdt、进程区分、应用等
2. 现实来看，网络的许多构成元素和设施：
   • 主机
   • 路由器
   • 各种媒体的链路
   • 应用
   • 协议
   • 硬件、软件

7.2 例子：两位异地哲学家的交流

7.3 航线的功能层次

1. 层次化方式实现复杂网络功能：

   • 将网络复杂的功能分层功能明确的层次，每一层实现了其中一个或一组功能，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，目的是实现本层功能，通过接口为上层提供更好的服务

   • 在实现本层协议的时候，直接利用了下层所提供的服务

   • 本层的服务：借助下层服务实现的本层协议实体之间交互带来的新功能（上层可以利用的）+更下层所提供的服务

7.4 服务和服务站点

1. 服务（Service）：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力

   • 通信用户（service user)
   • 服务提供者（service provider)

2. 原语（primitive）：上层使用下层服务的形式，高层使用底层提供的服务，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

3. 服务访问点SAP（Service 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)

7.5 服务的类型

1. 面向连接的服务（Connection-oriented 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
   • 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 远程登陆
     • 不可靠的连接 数字化的声音
2. 面向无连接的服务（Connectionless Service)
   • 无连接的服务：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：适合传输零星数据
   • 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

7.6 服务和协议

1. 服务与协议的区别

   • 服务：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力，通过原语来操作的，垂直
   • 协议：对等层实体之间在相互通信的过程中，需要遵循的规则的集合，水平

2. 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

7.7 分层处理和实现复杂系统系统的好处？
对付复杂的系统

1. 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

2. 结构化：模块化更易于维护和系统升级

   • 改变某一层的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

7.8 Internet协议栈

1. 网络层：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、SMAP、HTTP、DNS
2. 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的通信
3. 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
4. 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
   • 点对点协议PPP，802.11(wifi)，Ethernet
5. 物理层：在线路上传送bit

7.9 ISO/OSI 参考模型

1. 表示层：允许应用解释传输的数据，例如加密，压缩，机器相关的表示转换
2. 会话层：数据交换的同步，检查点，恢复
3. 互联网协议栈没有这两层

7.10 封装和解封装

7.11 各层次的协议数据单元

1. 应用层：报文（message)
2. 传输层：报文段（segment):TCP段，UDP数据报
3. 网络层：分组packet(如果无连接方式：数据报datagram)
4. 数据链路层：帧（frame)
5. 物理层：位（bit)

8、历史

1. 早期（1960以前）计算机网络

2. 1961-1972:早期的分组交换概念

3. 1972-1980:专用网络和网络互连

4. 1980-1990：体系结构变化，网络数量激增，应用丰富

5. 1990,2000:商业化，Web，新的应用

6. 2005-现在

9、小结

小结

1. Internet
2. 什么是协议
3. 网络边缘，核心，接入网络
   • 分组交换 VS 电路交换
4. Internet / ISP 结构
5. 性能：丢失，延时，吞吐量
6. 层次模型和服务模型
7. 历史

小结1

1. 组成角度看什么是互联网
   • 边缘：端系统（包括应用）+接入网
   • 核心：网络交换设备+通信链路
   • 协议：对等层实体通信过程中遵守的规则的集合
     • 语法、语义、时序
2. 为了实现复杂的网络功能，采用分层方式设计、实现的调试
   • 应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层
   • 协议数据单位
     • 报文、报文段、分组、帧、位
3. 从服务角度看互联网
   • 通信服务基础设施
     • 提供的通信服务：面向连接、无连接
   • 应用
4. 应用之间的交互
   • C / S模式
   • P2P模式

小结2

1. 数据交换

   • 分组数据交换
   • 线路交换

2. 比较线路交换和分组交换

3. 分组交换的2种方式

   • 虚电路
   • 数据报

4. 接入网和物理媒介

   • 接入网技术：
     • 住宅：ADSL，拨号
     • 单位：以太网
     • 无线接入方式
   • 物理媒介
     • 光纤，同轴电缆，以太网，双绞线

5. ISP层次结构

小结3

1. 分组交换网络中延迟和丢失是如何发生的
   • 延迟的组成：处理、传输、传播、排队
2. 网络的分层体系结构
   • 分层体系结构
   • 服务
   • 协议数据单元
   • 封装与解封装
3. 历史

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