计算机网络_概论

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计算机网络，参考《计算机网络》、《自顶向下》。

计算机网络_概论

需要解决的问题

  1. 什么是因特网？
  2. 因特网的组成与结构。
  3. 因特网中的设备。
  4. 因特网的分类和工作原理？
  5. 网络通讯协议。
  6. 发展历史。

什么是因特网？

把具有独立功能的计算机，通过通信介质和通信设备，按照一定的拓扑结构连接，根据网络协议相互通信，在数据交换基础上，实现资源共享的系统。

基本特点：连通性 + 共享

网络的组成

从功能上说，可以分为：

通信子网（网络核心） + 资源子网（网络边缘）

网络的边缘部分用于提供资源，核心部分承担数据的传输和交换。

graph TD
    subgraph 位置
    A[网络边缘]
    B[网络核心]
    end
    subgraph 功能
    C[提供资源]
    D[数据交换]
    end
    A --> C
    B --> D

从边缘部分的计算机说起，它们被统称为主机（Host）或端系统（End System）。

端系统之间以如下过程进行通讯：

graph LR
    A((端系统_1)) --"通信链路"--> B[["分组交换机 (Packet Switch)"]] --"通信链路"--> C((端系统_2))

端系统1将传输的信息（报文 message）分段打包，形成 分组 packet 发送到端系统2。其中，链路的 传输速率 以 bps (bit/s) 度量。

分组 packet 通过 分组交换机 packet switch 转发到对应的通讯链路，经过的分组交换机构成该分组的 路径 route/path。

分组的接收与发送都要遵循一系列 协议 protocol。TCP/IP 协议族是最重要的一系列协议。

网络间转发：路由器 Router

网络内转发：链路层交换机 Link-layer switch

从拓扑角度可以分为：

Node + Link + Protocol

graph LR
    A(("Node(结点)")) --"通信协议"--> B["Link(链路)"] --"通信协议"--> C(("Node(结点)"))

  • 终端节点：数据处理、通信

      graph LR
 A((DTE)) --> B((DCE)) --> C[/Network/]

DTE：数据终端设备

DCE：数据通信设备，如 MODEM

  • 中继节点：延长通讯线路，如中继器、集线器（HUB）

  • 交换节点：数据转发，如交换机（Switch）

      graph LR
  A[Packet] ==> B[[Switch]] ==> C((Terminal_1))
  B --> D((Terminal_2))

  • 路由节点：连接网络

      graph LR
  A[/Network_1/] --> B[[Router]] --"协议转换、路由选择"--> C[/Network_2/]
  C --> B[[Router]] --"协议转换、路由选择"--> A

网络边缘

端系统的通信方式：C/S，P2P

端系统如何入网？

端系统通过 因特网服务提供商 ISP，以各种方式接入因特网。

ISP 实质上是多个分组交换机和多段通信链路组成的网络。它们将 IP 地址分发给用户，为用户提供分组转发等服务。

ISP 提供的入网方式：

  • 家庭
    • 数字用户线 DSL：电话线，【↑ 24Mbps , ↓ 2.5Mbps】，三频段信号（上、下、电话）
    • 电缆：有线电视，【↑ 30.7Mbps , ↓ 42.8Mbps】
    • 光纤到户 FTTH：AON、PON
    • 卫星链路
    • 拨号接入：接入模式同于DSL，但只有 56kbps
  • 企业（和家庭）
    • 以太网：LAN，直接连接以太网交换机
    • WiFi：无线LAN
  • 广域无线接入
    • 3G、4G、5G
    • LTE

网络核心

网络核心主要负责提供连通性，由分组交换机和数据链路组成。移动数据的方法有 分组交换 和 电路交换两种。

电路交换

即通信的端系统之间会建立一条专用的物理通路，通信的全部时间内，两个端系统始终占用端到端的通信资源。因此电路交换的传输效率通常很低。

一条电路通过 频分复用（Frequency-Division Multiplexing, FDM）或者 时分复用（Time-Division Multiplexing, TDM）来形成多个链路。

FDM：划分频段，形成各个信道。（各频段之间存在警戒频带）

TDM：将事件划分为固定长度的帧，每一帧划分为固定长度的时隙。（24 时隙指 1 s 被划分为 24 个区间）

分组交换

由路由器 Router 实现分组的转发。

储存转发传输

多数分组交换机的输入端采用 储存转发传输 store-and-forward transmission 机制：

  1. 路由器接收并缓存完整的一个分组 packet，其长度为 \(L\;bits\)；
  2. 向特定链路转发传输该分组，链路的最大传输速率为 \(R\;bps\)；

因此储存转发传输机制中，由 \(N\) 条最大传输速率均为 \(R\;bps\) 的链路组成的路径（共 \(N-1\) 台路由器），端到端时延为： \[ d_{端到端}=N\frac{L}{R} \]

此处仅为发送时延。

排队时延和分组丢失

分组交换机连接着多条链路，每条链路有一个 输出缓存 output buffer（或称 输出队列 output queue）。

如果到达的分组需要传输到某链路，而该链路正好在传输其他分组，那么到达的分组需要在输出缓存中等待，由此产生 排队时延 queue delay。

如果缓存空间已经满了，那么后来到达的分组将会被丢弃，称为 分组丢失（丢包） packet lost。

转发表与路由选择协议

转发表 forward table：将目的地IP（或它的一部分）映射为输出链路。

路由选择协议 routing protocol：自动设置最短路径，从而配置转发表。

对比

分组交换：按需分配。简单高效、灵活可靠、低成本、更好地带宽共享；但是端到端时延不可预测。

电路交换：预先分配链路。

网络结构

存在点（Point of Presence, POP）：提供商ISP用于和客户ISP互连的路由器群组。存在于除底层（接入ISP）之外的层次。

多宿（multi-home）：客户ISP与多个提供商ISP连接。

对等（peer）：同一层次的临近ISP直接连接，通常不进行结算。

因特网交换点（Internet Exchange Point, IXP）：多个ISP共同对等的汇合点。

内容提供商网络（content provider network）：内容提供商通过设立自己的专用网络，在IXP与较低层ISP对等，同时与高层ISP互联并结算流量，减少了向高层ISP的付费，同时对自己的服务有了更多的控制。

网络体系结构

作为一个非常复杂的系统，因特网是否存在着体系结构？

系统网络体系结构（System Network Architecture, SNA）：1974，IBM

开放系统互连参考模型（Open System Interconnection Reference Model, OSI）：1977，ISO

但是，OSI标准制定时，缺乏商业驱动力；OSI标准实现复杂，运行效率低；制定周期太长；层次划分不太合理，同一功能在不同层次多次出现。因此，TCP/IP 称为实质上的国际标准。

协议分层

协议是什么？协议是一种规则，确定了交换的数据格式以及相关的行为。

网络协议的要素：

  • 语法：数据与控制信息的结构或格式；
  • 语义：协议元素的含义，规定其表达的内容；
  • 同步：规定事件实现的顺序。
TCP/IP 四层协议 五层协议栈 ISO OSI 七层协议

应用层（Application Layer）

网络应用进程间通信和交互的规则。例如 HTTP（Web文档的请求和传送）、STMP（电子邮件报文的传输）等。

报文（message）：应用层之间交互的数据单元。

运输层（Transport Layer）

为两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。

  • 传输控制协议（Transmission Control Protocol, TCP）：面向连接、可靠；数据传输的单位是报文段（segment）。
  • 用户数据协议（User Datagram Protocol, UDP）：无连接的、best-effort 的数据传输服务；无可靠性、无流量控制、无拥塞控制。数据传输的单位是用户数据报。

网络层（Network Layer）

将数据报（datagram）从一台主机移动到另一台主机。

网络层的功能是将运输层传递的 segment 和目的地址封装，然后选择合适的路由。为实现功能需要 IP 协议（Internet Protocol）和路由选择协议。因此也被称为 IP 层。

网络层通过路径中的路由器路由数据报，因此需要依靠链路层的服务将分组从一个结点传输至下一个结点。

graph LR
    A((Host_s)) --"WiFi"--> B[Router_1] --"以太网"--> C[Router_2] --"PPP"--> D((Host_t))

帧（Frame）：链路层分组。

物理层（Physical Layer）

将 frame 逐个比特地移动。

例如，根据传输媒体的不同，以太网的物理层协议可以是关于双绞铜线的、关于光纤的、关于同轴电缆的……

封装（encapsulation）

自上而下，分组被加上首部信息或尾部信息，形成新的分组传递给下一层。每一层形成的分组具有两个字段：首部字段和有效载荷字段（payload field）。

路由器将接收到的比特流变为 link-layer frame，解包为 network-layer datagram，获取目的地址后选择转发到的地址，一起打包为 link-layer frame，之后发送。

协议数据单元（Protocol Data Unit, PDU）：对等层次之间传送的数据单位。

服务数据单元（Service Data Unit, SDU)：层与层之间交换的数据的单位。

PDU是同一层的协议实体之间传送的数据单元；SDU是协议的用户与协议之间传递的数据。

即：\(PDU_n=SDU_{n-1}\)

实体（entity）：任何可以发送或接受信息的硬件或软件进程。

服务原语：上层使用下层的服务时所交换的命令。请求（Request）、指示（Indicate）、响应（Response）、证实（Confirm）

服务访问点（Service Access Point, SAP）：抽象的、概念上的逻辑接口，用于上下相邻两层交换数据。