计算机网络
节点
- 主机及其上运行的应用程序（能接入互联网的任何终端）（端点）
- 路由器，交换机等网络交换设备。（其中，路由器与交换机的工作层次不同，路由器在网络层工作，交换机在链路层工作）
边 通信链路（按接入设备的不同）
- 接入网链路，主机连接到互联网的链路（只要有端点即可）
- 主干链路：路由器之间的链路（无端点）
协议 即对等层的实体，一种标准
不同层有不同类型的协议
协议控制发送，接受信息。如TCP、IP、HTTP、FTP、PPP
Internet
具有松散的层次结构，互连的ISP
Internet标准 如RFC、IETF
通信的定义：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/和接受或其他时间方面所采取的动作。
协议规范的方面：语法、语义、次序、动作。
互联网是分布式的应用进程以及为分别是的应用进程提供服务的基础设施。
网络结构
- 网络边缘：主机，应用程序（e.g.客户端与服务端）
- 网络核心：
(1) 互联着的路由器
(2) 网络的网络
- 接入网，物理媒体：有线或无线的通信链路（把边缘的主机接入核心）
网络边缘：采用网络设施的无连接服务
主要模式
1.端系统（主机）：运行应用程序e.g.web，email
2.客户/服务器模式：客户端向服务器请求，接收服务。e.g.web浏览器/服务器、emailk客户端/服务器。
3.对等模式peer-peer（p2p）模式：很少（甚至没有）专门的服务器。e.g.Gnutella、kaZaA、Emule。
目标：在端系统之间传递数据。
握手：在数据传输之前做好准备。
TCP—传输控制协议 Internet上面向连接的服务
可靠的要素：不重复，不失序，不出错，不丢失。
TCP服务
可靠性：按顺序地传送数据
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
UDP服务
UDP适用于网络实时多媒体应用，事务性应用如域名解析的查询。
不提供可靠性，没有流量控制和拥塞控制，保证了端对端每时每刻都达到传输速率的上限。
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用电路，如电话网。
分组交换：
1.将要传送的数据分成一个个单位：分组。
2.将分组从一个路由器传递到相邻路由器，一段段最终从源端传递到目标端。
3.其中，每段采用链路的最大传输能力（带宽）。
电路交换（通常被传统电话网络采用，如固化，移动通讯）
在网络空间中先建立一条独享的线路，然后通过该线路来建立一个双向的通信。
线路不共享能够保障性能，但会造成资源浪费。共享则不能保障性能，或是只能在一定程度上保障性能。
为呼叫预留端对端资源
链路带宽、交换能力
专用资源：不共享
保证性能
要求建立呼叫连接
网络资源（如带宽）被分成片（piece）。然后为call分配片。如果某个呼叫没有数据，则其资源片初愈空闲状态（不共享）。
将带宽分成片的方法：
频分（FDM）
时分（TDM）
波分（WDM）（用于光通信）
码分（CDM）（用于移动通信，接入cdma）
特殊的十分（统计多路复用，用于接下来的分组交换）
文件传输时间（传播时间）=建立连接的时间+传输时间（文件大小/带宽）+传播延迟。（一般电磁波传播时延在局域网可忽略，广域网则看情况）
电路交换不适合计算机之间的通信
原因：建立连接的时间较长、计算机之间的通信具有突发性，如果使用线路交换，则浪费的片较多。（即使call中没有任何数据传输，其所占据的片也不能够被别的呼叫所使用。）、可靠性不高？（一旦交换机结点宕机则会影响大面积的通信）
分组交换（网络核心）
以分组为单位储存-转发方式
网络带宽资源不在分为一个个的片，传输时使用全部带宽
主机之间的数据被分为一个个分组（packet）
资源共享，按需分配
储存-转发过程中分组每次移动一跳（hop）
在转发之前，结点必须收到并储存整个分组
延迟比线路交换要大（分组交换在每个交换结点中耽误每个分组的储存时间，线路交换则是耽误一个比特的储存时间，而且分组交换还会耽误排队时间，还有结点处理时延，这两个实验一般不确定）
有排队时间（队满则丢包）
类似于快递包裹一个一个站点的移动。包裹在使用一段链路的时候，其他链路可以用于其他包裹的传递。
排队延迟与丢失
如果到达速率大于速链路的输出速率
分组将会排队，等待传输
如果路由器的缓存耗尽，分组将被抛弃
网络核心的关键功能
路由：决定分组采用的源到目标的路径（全局性的）
转发：根据路由表，将分组从路由器的输入链路转移到输出链路（局部的）
流量强度大于等于1，分组交换网络会挂掉。
分组交换和电路交换的比较
同样的网络资源，分组交换能够允许更多用户使用网络q
e.g.1 Mb/s 链路 q
每个用户： l 活动时100 kb/s l 10% 的时间是活动的 q
电路交换： l 10 用户 q
分组交换： l 35 用户时 l >=10个用户活动的概率为 0.0004
注意计算时上限是9
分组交换
适合于对突发式数据传输 l 资源共享 l 简单，不必建立呼叫 q
过度使用会造成网络拥塞：分组延时和丢失 l
对可靠地数据传输需要协议来约束：拥塞控制 q
Q: 怎样提供类似电路交换的服务？ l
保证音频/视频应用需要的带宽 l
一个仍未解决的问题(chapter 7)
分组交换按照网络层有无连接分成两种方式：
1. 数据报网络： l
工作原理：q 在通信之前,无须建立起一个连接,有数据就传输，其中每一个分组都独立路由(路径不一样,可能会失序，)然后路由器根据分组的目标地址进行路。
特点：
分组的目标地址决定下一跳 l
在不同的阶段，路由可以改变 l
类似：问路 l Internent
2.虚电路网络：
工作原理：虚电路就是两个主机通信之前先确定好路由（即固定的转发传输路径），逻辑上看就像建立了一条连接，实际传输还是分组转发形式（到达某个路由器时，所要用的出口可能正在传输信息，这时还是入队列等待）
特点：
每个分组都带标签（虚电路标识 VC ID），标签决定下一跳 l
在呼叫建立时决定路径，在整个呼叫中路径保持不变 l
路由器维持每个呼叫的状态信息 l
e.g. X.25 和ATM
即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。
TCP是面向连接的：中间的路由器不维护源主机与目标主机的路径的连接状态，区别于有连接。
接入网与物理媒体
Q: 怎样将端系统和边缘路由器连接？
q 住宅接入网络
q 单位接入网络 （学校、公司）
q 无线接入网络
注意：
q 接入网络的带宽 (bits per second) ？
q 共享/专用？
住宅接入：
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 q
调频 q 调幅 q 调相位 q 综合调制
拨号调制解调器 l
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
接入网: digital subscriber line (DSL)
采用现存的到交换局DSLAM的电话线 §
DSL线路上的数据被传到互联网 §
DSL线路上的语音被传到电话网 v
< 2.5 Mbps上行传输速率(typically < 1 Mbps) v
< 24 Mbps下行传输速率(typically < 10 Mbps)
无线接入网q 各无线端系统通过基站或者叫接入点
共享无线接入网络（端系统到无线路由器） l
分为无线LANS和广域无线接入
物理媒体 q
Bit: 在发送-接收对间传播 q
物理链路：连接每个发送-接收对之间的物理媒体
q
导引型媒体: 信号沿着固体媒介被导引，如同轴电缆、光纤、 双绞线
e.g.
q 双绞线 (TP)： 两根绝缘铜导线拧合
5类：100Mbps 以太网
Gbps 千兆位以太网 l
6类：10Gbps万兆以太网
同轴电缆： 两根同轴的铜导线
双向
q 基带电缆： l 电缆上一个单个信道 l Ethernet
q 宽带电缆： l 电缆上有多个信道 l HFC
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
q 高速： l 点到点的高速传输（如10
Gps-100Gbps传输速率 ）
q 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
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
无线链路：开放空间传输电磁波，携带要传输的数据
特点：
q 无需物理“线缆”
q 双向
q 传播环境效应： l 反射 l 吸收 l 干扰
无线链路类型:
v 地面微波 § e.g. up to 45 Mbps channels
v LAN (e.g., WiFi) § 11Mbps, 54 Mbps,540Mbps…
v wide-area (e.g., 蜂窝) §
3G cellular: ~ 几Mbps § 4G 10Mbps § 5G 数Gbps
v 卫星§ 每个信道Kbps 到45Mbps (或者多个聚集信道) § 270 msec端到端延迟（延迟很大） § 同步静止卫星和低轨卫星
互联网络结构：网络的网络 §
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 §
接入ISPs相应的必须是互联的（因此任何2个端系统可相互发送分组到对方），导致的“网络的网络”非常复杂
发展和演化是通过经济的和国家的政策来驱动的
ISP之间的连接 q
POP: 高层ISP面向客户网络的接入点，涉及费用结算。一个低层ISP接入多个高层ISP,多宿（multi home） q
对等接入：2个ISP对等互接，不涉及费用结算 q
IXP：多个对等ISP互联互通之处，通常不涉及费用结算。e.g.对等接入
ICP自己部署专用网络，同时和各级ISP连接
分组丢失，延时和吞吐量
分组丢失和延时是怎样发生的？
在路由器缓冲区的分组队列 q
分组到达链路的速率超过了链路输出的能力 q
分组等待排到队头、被传输
四种分组延时
1.节点处理延时： l
检查 bit级差错 l
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 l
依赖于路由器的拥塞程
3. 传输延时
存储转发延时。将分组发送到链路上的时间= L/R q （R=链路带宽(bps) q L=分组长度(bits)）
4. 传播延时: q （d = 物理链路的长度 q s = 在媒体上的传播速度 (~2x108 m/sec)） q 传播延时 = d/s
节点延时 =处理延时+排队延时+传输延时+传播延时
排队延时 q
R=链路带宽 (bps) q L=分组长度 (bits) q a=分组到达队列的平均速率
流量强度 = La/R q
La/R ~ 0: 平均排队延时很小 q
La/R -> 1: 延时变得很大 q
La/R > 1: 比特到达队列的速率超过了从该队 列输出的速率，平均排队延时将趋向无 穷大！ 设计系统时流量强度不能大于1！
体验工具 windows--tracert linux--traceroate
原理：
利用了ICMAP协议（互联网控制报文协议，属于网络层协议）报文头部数据部分有字段ttl（time to live,即生存时间）。该字段的意义为每经过一个路由器ttl就减1，当ttl等于0时，该分组被抛掉，同时报文所在路由器向源主机发送ICMP类型的控制报文，内容为该分组到达了该路由器时被抛掉，原因为ttl=0。所以transrt就通过设置ttl的值来测定路由器地址和往返延迟（rtt，round trip time)。当ttl足够大的时候，分组一定能到达目标主机。访问目标主机一个比较大的端口号(因为只有目标主机才会取端口号，其他中间路由器并不会解析传输层的包)，目标主机必定没有应用在监听或者直接没有开放该端口，此时目标主机就会给源主机回一个ICMP端口不可达的差错信息（与上文中的报文类型不同），源主机就知道了到目标主机的条数以及往返时间。（请求超时如果是中间的节点很正常，很多运营商的路由器不响应ICMP）
分组丢失的原因
链路的队列缓冲区容量有限 q
当分组到达一个满的队列时，该分组将会丢失 q
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
分组丢失重传的情况
- 如果丢失所在链路可靠。有下一个节点返回的报文，则分组由上一个节点重传
- 如果链路不可靠，如以太网等，丢失由源主机重传
- 如果链路不可靠，源主机udp应用进程发出的分组，则丢失不重传
传输层不可靠则要链路层加补丁，传输层可靠则链路层不重视可靠性。 也就是采用非 导引型介质的时候，考虑到存在数据丢失的风险，需要借助链路层兜底，以保证数据的 有效传输。
吞吐量：单位时间内源主机向目标主机发送的有效bit的数量。
瞬间吞吐量: 在一个时间点的速率 l
平均吞吐量: 在一个长时间内平均值
瓶颈链路：端到端路径上，限制端到端吞吐的链路。（路径中容量最小的链路）
端到端平均吞吐=min{R1/n1，R2/n2 ,…,Ri/ni }(n为同时使用链路的用户个数）
协议层次及服务模型
协议通过层间的接口访问下层提供的服务实现，协议的目的是向上层提供更好的服务。
服务和服务访问点 q
服务( Service)：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力 l
服务用户(service user) l
服务提供者(service provider )
原语(primitive)：上层使用下层服务的形式，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 q
服务访问点 SAP (Services Access Point) ：上层使用下层提供的服务通过层间的接口—地点； l e.g.:邮箱
1.服务提供者向服务用户提供服务
2.服务提供者通过服务访问点区分不同的服务用户q
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 l
可以有不同的实现，队列 l e.g.:传输层的SAP: 端口(port)
服务的类型 q
面向连接的服务和无连接的服务-方式 l
面向连接的服务( Connection-oriented Service) e.g.TCP•
连接(Connection)：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 远程登录 –
不可靠的连接 数字化声音
无连接的服务(Connectionless Service) •e.g.UDP
无连接服务：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状态(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
服务与协议的区别 l
服务(Service)：低层实体向上层实体提供它们之间的 通信的能力，是通过原语(primitive)来操作的，垂直。 l
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。 q
服务与协议的联系 l
本层协议的实现要靠下层提供的服务来实现。 l
本层实体通过协议为上层提供更高级的服务
sdu+ici=idu，sdu+header=pdu
图1-1
PDU不同层的名称
应用层：报文；传输层：报文段或段；网络层：分组、数据报（无连接的服务叫数据报）；链路层：侦；物理层：字节、位。
协议与服务的关系见图1-2
图1-2
分层处理和实现复杂系统的好处
对于复杂的系统 q
概念化：结构清晰，便于标示网络组件，以及描述其相互关系 q
结构化：模块化更易于维护和系统升级，即改变某一层服务的实现不影响系统中的其他层次。 l
缺点是效率降低等。
Internet 协议栈 q
应用层: 网络应用 l
为人类用户或者其他应用进程提供网络应用服务 l
协议e.g.：FTP, SMTP, HTTP,DNS q
传输层: 主机之间的数据传输 l
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地通信。协议e.g.TCP, UDP q
网络层: 为数据报从源到目的选择路由 l
主机主机之间的通信，端到端通信，不可靠。协议e.g. IP, 路由协议 q
链路层: 相邻网络节点间的数据传输 l
2个相邻2点的通信，点到点通信，可靠或不可靠。协议e.g. 点对对协议PPP, 802.11(wifi), Ethernet q
物理层: 在线路上传送bit
传输层：进程到进程 网络层：端到端 链路层：点到点
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