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[网络协议]计算机网络＜自顶向下方法＞第一章计算机网络和因特网

1.1 什么是Internet?

从具体构成角度

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
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：控制发送、接收消息
如TCP、IP、HTTP、FTP、 PPP

协议（protocol）定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文的格式和顺序，以及报文发送和/或接收一条报文或其他事件所采取的动作

数以亿及的，互联的计算设备
主机 = 端系统
运行网络应用程序
通信链路
光纤、同轴电缆、无线电、卫星
传输速率 = 带宽（bps）
分组交换设备：转发分组 (packets)
路由器和交换机
Internet：“网络的网络”
松散的层次结构，互连的ISP
公共Internet vs. 专用intranet
Internet标准
RFC: Request for comments
IETF: Internet Engineering
Task Force

1.2 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、接收服务
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

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
人类协议:你好，你好
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 上面面向连接的服务

TCP服务[RFC 793]

可靠的,按顺序的传送数据
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，发送方减低发送速率

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
无连接服务

UDP-用户数据报协议(User Datagram Protocol)[RFC 768]
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)，Telnet(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用电路：如电话网
分组交换：
将要传送的数据分成一个个单位分组
将分组从一个路由器传送到相邻路由器(hop),一段段最近从源端传到目标端
每段：采用链路的最大传输能力(带宽)

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"call":
在这里插入图片描述

图中，每段链路有4条线路：
该呼叫采用了上面链路的第2个线路，右边链路的第1个线路（piece）
独享资源：不同享
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 (no sharing)
通常被传统电话网络采用
为呼叫预留端-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
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(Frequencydivision multiplexing)
时分(Time-divisionmultiplexing)
波分(Wave-divisionmultiplexing)

计算举例

在一个电路交换网络上，从主机A到主机B发送一个640,000比特的文件需要多长时间？

所有的链路速率为1.536 Mbps
每条链路使用时隙数为24的TDM
建立端-端的电路需500 ms
每条链路的速率（一个时间片）：1.536Mbps/24 = 64kbps
传输时间：640kb/64kps = 10s
共用时间：传输时间+建立链路时间=10s + 500ms = 10.5s

电路交换不适合计算机之间的通信

连接建立时间长
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递，其所占据的片也不能够被别的呼叫使用
可靠性不高？

网络核心:分组交换

以分组为单位存储-转发方式

网络带宽资源不再分分为一个个片，传输时使用全部带宽
主机之间传输的数据被分为一个个分组
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

分组交换：存储-转发

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
Example:
L = 7.5 Mbits
R = 1.5 Mbps
3次存储转发的延时= 15 s

分组交换: 排队延迟和丢失

在这里插入图片描述

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了，分组将会被抛弃

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
路由算法
转发：将分组从路由器的输入链路转移到输出链路
在这里插入图片描述

分组交换：统计多路复用

在这里插入图片描述
A&B 时分复用链路资源
A & B 分组没有固定的模式 -> 统计多路复用

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？”

适合于对突发式数据传输
资源共享
简单，不必建立呼叫
过度使用会造成网络拥塞：分组延时和丢失
对可靠地数据传输需要协议来约束：拥塞控制
Q: 怎样提供类似电路交换的服务？
保证音频/视频应用需要的带宽
一个仍未解决的问题(chapter 7)

Q: 预约服务（线路交换）对比按需服务（分组交换）的例子?

分组交换网络：存储-转发

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：

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
Internent

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
X.25 和ATM

数据报(datagram) 的工作原理

? 在通信之前,无须建立起一个连接,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

网络分类

在这里插入图片描述

1.4 Internet结构和ISP

互联网结构: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
让我们采用渐进方法来描述当前互联网的结构

问题来了:给定数百万接入ISPs，如何将它们互联到一起
在这里插入图片描述

选项: 将每个接入ISP都连接到全局ISP（全局范围内覆盖）？客户ISPs和提供者ISPs有经济合约
但是，如果全局ISP是可行的业务，那会有竞争者有利可图，一定会有竞争
竞争：但如果全局ISP是有利可为的业务，那会有竞争者
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
然后业务会细分（全球接入和区域接入），区域网络将出
现，用与将接入ISPs连接到全局ISPs
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

在这里插入图片描述
? 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 (e.g., Level 3, Sprint, AT&T, NTT), 国家或者国际范围的覆盖
content provider network (e.g., Google): 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ISP

很多内容提供商(如：Google, Akamai )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
连接若干local ISP和各级（包括一层）ISP,更加靠近用户

Internet结构：network of networks

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
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
第三层ISP与其他本地ISP
接入网 (与端系统最近)
一个分组要经过很多很多的网络
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）
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 ? 对等接入
ICP自己部署专用网络，同时和各级ISP连接

1.5 分组延迟，丢失和吞吐量

分组丢失和延时是怎样发生的？

在路由器缓冲器的分组队列

分组到达链路的速率超过了链路的能力
分组等待排到头，被传输

四种分组延时

1.节点处理延时：

检查bit级错误
检查分组首部和决定将分组导向何处

2. 排队延迟

在输出链路上等待传输的时间
依赖于路由器的拥塞成都

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(~2x108 m/sec)
传播延时 = d/s

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

吞吐量

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: 在一个长时间内平均值

1.6 协议层次及服务模型

协议层次

网络是一个复杂的系统!

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
现实来看，网络的许多构成元素和设备:
主机
路由器
各种媒体的链路
应用
协议
硬件, 软件

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

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
服务用户(service user)
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
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；
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)

服务的类型

面向连接的服务( Connection-oriented Service)

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)

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；(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

服务和协议

服务与协议的区别
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
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
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