[网络协议]计算机网络概述（下）

专栏

计算机网络

计算机网络概述（下）

计算机网络性能

速率

• 速率即数据率（data rate）或称数据传输速率或比特率（bit rate）
  • 单位时间（秒）传输信息（比特）量
  • 计算机网络中最重要的一个性能指标
  • 单位：b/s（或bps）、kb/s、Mb/s、Gb/s
  • k=10^3 、M=10^6 、G=10^9
• 速率往往是指额定速率或标称速率

带宽

• ”带宽“（bandwidth）原本指信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）
• 网络的“带宽”通常是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位：b/s（bps）
• 常用的带宽单位：
  • kb/s（10^3 b/s）
  • Mb/s（10^6 b/s）
  • Gb/s（10^9 b/s）
  • Tb/s（10^12 b/s）

延迟/时延（delay或latency）

Q：分组交换为什么会发生丢包和时延？

A：分组在路由器缓存中排队

• 分组到达速率超出输出链路容量时
• 分租排队，等待输出链路可用
  

四种分组延迟

dproc：结点处理延迟（nodal processing delay）

• 差错检测
• 确定输出链路
• 通常<msec

dqueue：排队延迟（queueing delay）

• 等待输出链路可用
• 取决于路由器拥塞程度

dtrans：传输延迟（transmission delay）

• L：分组长度（bits）
• R：链路带宽（bps）
• dtrans = L/R

dprop:传播延迟（propagation delay）

• d：物理链路长度
• s：信号传播速度（~2 * 10^8 m/sec）
• dprop = d/s
  

dtrans与dprop完全不同！

类比：车队

• 车速为100 km/hr ~ 信号传播速度
• 收费站放行一台车用时12s ~ 比特传输时间
• 车 ~ 比特；车队 ~ 分组
• 车队通过收费站时间 ~ 传输延迟（120秒）
• 每台车从第一个收费站跑到第二个收费站用时 ~ 传播延迟（1小时）

排队延迟

4种延迟里面较特殊的就是排队延迟，因为它的不确定性不能给出准确式子算出延迟

• R：链路带宽（bps）
• L：分组长度（bits）
• a：平均分组到达速率

流量强度（traffic intensity） = La/R

• La/R ~ 0：平均排队延迟很小
• La/R -> 1：平均排队延迟很大
• La/R > 1：超出服务能力，平均排队延迟无限大！

时延带宽积

• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

分组丢失（丢包）

• 队列缓存容量有限
• 分组到达已满队列将被丢弃（即丢包）
• 丢弃分组可能由前序节点或源重发（也可能不重发）
  

吞吐量/率（Throughput）

• 吞吐量：表示在发送端与接收端之间传送数据速率（b/s）

  • 即时吞吐量：给定时刻的速率
  • 平均吞吐量：一段时间的平均速率
    

• 若Rs<Rc，则端到端的吞吐量是多少？

• 若Rs>Rc，则端到端的吞吐量是多少？

瓶颈链路（bottleneck link）

? 端到端路径上，限制端到端吞吐量的链路。

吞吐量：Internet场景

• 每条“连接”的端到端吞吐量：min（Rc，Rs，R/10）
• 实际网络：Rc或Rs通常是瓶颈

计算机网络体系结构

为什么需要计算机网络体系结构？

计算机网络是一个非常复杂的系统，涉及许多组成部分：

• 主机（hosts）
• 路由器（routers）
• 各种链路（links）
• 应用（applications）
• 协议（protocols）
• 硬件、软件
• …

问题：是否存在一种系统结构有效描述网络？

利用什么结构？

…

至少用于讨论网络？

A：分层结构

• 类比：航空旅行
  

• 每层完成一种（类）特点服务/功能

  • 每层依赖底层提供的服务，通过层内动作完成相应功能

计算机网络的体系结构

• 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
• 计算机网络体系结构简称网络体系结构（network architecture）是分层结构
• 每层遵循某个/些网络协议完成本层功能
• 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
• 体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义
• 体系结构是抽象的

为什么采用分层结构？

• 结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系
  • 分层的参考模型（reference model）
• 模块化的分层易于系统更新、维护
  • 任何一层服务实现的改变对于系统其它层都是透明的
  • 例如，登机过程的改变并不影响航空系统的其它部分（层）
• 有利于标准化
• 分层是否有不利之处？
  • 分层太多可能会导致系统效率变低

分层网络体系结构基本概念

• 实体（entity）表示任何可发送或接收信息的硬件或软件过程。
• 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议是“水平的”。
• 任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，服务是“垂直的”。
• 下层协议的实现对上层的服务用户是透明的。
• 同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点SAP（Service Access Point），交换原语，指定请求的特定服务。

OSI参考模型（1）

• 开发系统互连（OSI）参考模型是由国际标准化组织（ISO）于1984年提出的分层网络体系结构模型
• 目的是支持异构网络系统的互联互通
• 异构网络系统互连的国际标准
• 理解网络通信的最佳学习工具（理论模型）
  • 理论成果，市场失败
• 7层（功能），每层完成特定的网络功能
  

OSI参考模型解释的通信过程

OSI参考模型数据封装与通信过程

为什么需要数据封装？

• 增加控制信息
  • 构造协议数据单元（PDU）
• 控制信息主要包括：
  • 地址（Address）：标识发送端/接收端
  • 差错检测编码（Error-detecting code）：用于差错检测或纠正
  • 协议控制（Protocol control）：实现协议功能的附加信息，如：优先级（priority）、服务质量（QoS）、和安全控制等

OSI参考模型（2）

物理层功能

• 接口特性
  • 机械特性、电气特性、功能特性、规程特性
• 比特编码
• 数据率
• 比特同步
  • 时钟同步
• 传输模式
  • 单工（Simplex）
  • 半双工（half-duplex）
  • 全双工（full-duplex）

数据链路层功能

• 负责结点-结点（node-to-node）数据传输

• 组帧（Framing）

• 物理寻址（Physical addressing）

  • 在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端
    

• 流量控制（Flow control）

  • 避免淹没接收端

• 差错控制（Error control）

  • 检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧

• 访问（接入）控制（Access control）

  • 在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权

网络层功能

• 负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付
  • 可能穿越多个网络
• 逻辑寻址（Logical addressing）
  • 全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送到目的主机，如IP地址
• 路由（Routing）
  • 路由器（或网关）互连网络，并路由分组至最终目的主机
  • 路径选择
• 分组转发
  

传输层功能

? 负责源-目的（端-端）（进程间）完整报文传输

• 分段与重组

• SAP寻址

  • 确保将完整报文提交给正确进程，如端口号
    

• 连接控制

• 流量控制

• 差错控制

会话层功能

• 对话控制（dialog controlling）
  • 建立、维护
• 同步（synchronization）
  • 在数据流中插入“同步点”
• 最“薄”的一层

表示层功能

? 处理两个系统间交换信息的语法与语义（syntax and semantics）问题

• 数据表示转化
  • 转换为主机独立的编码
• 加密/解密
• 压缩/解压缩

应用层功能

• 支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）
• 典型应用层服务：
  • 文件传输（FTP）
  • 电子邮件（SMTP）
  • Web（HTTP）
  • …

TCP/IP参考模型

5层参考模型

• 综合OSI和TCP/IP的优点
• 应用层：支持各种网络应用
  • FTP，SMTP，HTTP
• 传输层：进程-进程的数据传输
  • TCP，UDP
• 网络层：源主机到目的主机的数据分组路由与转发
  • IP协议、路由协议等
• 链路层：相邻网络元素（主机、交换机、路由器等）的数据传输
  • 以太网（Ethernet）、802.11（WiFi）、PPP
• 物理层：比特传输

5层模型的数据封装

计算机网络与Internet发展历史

第一阶段

? 1961-1972：早期分组交换原理的提出与应用

• 1961：Kleinrock - 排队论

  证实分组交换的有效性

• 1964：Baran - 分组交换

  应用于军事网络

• 1976：ARPA（Advanced Research Projects Agency）提出ARPAnet构想

• 1969：第一个ARPAnet结点运行

• 1972：

  • ARPAnet公开演示
  • 第一个主机-主机协议NCP（Network Control Protocol）
  • 第一个e-mail程序
  • ARPAnet拥有15个节点
    

第二阶段

? 1972-1980：网络互连，大型新型、私有网络的涌现

• 1970：在夏威夷构建了ALOHAnet卫星网络

• 1974：Cerf与Kahn - 提出网络互连体系结构
  

• 1976：Xerox设计了以太网

• 70‘后期：

  • 私有网络体系结构：DECnet，SNA，XNA
  • 固定长度分组交换（ATM先驱）

• 1975：ARPAnet移交给美国国防部通信局管理

• 1979：ARPAnet拥有200结点

第三阶段

? 1980-1990：新型网络协议与网络的激增

• 1983:部署TCP/IP
• 1982:定义了smtp电子邮件协议
• 1983：定义了DNS
• 1985：定义了FTP协议
• 新型国家级网络：CSnet，BITnet，NSFnet，Minitel（法国）
• 1986：NSFnet初步形成了一个由骨干网、区域网和校园网组成的三级网络
• 1988：TCP拥塞控制
• 100,000台主机连接公共网络

第四阶段

? 1990,2000’s：商业化，Web，新应用

• 1990‘s早期：ARPAnet退役
• 1991：NSF解除NSFnet的商业应用限制（1995年退役），由私营企业经营
• 1992：因特网协会ISOC成立
• 1990s后期：Web应用
  • 超文本（hypertext）【Bush 1945，Nelson 1960’s】
  • HTML，HTTP：Berners-Lee
  • 1994：Mosaic、Netscape浏览器
  • 1990‘s后期：Web开始商业应用

1990’ -2000‘s：

• 更多极受欢迎的网络应用：即时消息系统（如QQ），P2P文件共享
• 网络安全引起重视
• 网络主机约搭50000，网络用户达1亿以上
• 网络主干链路带宽达到Gbps

第五阶段

? 2005-今

• ~7.5亿主机
  • 智能手机和平板电脑
• 带宽接入的快速部署
• 无处不在的高速无线接入快速增长
• 出现在线社交网络：
  • Facebook：很快拥有10亿用户
• 服务提供商（如Google，Microsoft）创建其自己的专用网络
  • 绕开Internet，提供“即时”接入搜索、email等服务
• 电子商务、大学、企业等开始在“云”中运行自己的服务（如，Amazon EC2）