[网络协议]高级计算机网络

第一章：网络复习概述

1.1什么是计算机网络

从构成的角度来看：
（1） 点：（端系统，网络应用）+路由器等网络交换设备
（2） 边：链路
（3） 协议：对等层实体在通信过程中所遵循的规则的集合：语法+语义+时序
从服务的角度来看：
（1） 能够为应用提供通信服务的通信架构（有连接可靠的服务和无连接的不可靠服务）
（2） 使用通信服务相互配合工作的分布式应用

1.2网络边缘

（1） 网络的结构=网络边缘（应用，主机）+网络核心（路由器等网络交换设备及链路）+接入网络与通信链路
（2） 网络边缘：运行应用的端系统（端系统中的应用交互方式）
C/S模式，特点：资源在服务器，客户端主动，方便管理，不便扩展
P2P模式，特点：资源在各个Peer，管理困难，扩展性强
（3） 利用网络的服务：TCP，UDP

1.3网络核心

（1） 网络核心
组成：网络交换设备如：路由器+链路
功能：数据交换（全局的路由+局部的转发）
（2） 数据交换方式及比较
线路交换(独享线路)：不适合计算机之间的通信
FDM TDM WDM
线路建立时间长、不可靠、不适合突发式的计算机之间的通信
分组交换：存储转发方式，统计复用
VC，Datagram

1.4网络接入与物理媒介

（1） 将端系统连接到边缘路由器的链路或网络
（2） 住宅接入：点到点接入
（3） 机构接入：LAN，以太网络，WLAN
（4） 物理链路
导向型介质，非导向型介质
（5） 常用介质：TP双绞线，同轴电缆，光纤

1.5互联网络结构与ISP

（1） 近似层次结构
T-1ISP，T-2 ISP（Regional ISP），Local ISP
（2） ISP之间的连接
POP，对等连接，IXP
（3） 内容提供商网络（ICP ）
1.6分组交换网络中的延迟与丢失
（1） 延迟的4个原因
处理延迟，排队延迟，传输延迟，传播延迟
（2） 流量强度：La/R
排队延迟依赖流量强度的公式
（3） 丢失原因：缓冲区溢出+出错没通过校验
（4） 吞吐量
瞬间吞吐量
平均吞吐量
瓶颈链路决定了主机之间的吞吐量
1.7协议层次与服务模型
（1） 为什么要分层：网络比较复杂，分层实现比较容易设计、调试、实现
（2） 分层：将复杂的网络功能划分成功能明确的层次，上层利用下层提供的服务来实现本层的协议，从而为上层提供更复杂的功能
（3） 一些术语和概念
实体：实现某个协议的软件或者硬件模块
服务、服务访问原语、服务访问点
面向连接的服务，无连接的服务
协议，协议数据单元PDU
服务和协议之间的关系（区别与联系）
（4） 互联网分层模型及每一层的功能
应用层：按照应用协议交换报文，实现各类应用
传输层：进程到进程的报文段
网络层：主机到主机的分组传输
链路层：点到点帧传输
物理层：bit序列和物理信号转换
（5） 封装和解封装
源主机的大的封装
中间交换节点的小的解封装和封装
目标主机的大的解封装

第二章：应用层

2.1网络应用原理

（1） 原理+应用实例+SCOKET编程
（2） 应用部署
1，只集中在端系统上，对网络核心的路由器没有任何改变
2，互联网架构鼓励应用创新
3，互联网成功的重要原因之一
（3） 应用架构：C/S P2P混合
（4） 进程之间通信
同主机：操作系统定义
不同主机：利用网络提供的架构交换报文
（5） SOCKET
一个整数，OS用于标示应用通信关系所采用的本地标示
TCP：连接的本地标示
UDP：端节点的本地标示
（6） 进程编址：IP+PORT（本质上在传输层上引入端口号，用于区分应用，TCP和UDP使用端口号方式不同）
（7） 应用所需服务考虑的因素（网络基础设施所提供服务的主要指标）
丢失率可靠性；延迟、延迟差（抖动）；带宽；安全性
（8） 传输层协议
TCP提供的服务特性：可靠字节流服务，面向连接，流量控制，拥塞控制
UDP提供的服务特性：无连接，不可靠的服务
都能提供进程的标识，区分不同的进程

2.2 WEB和HTTP

（1） WEB应用包括：HTTP协议，HTML，CLIENT，SERVER
（2） 术语：网页、对象、引用URL
（3） HTTP协议：
1，定义了C和S之间通信的报文格式，解释和时序
2，HTTP连接：持续性连接1.0 1.1 非持续连接2.0 3.0
3，往返延迟RTT和对象的抓取时间

2.3Email

（1） 电子邮件应用的构成：用户代理+邮件服务器+SMTP
（2） 邮件报文格式解析
报文头，报文体
MIME：邮件多媒体扩展，可以在邮件中编解码多媒体内容
（3） 邮件存取协议
作用：邮件客户端从服务器上将发送给自己的邮件拉取回来
常用：IMAP+POP3+http

2.4DNS

（1） DNS作用：完成域名到IP地址的转换（还包括，别名->正规名字；邮件服务器名字->正规名字转换等）
（2） 应用层面的基础设施，其他应用使用的应用
（3） DNS的概念：分布式、层次数据库
（4） DNS的构成：解析器（本地应用）+域名服务器+DNS协议

2.5视频流化服务和CDN

（1） 下载播放和流化播放
（2） 服务器向客户端进行流化的方式
（3） DASH流化的过程
1，客户端获取告示文件
2，客户端按照情况，向（可能是不同的）服务器请求不同视频质量的内容块
3，智能表现在客户端，根据当时缓存的播放数据块的情况，各服务器通往它自己的网络情况，决定什么时候向那个服务器请求哪些块
（4） CDN
1，单个服务器，或者服务器群向客户端提供海量内容并发服务的问题：扩展性差
2，CDN原理：
2.1：应用层面的协作服务网络（与DNS一样部署在应用层）
2.2：在全网部署缓存节点，内容预先部署到CDN缓存节点上
2.3：用户请求通过域名解析重定向向自己“最近的节点”请求内容
3，缓存节点放置的方式：
Enter Deep：深入到各叶子ISP，离客户很近，效果好，数量很多，代价大，管理困难
Bring Home：在关键点，到各ISP的距离都比较近，通常在比较高层次，代价少，效果一般

第三章：传输层

3.1传输层服务

（1） 传输服务：使端系统应用之间进行逻辑通信
（2） 传输协议：运行于端系统的2个对等传输层实体相互通信应该遵守的规则集合
（3） 传输服务和网络服务的区别
网络服务：主机到主机的通信
传输服务：进程到进程的通信，更细的端到端
（4） 互联网传输层协议：TCP，UDP

3.2复用与解复用

（1） 复用：源端（TCP或者UDP实体）从多个上层应用收集数据：应用报文，封装报文
（2） 解复用：接收端将数据按照端口号（结合IP）给相应的SOCKET对应的应用
（3） 复用和解复用的工作原理：IP PORT

3.3无连接传输协议UDP

（4） UDP的必要性：
1，应用对实时性要求高，对可靠性要求不高
2，或者某些应用需要可靠性，但是基于TCP之上，应用受不了TCP为了实现可靠性付出的延迟大于成本，基于UDP在应用层自己实现可靠性：QUIC
开销小：8B头部
事务性应用：一次交互完成的应用
（5） UDP报文（无连接的，因此叫作UDP数据报）格式
UDP报文校验和的计算：有进位回滚的和，然后求补
校验：校验范围和校验和之和（有进位回滚的）位全1

3.4可靠数据传输原理

（1） 协议演进的方式讲解如何进行RDT
1，加入一些假设，简单的协议可以提供可靠数据传递
2，一次去掉一些假设，需要协议实体做相应的变化从而能够进行RDT
（2） 技术机制
校验和，正向确认，反向确认
序号：检查重复，乱序，gap
只有正向确认的机制
检测重发和超时重发：处理丢失（滑动窗口）
（3） 利用率：单位时间内* %时间用于有效数据的传递
（4） 停止等待技术：链路带宽延迟积（容量）高的时候信道利用率低
管道技术：在未经对方确认的情况下，可以连续发送多个PDU
GBN：发送窗口大于1，接受窗口=1
SR：发送窗口大于1，接收窗口大于1

3.5面向连接的传输层协议：TCP

（1） TCP服务特性
点-点；可靠保序字节流；管道；缓冲；全双工；面向连接；流控制； 拥塞控制
（2） TCP段结构
1，各个字段的作用
2，连接建立时协商好双方的起始序号，随机或者和时钟有关
放置老的连接上的数据对新的连接上的数据造成影响
3，序号是首字节在字节流的偏移量
4，确认：是对顺序收到的最后一个字节+1，对于那个字节及以后的期待
（3） RTT时间估计和重发超时时间估计
移动平均计算：平均往返延迟
移动平均计算：当前往返延迟采样值与平均值的标准差
RTO=平均值+4标准差
（4） 快速重传：在没有超时的情况下，收到对方对于某一个段的重复三次（一共4个）ACK
（5） 流量控制
目的：放置淹没接收方
手段：反馈将接收窗口大小捎带方式传递给发送端
（6） TCP连接管理
连接建立：3次握手，对双方选择的初始序号给予确认，准备好缓冲区
连接：资源准备、控制变量置位，为通信做好准备
连接拆除：对称，存在2军问题不完美（也不存在完美释放连接的方案，用定时器凑合解决，心跳）
连接状态及其变迁

3.6拥塞控制原理

（1） 拥塞的概念，什么是拥塞，为什么会发生拥塞
传输速度超过链路和节点的处理能力，导致排队延迟高，丢包率高。拥塞窗口/RTT
（2） 拥塞表现：延迟大、丢包多。总体上看吞吐量随着注入的速率增加输出不再增加或者下降，加速变坏
（3） 目的：恢复到不拥塞状态，不拥塞情况下尽量传得快（吞吐量大）+延迟小
（4） 拥塞控制手段
端到端的拥塞控制：传统TCP采用这种方式
网络辅助的拥塞控制，ATM网络标志和携带拥塞信息，反馈给主机，升级TCP的ECN

3.7 TCP的拥塞控制原理

（1） 传统TCP拥塞控制原理
检测拥塞：三个冗余ACK（轻微拥塞），超时（拥塞，存在误判的可能，但是概率小）
拥塞控制机制：AIMD慢启动，超时之后的保守策略
（2） TCP拥塞控制的两种算法
Tahoe：（3个ACK和超时都当做拥塞，最开始为1 ，慢启动指数增长，当发生拥塞时，把当前的窗口大小的一半当做警戒值，最新的窗口变为1，开始慢启动，到警戒值时，开始拥塞避免状态线性增长）
Reno算法：（最开始慢启动指数增长，当触发3个冗余时，将警戒值设为当前的一半，把当前窗口大小变为最新的警戒值+3MSS，之后开始线性增长
（3） 后续：New Reno，Sack，ECN，CUBIC，BBR

第四章：网络层数据平面

4.1网络层的功能简介

（1） 网络层的主要服务和功能
服务：向传输层提供主机到主机的段传输服务
功能1-全局的路由功能，控制平面的功能；决定从源到目的的路径
功能2-局部的转发功能，数据平面功能：从路由器的一个端口入，从另外一个端口流出
以上两个功能相互配合将数据报从源传送到目标主机，从而实现网络核心的交换功能，关联是转发表（路由表）、流表
（2） 实现网络层功能的两种方式
1，传统方式：
控制平面和数据平面垂直集成在每个设备上（路由器）
控制平面功能：路由协议实体分布式地计算路由表
数据平面的功能那个：IP一些按照路由表进行分组的转发
2，SDN通用转发方式
控制平面和数据平面分离，在不同设备上实现
sdn控制器集中式计算，下发流表实现控制平面功能
sdn分组交换机按照流表对到来的分组进行转发，实现数据平面的功能

（3） 网络层提供服务的一些重要指标：带宽；延迟，延迟差；丢包与否，丢包率

4.2传统路由器结构与工作原理

（1） 路由器的2大功能
路由协议：结果形成路由表（转发表）
转发分组：使用转发表转发分组，交换
（2） 构成
输入端口：线路终端实现物理层功能、链路协议实体实现链路层功能，网络层功能实现分布式分组转发；最长前缀匹配
交换结构：基于内存的，基于bus的，基于Crossbar的
输出端口三个层面的功能
1，网络层可以实现分组的调度：FIFO，RR，WFQ
2，调度支持对多媒体分组等优先级分组的传输支持
3，网络层、链路层和物理层实体协议处理，将分组形成的帧对应的bits形成物理信号打出去
路由器处理：控制各部分协调工作

4.3互联网网络层协议

（1） IP网络提供的服务模型：尽力而为
包括含义：丢包、乱序、不可靠、（可能包括重复）
（2） 网络层构成
IP协议、路由选择协议、ICMP协议等
转发表
（3） IP数据报格式
各个字段的作用：分组有ID，头部要校验
分片和重组
1，一个分组的总体大小超过了转发链路的MTU，因此要切片
2，到目标主机重组
（4） IP编址
IP地址：主机或路由器和网络接口的标识
子网：在一个子网内的设备之间的通信有两个特点
1，通信无需借助路由器
2，子网前缀一样
地址层次性支持路由器以子网为单位，而不是以主机IP为单位（代价大）

IP地址分类：ABCDE
特殊IP地址：回环地址
子网掩码和CIDR
（5） NAT（内网映射外网）
（6） DHCP协议：上网主机获得IP、掩码、默认网关
（7） 路由聚集：
1，连续的子网前缀的子网可达信息可以做聚集，减少向外部传输路由的数量，减少路由计算的负担
2，支持大概路由聚集，与此对应的是最长前缀匹配
（8） IPV6
1，IPV6格式（固定头部长度40B），地址128bits
2，IPV6的变化
3，IPV4到IPV6的迁移：隧道

4.4通用转发和SDN

（1） SDN方式控制平面和数据平面分离的优点
1，集中在控制器上实现控制逻辑，网络可编程，可以实现各种复杂的网络功能、新功能（一次部署，持续升级）、方便管理
2，形成开发生态（控制器，分组交换机，网络应用，在一个开放的框架下协作）
3，SDN分组交换机按照计算出的流表进行分组转发、通用、便于升级
（2） 分组交换机工作原理
1，模式匹配+行动（action不仅仅是转发，还可以组播，泛洪，修改字段和阻塞）
2，进来分组，按照多字段match流表，按照表项的action对分组作用
3，如果多个流表匹配上，按照优先权进行判断
4，统计计数

第五章网络层控制平面

路由选择算法

（1） 路由目标：根据收集到的路由信息（拓扑，链路代价等）计算出源到目标较好的路径，代价比较低的路径
主机间的路径=子网之间的路由=路由器间的路径
由于IP地址是由层次
路有目标实际上是计算出路由节点的汇集树
路由原则：完整正确，简单，健壮，稳定公平，最优
（2） 路由分类
静态合动态（自适应）
局部和全局的
（3） LS算法：全局的路由选择算法，工作原理
1，每个节点收集邻居信息，生成LS；LS全AS泛洪
2，节点收集各LS状态分组，形成网络拓扑
3，按照最短路径算法算出到其他节点的最优路径（迪杰斯拉算法）
（4） DV算法：局部的路由选择算法，工作原理i
1，每个节点维护到所有其他节点的下一跳和代价值
2，邻居节点之间定期交换DV
3，按照Bellman-Ford不断迭代生成到所有目标的代价和相应的下一跳
分布式算法，存在环路问题和无穷收敛问题
（5） 层次路由
1，一个平面解决路由的问题：计算、传输和存储路由信息的量太大，不具备可扩展性，也不满足不同网络运营放不同的管理需求
2，分成一个个AS
AS内部之间的节点路由有内部网关协议解决：OSPF，RIP，IGRP
AS之间的路由，由外部网关协议解决：BPG
路由到网关，有网关（经过内部网关协议穿过一个个AS，穿过AS网关之间路由靠外部网关协议）路由到目标网关，到了目标AS内部，采用AS内部的路由解决
3，分层路由的优势
规模性问题：每个AS的子网数量有限，路由计算传输代价小
管理性问题：不同AS可以采用自己的协议
（6） 路由协议分类
1，内部网关协议IGP
RIP；OSPF：AS内部支持分层路由，同时支持多种代价；IGPR
2，外部网关协议EGP；BGP

ICMP协议

作用：包括错误，echo请求和应答
报文类型有echo，Tracert等

第六章：数据链路层和局域网

6.1引论

（1） 链路层的服务：点到相邻节点的以帧为单位的数据
1，成帧、链路存取控制（链路访问控制）
2，在相邻节点间进行可靠数据传递（有些，如无线网络）
3，流量控制
4，检错，纠错
5，全双工和半双工

（2） 链路层网络节点的连接方式
1，点到点方式：比较适合广域网，联网复杂，但是链路层功能简单
2，多点连接的方式：比较适合局域、联网方便，但需要解决MAC问题，复杂

6.2检错与纠错

（1） 检错原理：D和EDC之间符合某种约定的差错
控制编码关系，源端编码，目标端校验
奇偶校验
CRC
1，发送接收方约定的生成多项式：G,r次
2，发送端按照G对数据D进行CRC编码：左移r位，除以G得到余数
3，D左移r为+R，一起传输
4，接收方进行解码：D左移r为+R，能否被G整除

6.3多路访问协议

（1） MAC的必要性：多点连接网络协调各节点对共享式信道的使用
（2） MAP
1，信道划分
TDMA，FDMA，CDMA
2，RAY：随机访问协议
3，轮转协议：令牌协议

6.4链路层编地址

（1） MAC地址
格式：48位平面地址，标示一个具体的网卡
分配：IEEE
（2） MAC地址和网络层地址的区别
层次不同，
MAC是地址平面的，标示一个物理网络的不同站点
IP是层次的，可聚集的，便于计算路由

（3） ARP协议
目的：物理网络范围内IP地址到MAC地址的转换
工作原理：广播查询，单播应答

6.5 以太网络

（1） IEEE802.3标准，链路层和相应的物理层
（2） 以太网络的帧结构：前导码头部，目标地址在前
（3） 向上提供服务的特点：无连接，不可靠
因为比较可靠了，在链路层上做可靠工作效率低
（4） 访问控制技术：CSMA/CD，指数后退
（5） 编码:Manchester编码+4b5b编码+8b10b编码，物理层技术
（6） WLAN介质访问控制技术：CSMA/CA

6.6HUB和交换机

（1） HUB连接方式的问题：
1，物理层设备，信号整形放大
2，一个端口进，所有端口处，处在一个碰撞域之内
3，无法隔离冲突
（2） 交换机的工作原理
选择性转发：SW
自学习：学习MAC地址和交换机端口的捆绑关系
流量隔离：选择性发转发
专用接入：交换机端口直接解主机
（3） 路由器和交换机的区别：2层工作、3层工作

第七章：多媒体网络应用
涉及到音视频等多媒体的网络应用
CBR：以固定速度编码
VBR：视频编码速率随时间的变化而变化

多媒体：音频
（1） 非压缩编码的PCM过程：采样、量化和编码
（2） 采样：已固定采用频率采样模拟音频信号
电话：8000采样/sec
CD音乐：44,100采样/sec
（3） 量化编码：每个采用被量化编码
如：2^8 = 256可能的量化，量化误差
每个量化值被若干比特表示
如：8bits
（4） 音频：码率低
人对音频的质量比较敏感
多媒体网络：3中应用类型
1，流化、存储音视频
1，存储（在服务器、非实时产生的数据）：
数据以前生产并存储
可以按照比正常音视频播放所需速度更快的速度传输，意味着可在客户端进行缓存/预取
2，流化（单向）：在下载整个文件前就可以播放
网络带宽够且服务器已经存储（相反实时音视频不可以）
（1） ’e.g.，YouToBe
（2） 流化存储音视频特点：流化、交互性、连续播放
（3） 对网络的需求：平均带宽》播放带宽，延迟10s可接受
路径带宽变化，缓存平滑吞吐的变化，但本质上从长期来看，路径平均吞吐>播放所需要带宽
（4） 所使用的技术：缓存、预取、自适应带宽质量和CDN
2，IP交互式音频/视频
（1） 交互式音频：互联网电话VoIP
（2） 交互式视频：Skype,微信
（3） 特点：数据实时产生、流化、双（多）向
（4） 对网络的需求：
有带宽要求，延迟要小150ms，人-人交互特性限制了延迟容忍度
抖动要小，对于丢失不是很敏感
（5） 使用的技术：自适应播放，FEC，错误掩盖
3，流化、实时音视频
（1） 网络视频直播、网络广播：e.g.，实况赛事
（2） 2中实现方式：网络层组播、应用层组播
（3） 数据实时产生，流化，单向（用户多），直播平台支持交互
（4） 对网络的要求：带宽要求，延迟10s可接受
（5） 使用技术和流式存储视频技术类似
初始缓存、自适应带宽、CDN分发
流式存储视频
挑战
（1） 连续播放限制：一旦客户端开始播放，消费速率=原始速度
1，到点该播放某帧了，该帧的数据就应该收到
2，否则以后到了也没有用
3，但网络延迟是变化的（抖动），有可能某些帧延后到，因此需要客户端缓存
第一个帧收到不是立即放，而是延迟一段时间再放
（2） 其它挑战：
客户交互行为：暂停、前进、倒退、在视频内部跳转
视频分组可能丢失，重传（需要时间代价）
（3） 缓冲的作用：
1，吸收端到端延迟的变化：某帧延后到达，只要缓冲中还有数据，就可以连续播放；靠增加总体播放延迟作为代价来你补延迟变化
2，补偿端到端带宽的波动：瞬间路径吞吐<播放码率，进来的速率<消耗的速率，只要缓冲中还有数据，就可以连续播放；条件：路径平均吞吐>=播放带宽
（4） 流化视频技术：UDP流化，HTTP流化，自适应HTTP流化
（5） 都需要客户端缓冲：因为网络延迟是变化的，路径平均吞吐是变化的
（6） 客户端缓存和播放延迟：补偿网络增加的延迟，以及延迟抖动，增加播放延迟换取播放的连续性
流式多媒体技术：DASH
DASH：Dynamic， Adaptive Streaming over HTTP
（1） 服务器：
将视频文件分割成多个块
每个块独立存储，编码于不同码率（8-10中）
货物清单：提供不同块的URL
（2） 客户端：
先获取货物清单
周期性地测量服务器到客户端的带宽
查询货物清单，在一个时刻请求一个块，HTTP头部指定字节范围
如果带宽足够，选择最大码率的视频块
会话中的不同时刻，可以切换请求不同的编码块
（3） DASH的优点
动态估计带宽情况，当前缓存情况，DASH通常能够做到持续播放
减轻服务器的负担，可扩展性强
Content Distribution Networks（内容分发网络）
（1） 挑战：服务器如何通过网络向上百万用户同时流化视频内容
（2） 选择1：单个的、大的超级服务中心
1，服务器到客户端路径上跳数较多，瓶颈链路的带宽小导致停顿
2，“二八规律”决定了网络同时充斥着同一个视频的多个拷贝，效率低
3，单点故障点，性能瓶颈
4，周边网络的拥塞
评述：相当简单，但是这个方法不可扩展
（3） 选项二：通过CDN，全网部署缓存节点，存储服务内容，就近为用户提供服务，提高用户体验
enter deep:将CDN服务器深入到许多接入网
1，更接近用户，数量多，离用户进，管理困难
bring homr:部署在少数（10个左右）关键位置，如将服务器簇安装于POP附近
采用租用线路将服务器簇连接起来
CDN内容复制策略
（1） 不需要将所有内容复制到所有缓存节点中
（2） 内容复制策略决定什么内容存储在缓存节点中
（3） 非热点内容会被替换（替换策略）掉，以腾出空间

Voice-over-IP(VoIP)

概述：
（1） VoIP：网络上传输实时产生的音频，应用需求：
1，延迟不能够太大，<400ms否则会影响交互性
应用处理不能够增加太多延迟，采用UDP（传输层不加太多延迟）
2，少量丢失允许，但如丢失太多，会听不清，EFC
3，抖动太大，变调，（需要缓冲处理，持续播放；需要编号排序）
（2） IP提供的服务：尽力而为（丢失；延迟；抖动）
（3） 在应用层上做哪些工作，对抗网络的问题，从而能够很好地运行VoIP
都是IP分组，网络层不单独为某种类型应用优化
问题1：丢失
延迟区满、出错校验没有通过
延迟超大（超过人工播放延迟），错过了播放时间到达
采用TCP不可行
1，超时重发机制会让整体增加延迟，影响实时性
2，无法利用TCP尽力传输后面产生的数据，数据实时产生
应用层利用编码或掩盖部分丢失，小于1-10%的丢失都没有关系
问题2：延迟
所有延迟：各链路的传输，传播延迟，应用层缓冲和处理等
策略是：无法减少必要的网络延迟，在应用层不能够人工增加延迟：处理，缓冲
1，采用UDP，而不是采用TCP
2，引入的播放延迟，使得总体延迟最好限制在400ms以内
在保证最大化连续播放情况下，最小化播放延迟

问题3：抖动
原因：分组延迟不同，不同路径，有的链路重传
后果：分组之间延迟有差，分组间间隔变化；甚至先发后到->直接播放效果差（变调，不可理解）
措施：
1，发送端分组打时戳和编号，接收端排序
序号+1，序号在静默期不发数据时不增加
时戳+，时戳在静默期仍然增加
2，在接收端引入缓冲，引入播放延迟消除（吸收）抖动（固定或者自适应 ）

（4） VoIP架构
（1），说话者的音频：分成突发期和静默期
会话突发期：64kbps
只是在会话突发期产生分组
20msec生产一个数据块，8000B/sec:160B/20mes
2，在每一块语音数据上加上应用层报头
3，应用报文（头+语音数据）封装在UDP或TCP段中
4，在会话突发期，应用程序每隔20ms发送一个段
（2）自适应播放延迟

（5） Voip：从分组丢失中恢复
挑战：从分组丢失中恢复，在给定小的可容忍延迟内
1，利用重传：每个ACK/NCK将会耗时~1RTT
2，其他选择：Forward Error Correction(FEC)
发送足够的bits允许从丢失中恢复，无需重传

简单FEC
1，对于每组n个数据块，用n块数据的异或创建一个冗余块
2，发送n+1数据块，增加带宽约合1/n
3，至多一组中一块数据丢失的情况下，可以重构该丢失的数据块，无需重传

另外一种FEC方案
1，捎带低质量码流
2，将低质量码率当做冗余信息传递
3，e.g.，PCM码流64kbps，冗余码GSM速率13kbps
非连续的丢失：接收方可以掩盖丢失
一般化方法：也可以附加（n-1）st和(n-2)nd低码率数据块

交织掩盖丢失
1，音频数据块分割成小的单元，e.g. ，4个5msec数据块（每20ms数据块）
2，分组包含不同数据块的小单元
3，如果分组丢失，仍然拥有每个原始数据块的绝大多数小单元
4，没有冗余信息，但增加了播放延迟

实时交互式应用的协议

（1） ### Real-Time Protocol (RTP)
RTP规范了用于携带音频和视频数据的分组结构
RFC 3550
RTP分组提供（负载类型标示，分组序号，时戳）
RTP运行在端系统
RTP分组封装在UDP的段中
互操作性：如果两个VoIP应用运行在RTP上，他们可以协同工作
（2） RTP运行在UDP上
RTP库提供传输层接口，扩展了UDP
1，端口号，IP地址
2，负载类型标示
3，分组序号
4，时戳
（3） RTP和QoS
1，RTP不提供任何按时交互以及其他QoS保证的机制
2，RTP封装仅在端系统中能够看到
路由器提供尽力而为的服务，没有确保RTP分组能够按时到达目标端的额外努力
（4） Real-Time Control Protocol（RTCP）
1，与RTP协同工作
2，RTP会话的每个参与方定期发送RTCP控制分组，到所有其他的参与方
3，每个RTCP 分组包含发送方和/或接收方的报告
4，反馈信息用于控制性能（发送方可能会根据反馈调整其传输）
（5） SIP：Session Initiation Protocol
SIP目标
1，所有的电话呼叫，视频会议都可以通过互联网展开
2，用户被名字或者email地址标示，而不是电话号码
3，你可以接通被叫，不管被叫是不是在漫游，也不管被叫目前采用的IP地址是什么
SIP服务
1，建立一个呼叫，SIP提供机制
对于主叫来说，让被叫知道有人要和他建立呼叫
主叫-被叫协商媒体类型和具体编码参数
结束呼叫
2，确定被叫当前所使用的IP地址
将命名标示映射到当前被叫使用的IP地址
3，呼叫管理：
在会话过程中加入一个新的媒体流类型
在会话过程中改变编码
邀请其他方加入会话
转移、保持会话
（6） ### SIP proxy
1，SIP服务器另外一个功能是：proxy
2，Alice发送invite报文给她自己的代理服务器
包含地址：SIP：bob@domain.com
代理负责路由SIP报文到被叫，可能需要经过多个代理
3，Bob经过相同的SIP代理集合发送响应报文，返回
4，代理得到Bob的SIP响应报文，返回给Alice（包含Bob的IP地址）
5，SIP代理类比于local DNS server +TCP setup
（7） H.323
1，H.323是另外一套为实时、交互性通信服务的信令协议
2，H.323是针对多媒体会议一个完整、垂直集成的协议族
3，SIP是一个单个的协议，需要和RTP协议配合，但是也不一定，也可以和其他的协议和服务组合使用
4，H.323来自ITU
5，SIP来自IETF：借鉴了很多HTTP协议的概念（SIP协议具有Web风格，H.323具有电信风格）
6,SIP采用KISS原则：Keep it simple and stupid

多媒体的网络支持

应用层vs网络层 支持多媒体应用
（1） ，前几节：在尽力而为网络上开展网络媒体服务的有效方法
1，网络不做任何变化，在边缘端系统应用层做工作
2，应用层技术：客户端缓存、预取、自适应媒体质量、自适应播放、丢失掩盖
3，应用层系统级方法：CDN分发网络媒体内容
（2） 网络层机制：支持多媒体应用（提供对网络多媒体有效支持）

网络层机制部署现状

（1） 还没有广泛应用，不同ISP网络部署情况不同
（2） 原因1：应用程序或者应用基础设施+尽力而为服务：足够好
（3） 原因2：部署网络级的机制复杂，要对网络增加复杂的功能，不是很划算
1，互联网的收费模式，让ISP不愿意投入太多
2，ISP投入多，ICP和服务运营商会受益更多，ISP很难分一杯羹
3，单个ISP部署一些网络层的特性，但如果其他ISP没有部署，多媒体效果并不好
（4） 网络机制
1，扩容带宽
2，区分服务–类分组在路由器得到的服务（标记，调度，监管）
3，每连接Qos保证，建立时，预约网络资源（如带宽）保证端到端的性能
硬保证：连接的性能确定得到保证
软保证：比较高的可能性得到性能保证
技术：标记，调度，监管，呼叫准入

网络管理

网络管理的现实例子

（1） 飞机控制是、DCS控制系统
（2） 设别管理的功能
1，监测系统各部件的运行状态（输入）
管理人员查询设备（查询，定期）
设备在异常时主动上报
2，根据状态和目标，干涉系统的运行，发出执行动作（输出）
（3） 最终目的：监控各设备运行状态，保证系统正常运行

网络管理的功能举例

（1） 监测主机或路由器的网卡故障（网卡发去的帧错误增加）
（2） 自动监测主机的活跃程度
（3） 监测流量：
某网段的流量增加，可以将服务器迁到另外一个网段
某网段的流量超过阕值，在用户感知之前，升级带宽
（4） 路由表格的快速变化，配置问题，在网络发生问题前发生并修复
（5） SLA监测：掉线率，延迟，吞吐量，达到下限报警
（6） 入侵检测：攻击行为，检测和报警

网络管理的5大功能

（1） 性能管理
1，性能（利用率、吞吐量）量化、测量、报告、分析和控制不同网络部件的性能
2，涉及到的部件：单独部件（网卡，协议实体），端到端的路径
（2） 故障管理：记录、检测和响应故障
1，性能管理为长期监测设备性能
2，故障管理：突然发生的强度大的性能降低，强调对故障的响应
（3） 配置管理：跟踪设备的配置，管理设备配置信息
（4） 账户管理：定义、记录和控制用户和设备访问网络资源
限额使用、给予使用的收费，以及分配资源访问权限
（5） 安全管理：定义安全策略，控制对网络资源的使用

网络管理的实质·

（1） 实质：远程（分布式）监测（查询、定期上报，以及异常异步报告）和控制
（2） 实例：集团和分支机构
1，分支定期报告，产量等信息
2，分支主动报告异常
3，总部文分支：上报信息（指标）
4，总部发出指令，让分支动作

网络安全

什么是安全安全

（1） 机密性：只有发送方和指定的接收方能否理解传输的报文内容
发送方加密报文
接收方解密报文
（2） 认证：发送方和接收方需要确认对方的身份
（3） 报文完整性：发送方、接收方需要确认报文在传输的过程中或者事后没有被改变
（4） 访问控制和服务的可用性：服务可以接入以及对用户而言是可用的

加密原理

加密术语

m=Kb(Ka(m))；m:明文，Ka(m）密文，采用Ka进行加密

对称秘钥加密

发送方和接收方共享相同的秘钥（对称）
简单对称加密方案：将一个字母换成另外一个字母
加密秘钥：26个字母和26字母的映射关系
###AES
每128bits进行加密

密码块链

（1） 密码块：如果输入块重复，将会得到相同的密文块
（2） 密码块链：第i轮输入m(i)，与前一轮的密码c(i-1)做异或

公开密钥加密算法

要求：
1，Kb-(Kb+(m))=m：kb-私钥，kb+公钥
2，戈丁公钥Kb+，导出私钥Kb-计算上不可行
预先知识
a mod n + b mod n = (a+b) mod n
a mod n - b mod n = (a-b) mod n
a mod n * b mod n = (a*b) mod n
因此：
（a mod n)^d mod n = a^d mod n
##RSA

RSA :准备

（1） 报文：就是一个bit模式
（2） bit模式可以唯一的用整数来表示
（3） 因此，加密一个报文就等于加密一个整数

RSA：创建公钥/私钥对

（1） 选择2个很大的质数p,q
（2） 计算n=pq，z=(p-1)(q-1)
（3） 选择一个e（要求e<n）和z没有一个公共因子，互素
（4） 选择d使得ed-1正好能够被z整除（也就是ed mod z =1）
（5） 公钥（n,e），私钥（n,d）

RSA加密和解密

（1） 给定按照上诉算法得到的（n,e）和（n,d）
（2） 加密报文m(<n)，加密算法
c = m^e mod n
（3） 对接收到的密文c解密，如此计算
m = c^d mod n
（4）

数字签名
数字签名类似于手写签名
（1） 发送方数字签署了文件，前提是他是文件的拥有者/创建者
（2） 可验证性，不可伪造性：接收方可以向其他人证明一定是发送方而不是其他人签署了该报文
（3） 报文m的简单数字签名
发送方使用其私钥对m进行了签署，创建数字签名的Kb-(m)
报文摘要
对长报文进行公开秘钥加密算法的运行需要耗费大量的时间
Goal:固定长度，容易计算的指纹对m使用散列函数H，获得固定长度的报文摘要H（m）
散列函数的特性
1，多对1
2，结果固定长度
3，给定一个报文摘要x，反向计算出原报文在计算上是 不可行的

公钥认证中心（CA）
（1） certification authority（CA）：将一个公钥和拥有它的实体E做个捆绑
（2） E（person，router）到CA那里注册他的公钥（带外的），E提供给CA，自己身份的证据"proof of identity"
CA 创建了一个证书，捆绑了E实体信息和他的公钥
Certificate包括了E的公钥，而且是被CA签署的（被CA用自己的私钥加了密的）–CA说这是E的公钥
（3） 当A拿到B的公钥
1，获得B的证书certificate
2，使用CA的公钥来验证B的证书
前提是之前需要可靠地获得CA的公钥，CA的证书
CA证书获得带外方式：安装系统带的，或者直接信赖的这个公钥
CA证书一般是自己用自己的私钥签署自己的公钥
安全电子邮件（应用层 ）
机密性
A需要发送机密的报文m给B
A：
产生随机的对称秘钥，Ks
使用Ks对报文加密（为了效率）
对Ks使用B的公钥进行加密
发送Ks(m)和Kb+(Ks)给B
B:
使用自己的私钥解密Ks
使用Ks解密Ks(m)得到报文

完整性和可认证性
A数字签署文件（采用自己的私钥签署报文的散列）
发送报文（明文）和数字签名

机密性，可认证性和报文的完整性
A用3个keys：自己的私钥，B的公钥，新产生的对称式密钥

TCP的连接安全TLS（Transport-layer security）

TLS密钥生成
（1） 在多个加密操作中采用同一个密钥：不安全
采用不同的密钥用于：报文认证（MAC）和加密
（2） 4keys
Kc = 客户端到服务端的加密密钥
Mc = 客户端到服务器的MAC密钥
Ks = 服务器到客户端的加密密钥
Ms = 服务器到客户端的MAC密钥
（3） 密钥有密钥key derivation function(KDF)导出函数导出
KDF创建密钥的输入：主密钥MS+（可能的）一些附加随机数据
破除主密钥MS和4Keys的固定对应关系
t-tls：加密数据
（1） 流式加密，完整性校验的MAC只能在最后，那么只有所有数据都被传输完毕才能够进行完整性校验
（2） 如：对于即时通信（持续时间很长），在终端显示这些字符之前，如何对所有字节进行完整性校验？
（3） 方案：将字节流分割成一个个的记录
1，每个记录C-S携带该记录的MAC，hash（采用Mc）
2，接收端可以对每一个到达的记录进行完整性校验
（4） 攻击者可能会修改TCP的头部，比如修改头部中的序号，方案就是讲序号放入MAC中
TLS加密套件
（1） “加密套件”：密钥生成算法，加密算法，MAC算法，数字签名算法（并不捆绑具体算法）

IPSec:网络层的安全

IPSec协议：位置

（1） 在2个网络（主机或路由器）
（2） IP之上、传输层协议之下
（3） 发送实体加密数据报载荷，载荷可以是：
1，原IP的所有载荷都可以是IPSec的载荷
2，TCP段、UDP数据报、ICMP报文、OSPF报文等
（4） 层次较低，所有从发送端实体到其他接收方的数据都可以被隐藏
（5） 地毯覆盖（IP的载荷（如TCP段）是经过加密，认证，完整性检查的）

IPSec的2个模式

（1） 传输模式
1，主机之间
2，只有数据报载荷被加密和认证（头部明文）
（2） 隧道模式
1，路由器之间
2，整个数据报都被加密和认证
3，加密的数据报被封装在一个新的数据报中，新的IP头部
4,2个路由器之间就像有个隧道一样，将2个网络连接起来：VPN

IPSec总结

（1） IKE交换报文用于：协商算法（加密套件），生成和交换keys，生成SPI，自动建立SA
（2） AH或者ESP协议
1，AH提供完整性，源端的可认证性
2，ESP（相对于AH来说）提供附加的机密性
（3） IPSec对可以是2个网络实体间的安全同行关系
1,2个路由器/防火墙
2,1个路由器/防火墙,另外一个是端系统
3,2个端系统之间
#防火墙
将组织内部网络和互联网隔离开来，按照规则允许某些分组通过（进出），或者阻塞掉某些分组

防火墙的必要

（1） 阻止拒绝服务攻击
SYN flooding：攻击者建立很多伪造TCP连接，对于真正用户而言由于服务器的资源被耗尽，他们的访问被拒绝
（2） 阻止非法的修改/对非授权内容的访问（e.g. 攻击者替换CIA的主页）
（3） 只允许认证的用户能访问内部网络资源
（4） 2种类型的防火墙
1，无状态分组过滤器
2，有状态分组过滤器
3，应用网关

无状态分组过滤：例子

例1：阻塞进出的数据包：只要拥有IP协议字段=17，而且源/目标端口号=23
结果：所有的进出UDP流，以及TCP上Telnet连接分组都被阻塞掉
例2：阻塞进入内网的TCP段：它的ACK=0
结果：阻止外部客户端主动和内部的主机建立TCP连接，但允许内部网络的客户端主动和外部服务器建立TCP连接；

有状态分组过滤器：跟踪每个TCP连接的状态

（1） 跟踪TCP连接建立（SYN），拆除（FIN）；然后才让相应后续分组通过
（2） 防火墙上的非活跃连接会超时，不再允许相应的分组通过防火墙

IDS:入侵检测系统

（1） 分组过滤：
1，对TCP/IP头部字段进行检查
2，不检查会话分组间的相关性
（2） IDS：intrusion detection system
1，深入分组检查：检查分组的内容
2，检查分组间的相关性，判断是否是有害的分组
端口扫描，网络映射，Dos攻击

无线链路和移动网络

无线链路

无线链路特征

与有线链路的重要差别表现在：
（1） 衰减的信号强度：无线电磁波信号在通过物体（即使是开放空间时）时衰减（路径损耗）
1，随着距离的平方成反比，和物体材料性质、频率有关
2，而在有线导引型介质中，任何2点的信号强度变化不是那么大
（2） 来自其他信号源的干扰
1，标准无线网络频率（e.g. ，2.4GHz）与其它设备如无绳电话共享频段，相互干扰
2，环境中的电磁噪声（motors）干扰
（3） CDMA
###无线局域网
IEEE 802.11 Wireless LAN
WIFI4,WIFI5,WIFI6
1，不同点：带宽、频率、范围和物理编码技术不同
2，共同之处：在共享无线信道中使用CSMA/CA介质访问控制方式，而且都有基站模式和自组织模式