[网络协议]计算机网络——第一章：计算机网络概述

目的

1. 了解基本术语和概念
2. 掌握网络的基本原理
3. 为后续章节更深入的学习打下基础
4. 方法：以Internet为例子

1. 什么是Internet

1.1 从具体构成角度

• 节点
  ① 主机及其上运行的应用程序
  ② 路由器、交换机等网络交换设备（是节点，但既不是源，也不是目标，是中转节点）
• 边：通信链路
  ① 接入网链路：主机连接到互联网的链路
  ② 主干链路：路由器间的链路
• 协议
• 数以亿计的、互联的计算设备:
  ① 主机 = 端系统（host, end system）
  ② 运行网络应用程序
• 通信链路
  ① 光纤、同轴电缆、无线电、卫星
  ② 传输速率 = 带宽（bps）
• 分组交换设备：转发分组(packets)
  ① 路由器和交换机
• 协议控制发送、接收消息
  ① 如TCP、IP、HTTP、FTP、PPP
• Internet：“网络的网络”
  ① 松散的层次结构，互连的ISP
  ② 公共Internet vs. 专用intranet
• Internet标准
  ① RFC: Request for comments
  ② IETF: Internet Engineering Task Force

1.2 从服务角度

互联网 = 分布式应用进程 + 为分布式应用进程提供通信服务的基础设施（包括应用层以下的所有应用实体）

• 使用通信设施进行通信的分布式应用：
  ① Web、VoIP、email、分布式游戏、电子商务、社交网络……
  ② 分布式应用是网络存在的理由
• 通信基础设施为apps提供编程接口（通信服务，2种，面向连接TCP，无连接UDP）
  将发送和接收数据的apps与互联网连接起来，为app应用提供服务选择，类似于邮政服务（无连接不可靠服务、面向连接的可靠服务）

1.3 什么是协议

协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文格式和次序，以及在报文传输和/或接收或其他事件方面所采取的动作。

PDU：协议数据单元，在每个层上都有不同的特指

2. 网络边缘

1. 网络结构（从构成角度来看）：
   ① 网络边缘：主机、应用程序（客户端和服务器）
   ② 网络核心：互连着的路由器、网络的网络（数据交换的作用）
   ③ 接入网、物理媒体：有线或者无线通信链路
2. 端系统（主机）：
   ① 运行应用程序
   ② 如Web、email
   ③ 在“网络的边缘”

2.1 应用进程间通讯的模式

3. 模式一：客户/服务器（cs）模式
   ① 客户端向服务器请求、接收服务
   ② 如Web浏览器/服务器；email客户端/服务器
   ③ 弊端：可扩展性差，达到一定程度后断崖式下降
4. 模式二：对等（peer-peer，p2p）模式
   ① 很少（甚至没有）专门的服务器
   ② 如Gnutella、KaZaA、Emule，迅雷，电驴

2.2 基础设施为网络应用提供的服务方式

1. 面向连接的通讯方式
   ① 目标：在端系统之间传输数据
   ② 握手：在数据传输之前做好准备
   ③ TCP – 传输控制协议（Transmission Control Protocol ）[RFC 793]：Internet上面向连接的服务
   ④ TCP特性：
   ->可靠地、按顺序地传送数据：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，发送方降低发送速率
2. 无连接的通讯方式
   ① 目标：在端系统之间传输数据
   ② UDP – 用户数据报协议(User Datagram Protocol) [RFC 768]:
   ④ UDP特性：
   ->无连接
   ->不可靠数据传输
   ->无流量控制
   ->无拥塞控制
3. 使用TCP和UDP的应用
   ① TCP:HTTP (Web), FTP (文件传送), Telnet (远程登录)，SMTP (email)
   ② 流媒体、远程会议、DNS、Internet电话

3. 网络核心

1. 网络核心：路由器的网状网络
2. 基本问题：数据怎样通过网络进行传输？
   ① 电路交换：为每个呼叫预留一条专有电路：如电话网
   ② 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到相邻路由器（hop），一段段最终从源端传到目标端
   -> 每段：采用链路的最大传输能力（带宽）

3.1 电路交换

信令系统建立起一条通信的线路。

1. 端到端的资源被分配给从源端到目标端的呼叫“call”
   ① 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）
   ② 独享资源：不同享。每个呼叫一旦建立起来就能够保证性能
   ③ 如果呼叫没有数据发送，被分配的资源就会被浪费(no sharing)
   ④ 通常被传统电话网络采用
   
2. 为呼叫预留端-端资源
   ① 链路带宽、交换能力
   ② 专用资源：不共享
   ③ 保证性能
   ④ 要求建立呼叫连接
3. 网络资源（如带宽）被分成片
   ① 为呼叫分配片
   ② 如果某个呼叫没有数据，则其资源片处于空闲状态（不共享）
   ③ 将带宽分成片：频分(Frequencydivision multiplexing)、时分(Time-division multiplexing)、波分(Wave-division multiplexing)
4. 电路交换：FDM 与TDM
   
5. 计算举例
   TDM时隙24，获得链路速率的1/24
   传出时间不是接收到的时间，信息的传输需要时间，距离近可以不计，但是距离远了需要计算（如卫星通信）
   
6. 结论：电路交换不适合计算机之间的通信
   ① 连接建立时间长
   ② 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）
   ③ 可靠性不高？交换机需要维持很多对主机间交换的关系，核心结点一旦损毁，影响范围很大

3.2 分组交换

1. 以分组为单位存储-转发方式
   ① 网络带宽资源不再分分为一个个片，传输时使用全部带宽
   ② 主机之间传输的数据被分为一个个分组（packet）
2. 资源共享，按需使用
   存储-转发：分组每次移动一跳（ hop），时间换取共享性
   -> 在转发之前，节点必须收到整个分组
   -> 延迟比线路交换要大，整个分组完全存下来
   -> 排队时间
   
3. 分组交换：存储-转发
   ① 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
   ② 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
   ③ 例： L = 7.5 Mbits，R = 1.5 Mbps，3次存储转发的延时= 15 s
4. 分组交换: 排队延迟和丢失
   为了获取共享性必须敷出的代价
   如果到达速率>链路的输出速率:
   ① 分组将会排队，等待传输
   ② 如果路由器的缓存用完了，分组将会被抛弃
   
5. 网络核心的关键功能
   
6. 分组交换：统计多路复用
   特殊时分，分法不固定
   

3.3 分组交换网络的分类

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：

1. 数据报网络（无连接，独立传送）：
   ① 分组的目标地址（每个分组携带目标主机完整地址）决定下一跳
   ② 在不同的阶段，路由可以改变（路由器不维护主机哦通讯状态）
   ③ 类似：问路
   ④ Internent
   

2. 虚电路网络（两个主机靠信令建立网络层连接）：
   ① 每个分组都带标签（虚电路标识VC ID），标签决定下一跳
   ② 在呼叫建立时决定路径，在整个呼叫中路径保持不变
   ③ 路由器维持每个呼叫的状态信息
   ④ X.25 和ATM

3.4 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

1. 适合于对突发式数据传输
   ① 资源共享
   ② 简单，不必建立呼叫
2. 过度使用会造成网络拥塞：分组延时和丢失
   ① 对可靠地数据传输需要协议来约束：拥塞控制
3. Q: 怎样提供类似电路交换的服务？
   ① 保证音频/视频应用需要的带宽
   ② 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?

3.5 网络的分类

4. 接入网和物理媒体

4.1 接入方式

1. 住宅接入网络
2. 单位接入网络（学校、公司）
3. 无线接入网络

重要指标：带宽（bps），共享\独享

4.2 住宅接入：modem（已被淘汰）

1. 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
   ① 调频
   ② 调幅
   ③ 调相位
   ④ 综合调制
2. 拨号调制解调器
   ① 带宽窄，56Kbps 的速率直接接入路由器(通常更低)
   ② 不能同时上网和打电话：不能总是在线

4.3 digital subscriber line (DSL)

互联的上行数据和下行数据仍按照调制解调的方式
打电话的时候可以上网了

1. 采用现存的到交换局DSLAM的电话线
   ① DSL线路上的数据被传到互联网
   ② DSL线路上的语音被传到电话网
2. < 2.5 Mbps上行传输速率(typically < 1 Mbps)
3. < 24 Mbps下行传输速率(typically < 10 Mbps)

4.4 接入网：线缆网络

有线电视信号线缆双向改造
FDM: 在不同频段传输不同信道的数据，数字电视和上网数据（上下行）

1. HFC: hybrid fiber coax。 非对称: 最高30Mbps的下行传输速率, 2 Mbps 上行传输速率
2. 线缆和光纤网络将个家庭用户接入到ISP 路由器
3. 各用户共享到线缆头端的接入网络。与DSL不同, DSL每个用户一个专用线路到CO（central office）

4.5 住宅接入：电缆模式

我们国家用的很少

4.6 接入网：家庭网络

4.7 企业接入网络(Ethernet)

经常被企业或者大学等机构采用

• 10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps传输率
• 现在，端系统经常直接接到以太网络交换机上

4.8 无线接入网络

各无线端系统共享无线接入网络（端系统到无线路由器）。 通过基站或者叫接入点。

4.9 物理媒体

看的见的：导引型媒体
看不见的，在开放空间：非导引型媒体

5. Internet结构和ISP

采用渐进方法来描述当前互联网的结构

6. 分组延时、丢失、吞吐量

端到端路径上，限制端到端吞吐的链路

7. 协议层次及服务模型

7.1 服务和服务访问点

1. 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 )
2. 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
3. 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)
4. 服务类型：面向连接，无连接

7.2 服务与协议

1. 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
2. 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

7.3 数据单元

7.4 分层处理和实现复杂系统的好处

1. 概念化：结构清晰，便于标示网络组件，以及描述其相互关系
   ? 分层参考模型
2. 结构化：模块化更易于维护和系统升级
   ? 改变某一层服务的实现不影响系统中的其他层次， 对于其他层次而言是透明的
   ? 如改变登机程序并不影响系统的其它部分
   改变2个秘书使用的通信方式不影响2个翻译的工作
   改变2个翻译使用的语言也不影响上下2个层次的工作

7.5 INTERNET协议栈

7.6 各层的协议数据单元

1. 应用层：报文(message)
2. 传输层：报文段(segment)：TCP段，UDP数据报
3. 网络层：分组packet（如果无连接方式：数据报datagram）
4. 数据链路层：帧(frame)
5. 物理层：位(bit)