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第一章 计算机网络概述

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计算机网络的起源与发展

电路交换的特点

• 面向连接

• 必须经过三个步骤

  1. 建立连接（占用通信资源）

  2. 通话（一直占用通信资源）

  3. 释放连接（归还通信资源）

分组交换

流水线级报文交换

• 发送端

  • 长报文划分为较短的/固定长度的数据段
  • 每一个数据段添加首部（header）构成分组（packet）
    • 首部包括地址等控制信息
    • 分组是互联网中传送数据单元
  • 依次发送各分组。

• 中间节点

  • 即分组交换机（如路由器（三层交换机）和二层交换机）
  • 以存储转发形式根据首部信息将分组逐跳转发至目的地
  • 经历的分组交换机和通信链路成为网络的路径（path || route）

• 接收端

  • 剥去首部，恢复报文
  • 可能有丢失/乱序/重复/篡改/冒充

• 优点（理解即可）

  1. 高效（动态分配带宽，逐段占用链路）

  2. 灵活（分组为单位）

  3. 迅速（不必先建立连接）

  4. 可靠（自适应路由选择）

• 问题

  1. 时延
     • 处理时延：逐跳决策的路由查找

• 排队延时：存储转发的排队

  2. 附加开销（如首部的开销）

Internet 基本概念

• 直连链路
  • 所有节点均直连
  • 包括点对点、多路访问
• 交换网络
  • 结点（node）+链路（link）
  • 包括主机（host）和交换结点（switch）
• 互联网
  • 路由器互联网络，网络可以嵌套网络

Internet 的组成

端系统（end system）通信方式

• 客户-服务器方式（C/S）
  • 客户（client）是服务请求方，必须知道服务器程序地址
  • 服务器（server）是服务提供方，自动调用，不需知道客户地址
  • 客户和服务器都是网络边缘，网络核心只负责传输
• 对等方式（P2P）
  • 每个主机既是客户又是服务器
  • 性能瓶颈低，单点故障影响小

接入网（access network）

• 将端系统连接到边缘路由器（edge router）的物理链路。

网络核心

• 分组交换机和链路构成的网络，提供连通性而非具体业务
• 包括2类分组交换机，二层转发/三层转发
• 由ISP组成

计算机网络的性能

性能指标

速率 data rate

• 数字信道上传送数据的速率
• 又称数据率/比特率
• 单位是 bps

带宽 bandwidth

• 数字信道所能传送的最高数据率
• 即在一段特定时间内网络所能传送的比特数

吞吐量 throuphput

• 单位时间内通过某个网络（信道/接口）的数据量
• 表示测量性能
• Throughput = Tansfersize / Transfertime
  • 其中 Transfertime 包括
    • RTT（发请求并返回数据的往返时间）
    • 把数据传到网上的时间
  • 即 Transfertime = RTT + Transfersize / Bandwidth
• 大量数据传输有助于提高吞吐量
• 测量时关注小包吞吐量

时延/延迟 latency/delay

• 数据在网络两端传送花费的时间
• 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
• 发送时延 = 数据块长度(b) / 发送速率(b/s)
• 传播时延 = 信道长度(m) / 信号在信道上传播速率(m/s)
• 处理时延包括分析首部、查错校验、查找路由等
• 排队时延即节点缓存队列中分组排队经历时延，取决于网络当时通信量
• 传输速率即发送速率，和传播速率不同

时延带宽积 delay*bandwidth

• 时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
• 又称以比特为单位的链路长度
• 连续发送数据时，第一个 bit 到达终点时后续已发送bit的值
• 仅当代表链路的管道充满 bit 时，链路才充分利用
• 推论：时延固定时，带宽增长很重要

利用率

• 信道利用率
  • 信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）
  • 利用率增大时，引起的时延急剧增加
  • 令 $D_0$ 表示网络空闲时的时延，$D$ 表示网络当前的时延， $U \in [0, 1]$ 表示信道利用率，则在适当的假定条件下， $D$ 和 $D_0$ 之间的关系为：$D=\frac{D_0}{1-U}$
• 网络利用率
  • 全网络信道利用率的加权平均值

计算机网络体系结构

网络协议

• 计算机网络的基本组成部分
• 未进行网络中的数据交换而建立的规则/标准/约定
• 组成要素
  • 语法
  • 语义
  • 同步（事件实现顺序）

网络构建方案

• 模块化
  • 模块化协议栈+良定义模块接口
  • 独立性强，功能简单，易于实现
  • 适应性差，难以维护
• 两层结构
  • 应用层+物理层，一一适配
  • 结构清晰，易于维护
  • 新应用需要与每种物理层类型匹配
• 三层结构
  • 中间层实现对物理层的抽象，对应用层提供统一接口
  • 降低适配工作量
  • 增加设计难度
  • TCP/IP 就是现在的适配层

分层网络模型（Layered Network Model）

分层模型的优点

• 各层互相独立
• 灵活性好
• 结构上可分割
• 易于实现维护
• 促进标准化工作

理论模型

• 开放系统互连（OSI）参考模型（7层协议）
• 低两层面向媒介
• 高三层面向应用
• 网络层和传输层提供端到端的通信服务，但有所区别
• 网络层机器下层技术实现：主机到主机的通信（尽力而为的交付）

实际架构

• TCP / IP 架构
• 体系结构可分为 4 层，但不严格划分，以支持跨层使用网络

子网层

• 包含 OSI 模型的低两层：物理层、数据链路层
  • 物理层：处理链路上原始比特的传输。传输物理信号、接口、信号编码调制、速率
  • 数据链路层：可靠的点对点数据帧传输
• 支持多种网络协议
• 由硬件（适配器）和软件（驱动程序）共同实现
• 可分多个子层

网际协议（IP）

• 即 OSI 模型的网络层
• 网络的关键部分，支持多种网络互联为一个逻辑网络
• 实现主机到主机的通信，分组交换网内分组的路由，确定分组转发路径

端到端协议

• 即 OSI 模型的传输层
• 为应用程序提供可选择的逻辑信道，实现端到端的数据传输
• TCP
  • 面向连接的协议
  • 提供可靠的字节流传输
• UDP
  • 提供不可靠的、无连接的传输

应用层

• 包含 OSI 模型的高三层：会话层、表示层、应用层
  • 会话层： 进程管理、双工、半双工、单工、断点续发
  • 表示层：加解密、数据格式化
  • 应用层：包括应用协议 HTTP / FTP
• 功能
  • 数据表示
  • 数据加密
  • 会话控制

分层模型工作机制

多路复用、多路分解

• 基本过程
  • 从发送端系统的协议栈向下
  • 向上和向下经过中间交换节点
  • 向上到达接收端系统协议栈
• 封装
  • 数据分段，加数据包头
• 数据包交换
• 数据包路由
• 解封
  • 重组原始数据