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  • 计算机网络自顶向下方法学习笔记2017/5/23 From page 208: 1.可靠传输协议是基于ARQ (Automatic Repeat reQuest) protocols 2. rdt2.0 protocol will similarly send ACK and NAK packets back from the ...

    传输层

    2017/5/23
    From page 208:
    1.可靠传输协议是基于ARQ (Automatic Repeat reQuest) protocols
    2.

    rdt2.0 protocol will similarly send ACK and NAK packets back from the receiver to the sender.

    3.当发送方在等待ACK或者NAK时,它并不能接收上层到来的数据,所以。像rdt2.0这样的协议又被称作停—等协议,只有当收到了正确的回复,才可以继续进行

    It is important to note that when the sender is in the wait-for-ACK-or-NAK state, it cannot get more data from the upper layer

    4.

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  • 计算机网络自顶向下方法学习笔记 参考中科大郑老师B站视频网课

    第一章 计算机网络和因特网

    1.1 什么是因特网

    1.1.1 网络

    网络是一个笼统的称呼,包含节点(节点和边的形状大小并不会影响网络的结构)。

    网络可以是人际网、情报网、神经元网络甚至是蜘蛛网。


    1.1.2 计算机网络

    联网的计算机构成的系统;由节点和边构成的系统叫作计算机网络

    计算机网络中的节点包含:

    1. 主机及其上运行的应用程序
    2. 路由器、交换机、高层的负载均衡设备等网络交换设备(数据交换或中转节点)

    Small Tip:一般情况下在绘制简易图象的时候,将主机画为长方形,将交换机路由器等画为圆形

    数据交换节点不是数据的源,也不是数据的目标,它只负责转发数据。通过中转节点的配合实现从源节点到目标节点的传输

    计算机网络中的边成为通信链路,通信链路分为:

    1. 接入网链路(access):主机链接到互联网的链路
    2. 主干链路(backbone):路由器之间的链路或路由器和交换机之间的链路

    所有连入因特网的设备都叫做主机或者端系统

    端系统通过通信链路分组交换机连接到一起。

    端系统之间发送数据时,发送端系统将其数据分成一段一段,然后加上必要的信息后形成一个个的数据包,这个数据包用术语来说叫分组。于是分组=用户数据+必要信息。此外,从发送端系统到接收端系统,一个分组所经历的一系列通信链路和分组交换机称为通过该网络的路径

    端系统通过因特网服务提供商(Internet Service Provider,简称ISP)接入因特网

    通信链路不仅仅是“网线本身”,还包含了支持它们运转的链路层的协议等。通信链路最重要的指标是它的传输速率:带宽(bps)意为每秒传输的位。

    不同的链路能够一不同的速率传输数据,链路的传输速率(transmission rate)以比特/秒(bps)度量。


    1.1.2.1 计算机网络的分类

    • 按传输介质:
      1. 有线网络
      2. 无线网络
    • 按大小和规模划分
      1. 最小的计算机网络:PAN(Personal Area Networks)覆盖的范围1米左右
      2. 局域网:LAN(Local Area Networks)覆盖范围一公里左右
      3. 城域网:MAN(Metroplitan Area Networks)覆盖范围十公里左右
      4. 广域网:WAN(Wide Area Networks)覆盖范围约100/1000公里
      5. 互联网:Internet覆盖范围为全球

    这里提到的距离不是绝对的,判断网络类型的绝对因素是其是否具有对应网络类型的特征以及是否采用对应技术


    1.1.3 互联网(从具体构成角度了解Internet)

    TCP/IP协议为主的一小簇协议来支撑Internet工作。

    互联网的节点: PC、sever、wireless laptop、iPad、smartphones等数以十亿计的互联的计算设备。

    端系统(主机,host,end system)组成部分一共有三个

    1. 设备本身
    2. 支持设备进行网络通信的操作系统
    3. 在操作系统上驻留运行的应用程序

    包含(举例):光纤、同轴电缆、无线电、卫星等。


    1.1.4 协议

    定义: 对等层实体 在通信过程当中应当遵守的规则的集合,包括(语义、语法、时序

    对等层实体:在网络体系结构中,通信双方实现同样功能的层。(源端系统对目标端系统、源节点TCP传输层协议对目标节点传输层TCP协议)
    语义、语法、时序:表明传输过程中传输内容和接收内容必须保证完全一致,不能存在重复、遗漏、倒叙等引发其他情况发生
    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/接收或其他事件方面采取的动作

    协议可以控制发送/接收消息(TCP、IP、HTTP、FTP、PPP);协议是支撑互联网工作的最重要的标准;不同生产商根据协议生产网络设备,不同厂商间的设备通过遵守相同协议的网络实体可以实现无差别互操作或互联。

    Internet 中所有行为都要受到协议的制约。网络之间可以互联;网络中也可以包含更小的网络。


    1.1.5 Internet 标准

    1. RFC(Request for Comments)文档:请求评述
    2. IETF(Internet Engineering Task Force):互联网工程任务组

    互联网中所有网络协议标准都会以RFC文档的形式在IETF官网发布。


    1.1.6 从服务角度了解Internet

    应用进程借助于本机操作系统提供的网络API可以和对方的应用进程进行通讯。

    与因特网相连的端系统提供了一个套接字接口(socket interface),该接口规定了运行在一个端系统上的程序请求因特网基础的设施向运行在另一个端系统上的特定目的的程序交付数据的方式。

    1. 使用通信设施进行通信的分布式应用(Web、VoLP、email、分布式游戏、电子商务、社交网络)

    可以说,分布式应用是网络存在的理由,同时Internet可以为分布式应用提供通信服务的基础设施

    1. 通信基础设施位App提供编程接口API(通信服务)
      • 将发送和接收数据的App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

    服务选择一般分为两种:

    1. 无连接不可靠服务(UDP)
    2. 面向连接的可靠服务(TCP)

    具体的服务选择方式参考实际情况,毕竟不同的通信传输服务在速率、丢包率上的实际反应是不相同的。


    1.2 网络边缘

    1.2.1 互联网子系统

    根据组成类型可以将互联网分成一个个子系统,其中最主要的三个子系统分别是:网络边缘、网络核心和网络接入。(也称边缘系统、接入系统和网络核心)

    网络边缘(edge)包含:主机、应用程序(客户端和服务器)
    网络边缘上存在网络应用,是网络存在的理由;网络应用和另外一个分布式应用之间要交换报文来实现各种各样的网络应用。

    网络核心(core)包含:互联的路由器或交换机、网络的“网络
    网络核心主要负责整体的数据交换,实际上是由数百万个数据节点、路由器、交换机构成的分布式系统

    ** 接入网、物理媒体**(access)包含:有线或者无线通信链路
    接入网是将网络边缘接入到网络核心,由网络核心跟其他边缘系统之间的关联,从而把数据发送给目标主机

    互联网系统

    接入系统:把边缘系统的主机或端系统接入到核心中。交换节点和交换节点之间的链路可以被两个不同的端系统通讯复用,形成一个相对高效的有效通信网络。

    网络核心的实质作用是数据交换,源主机或端系统发出去,正确的目标主机或端系统可以准确收到对应报文;主要作用是:一个大型的、全球节点之间的瞬时切换开关进行数据交换;工作原理是:由无数个小的交换机以及连接它们的链路相互构成的分布式系统,由它们的相互配合来完成由源主机向目标主机的发送和接收。


    1.2.1 网络边缘的定义和应用进程间的通信模式

    端系统(主机)的作用:

    1. 运行应用程序
    2. Web,E-mail
    3. 在“网络的边缘”

    应用进程间的通信模式:

    1. C/S模式(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
        (服务器先进行运转,守候在对应端口,等待客户端向服务器请求一系列的硬件、软件或数据资源;服务器被动请求客户端发送的请求,客户端主动发送请求并接收服务器响应处理请求的处理结果。资源在服务器中
    2. P2P(对等模式peer to peer)
      • 很少(甚至没有)专门的服务器
      • 如Gnutella、KaZaA、Emule
        (一个主机可以充当或主机或客户端的职责,而且交互过程完全是分布式交互可扩展性高

    两种通信模式都要使用主机应用层下的所有基础设施提供的通信服务才能够实现自由通信


    1.2.2 采用网络设施的面向连接服务

    基础设施为网络应用提供通信服务有两种方式面向连接服务无连接服务

    面向连接服务

    目标: 在两个端系统之间传输数据

    具体过程: 两个通信端系统在通信之前要相互知晓,并且端系统底层的协议栈(TCP传输控制协议,Internet上面向连接的服务)要为二者的通信交互分配合适的资源,设定响应变量,流量控制。通信状态的维持只在端系统之间维持,并不在网络中维护。

    TCP服务:

    • 可靠地、按顺序地传输数据(确认/重传)
    • 流量控制(发送放不会淹没接收方)
    • 拥塞控制(当网络拥塞时,发送方降低发送速率)

    1.2.3 采用基础设施的无连接服务

    无连接服务主要采用UDP传输协议

    目标: 在两个端系统之间传输数据(无连接服务)

    UDP(用户数据协议 User Datagram Protocol)

    • 无连接
    • 不可靠数据传输
    • 无流量控制
    • 无拥塞控制

    1.2.4 使用TCP/UDP的应用

    使用TCP的应用:

    • HTTP(Web)
    • FTP(文件传送)
    • Telnet(远程登陆)
    • 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(交换机)的网状结构。

    数据传输的基本方式有两种:一种是电路交换,另一种是分组交换


    1.3.1 电路交换(Circuit switch)

    电路交换:为每个呼叫预留一条专有电路,如电话网(应用领域很少)。

    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
    主机之间要实现通信首先要经过信令系统,在网络核心当中为两者之间的通讯分配一条”独享“的线路。由于交换节点之间的通信链路很粗,带宽比较大,所以可以采用时分多路复用,平分多路复用,码分多路复用等多种方法把它分解成若干个pieces。通过信令系统,在被分成的若干个碎片中选取没有被享用的通讯链路碎片进行拼接,形成一条两个主机之间独享的新的通信链路,之后双方可以利用这条线路进行双向的通讯

    独享线路一旦建立起来就可以保证线路传输的性能,但是与此同时,如果独享线路没有进行数据传输,那么为它分配的资源就会被浪费(no sharing)。

    网络资源(如带宽)被分成片,呼叫所进行的电路交换为呼叫分配片,如果某个呼叫没有数据交换,则该资源片处于空闲状态(不共享)。带宽分片的方式有很多种,取决于物理传输模式:频分(FDM)[带宽宽,可用通讯频率范围比较大,可以寻找通讯频率碎片的空闲的部分]、时分(TDM)、波分(WDM)

    转载自中科大郑老师


    1.3.1.1 电路交换不适合计算机之间的通信的原因

    1. 连接建立的时间过长
    2. 计算机之间的通信具有突发性,如果使用线路交换,则浪费的片比较多。即使这个呼叫没有数据传递,其所占据的片也不能被别的呼叫使用。
    3. 可靠性不高:一旦关键交换主机宕机,则与它的链路碎片所连接的所有信道全部会收到影响。

    1.3.2 分组交换(Packet switch)

    1. 节点间的通信链路不再细分为一个个pieces,使用的话就使用整个通信链路的全部带宽。
    2. 主机之间的通信数据分成一个个package。
    3. 以package为单位,在每一个交换节点中存储、转发(分组每次移动一跳),最后传输到目标主机。
    • 在转发之前,节点必须收到整个分组
    • 延迟比线路交换要大
    • 存在排队时间

    需要进行存储再转发而不是直接转发的原因是:分组交换占用的是整个通信链路的全部带宽,如果源主机到目标主机之间的通讯链路完全用于数据传输的话,相当于该链路变成了”独享链路“,会降低整个网路的通信交换效率。


    1.3.2.1 存储转发速率

    路由器在转发前需要接收、存储和处理整个分组。

    通过N条速率均为R的链路组成的路径(在源和目的地之间有N-1台路由器),从源到目的地发送一个分组,对应的端对端时延是:

    d=NLR. d_{端到端} = N * { \frac{L}{R}}.

    发送和接收是相对不同参考系而言的,不能在计算中同时考虑发送和接收的双向情况


    1.3.2.2 排队延迟和丢包

    转载自中科大郑老师

    分组交换是使用到交换机之间链路的全部带宽的,所以当多个主机需要用到邻近节点的相同交换机时,当主机的传入(到达)速率>链路的输出速率的时候,分组会进行随机排队(后到的分组需要排在正在占用带宽分组后面)并等待传输,导致传输途中延迟的产生

    同时,当路由器(交换机)缓存达到上限时,会自动丢弃存储的部分分组,导致丢包情况的发生。

    上述两种情况都是为了实现网络互联,资源共享所必须付出的代价。


    1.3.2.3 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。主要由**“路由算法”**(routing algorithm)实现,是一个全局功能的实现。
    转发: 将分组从路由器的输入链路转移到输出链路,是一个局部功能的实现。

    由全局(路由定线)和局部(分组转发)的配合实现分组从源主机到目标主机的传输。


    1.3.2.4 统计时分多路复用

    统计时分复用也叫异步时分复用:将所需传输的信息分成小块,附加标记。同一信号可以占用同一桢中的不同时隙,不同路的信号根据标记加以区分。(划分时间片给不同的分组,时间片可能存在空置的情况,但是分组并没有固定的模式,完全随机)


    1.3.3 分组交换 VS. 电路交换(总结)

    分组交换允许更多的用户使用网络。

    分组交换是“突发数据的胜利者”,适合于突发数据的传输。在同样的网络资源下(网络拓扑一致,节点带宽一致),分组交换能够支持的分组通讯交换数量更多。

    分组交换的优势
    资源共享:分组需要在交换机内存储,有利于网络资源的共享;此外在不占用通信连路的过程中,交换机之间没有必要持续维持连接状态,为其他分组交换腾出空间。
    简单,不需要建立呼叫:用完就可以走人。

    分组交换实现资源共享的代价:过度使用会造成w网络拥塞;分组延时和丢包。所以,对可靠地数据传输需要协议来约束:拥塞控制


    1.3.4 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,分成数据报网络虚电路网络


    1.3.4.1 数据报网络(Datagram network)

    源主机发送给目标主机的分组携带了目标主机的完整地址,交换机通过解析分组携带的目标地址并确定分组转发方向(决定下一条的方向)。两个主机在进行分组传输之前并不需要建立联系,每一个分组的传递都是独立的,在交换机中传输过程也不需要维护分组的状态

    在路由器上,有两个重要的东西,一个是路由算法,用来确定通过网络的端到端路径;另一个是转发表,转发表确定了本路由器如何转发分组。需要注意的是对于转发表,目的地址是32位的IP地址,那么就有几十亿个IP地址,一个路由器不可能维护一个几十亿的表,所有转发表是按照地址的范围转发的。

    在这里插入图片描述

    端到端的分组传输可能会存在不同的多条路径(IP),这样在一定程度上可能会导致分组失序


    1.3.4.2 虚电路网络

    虚电路网络由信令系统主操控。一条虚电路由如下组成:源和目的主机之间的路径(一系列链路和路由器)、VC(Virtual Circuit)号,沿着该路径的每段链路的号码、以及该路径上每台路由器中的转发表。

    属于一条虚电路的分组将在它的首部携带一个VC号。一条虚电路在每条链路上可能具有不同VC号,故每台中间路由器必须用一个新的VC号替代每个传输分组的VC 号。该新的VC号从转发表获得。

    虚电路网络,每台路由器的转发表包括了VC号的转换【入接口,入VC号,出接口,出VC号】。无论何时跨越一台路由器创建一条虚电路,转发表就增加一个新表项。无论何时删除一条虚电路,沿着该路径每个表中的相应项将被删除(路由器必须为进行中的连接维持连接状态信息)。

    虚电路网络交换中的三个阶段

    (1)虚电路建立
    在建立阶段,发送运输层与网络层联系,指定接收方地址,等待网络建立虚电路。网络层决定发送方和接收方之间的路径,即该虚电路的所有分组要通过的一系列链路和路由器。网络层也为沿着该路径的每条链路决定VC号。最后,网络层在沿着路径的每台路由器的转发表中增加一个表项。
    (2)数据传输过程
    发起呼叫(源主机)——入呼叫(目的主机)——接受呼叫(目的主机)——呼叫连接(源主机)——数据流开始(源主机)——接收数据(目的主机)
    (3)虚电路删除
    当发送方(或接收方)通知网络层它希望终止该虚电路时,就启动该阶段。网络层通常将通知网络另一侧的端系统结束呼叫,并更新路径上每台路由器中的转发表以表明该虚电路已不存在。


    1.3.4.3 运输层连接建立和网络层连接建立区别

    数据报网络——运输层的连接建立仅涉及两个端系统,两个端系统独自决定运输层连接的参数(初始序号和流量控制窗口长度),端系统知道该运输层连接,但网络中路由器对这些完全不知情。

    虚电路网络层,沿着两个端系统之间的路径上的路由器都要参与虚电路的建立,且每台路由器都完全知道经过它的所有虚电路。

    端系统向网络发送指示虚电路启动与终止的报文,以及路由器之间传递的用于建立虚电路(即修改路由器表中的连接状态)的报文,被称为信令报文,用来交换这些报文的协议称为信令协议


    1.4 接入网和物理媒体

    网络边缘(端系统)通过接入网接入网络核心实现数据交换的功能,使得源主机和目标主机能够实现通信。

    接入网的两个指标:带宽(bps)、共享/独享网络。


    1.4.1 住宅接入(modem)

    将上网数据调制加载到音频信号上,在电话线上进行传输,在局端将其中的数据解调出来,反之亦然。

    在这里插入图片描述

    modem模式实际上分为调制(modulate)和解调(demodulate)两个步骤。 为防止线路过于复杂,modem模式依旧延续采用在网络边缘端系统和与其相邻最近的交换机之间的“电话线路”,通过对波频的更改(调频、调幅、相位调整、综合调制)将网络交换数据加载在音频上实现数据的交换,只不过这种modem模式能够交换数据的速率很低(最高56Kbps),而且由于共用一条线路的原因,联网和通话两个动作并不能同时进行


    1.4.2 Digital Subscriber Line (DSL)

    在这里插入图片描述

    它是采用频分复用的方式将低频语音信号、中/高频数字上传/下载信号调制于普通电话双绞线上进行传输的技术。(高于语音传输的频率波段被分成不对等的上行和下行波段【一般来说下行的带宽更大】,不对称波段分配一般称为ADSL)DSL技术当中的ADSL技术同样不改变用户接入的物理线路,也同样采用和modem模式相同的调制解调方式,但是却满足了打电话和上网同时进行的需求。同时由于速率远高于普通2B+D的ISDN线路,且接入网络两端改造成本较低,很快便替代了后者成为2002年左右开始的主流用户接入方式。这种接入方式的用户端设备叫做ADSL调制解调器,也就是我们常见的、已经慢慢淘汰了的ADSL猫。


    1.4.3 线缆网络

    类似于电视台等视频信号媒体传播平台也存在和网络边缘端系统的有线连接,最开始的线缆仅支持视频信号的单项传输(电视台将电视信号传到千家万户)。当将有线电视信号线缆双向改造之后,有一部分带宽依旧用于传统的数字广播,有一部分带宽用于千家万户上行的互联网访问,还有一部分带宽用于下行数据的传送(额外有极小的一部分带宽用于信令系统的阈值控制,可以忽略不计)。这种分配方式属于FDM(频分多路复用),因此线缆网络的带宽是共享的

    在这里插入图片描述

    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
    线缆和光纤网络将各家庭用户接入到ISP 路由器
    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)


    1.4.4 物理媒体

    物理媒体是物理链路形成的介质,用于传播电磁波或者光脉冲来发送比特,它可以具有多种多样的形状和形式,并且对沿途的每个发射器-接收器对而言不必具有相同的类型。

    物理媒体被分为两类:导引型媒体和非导引型媒体。

    导引型媒体:电波沿着固体媒体前行,如光缆、双绞铜线或同轴电缆。(有形介质)
    非导引型媒体:颠簸在空气或者外层空间中传播,例如在无线局域网或数字卫星频道中。(无形介质)

    有形介质和无形介质的特性差别特别大,因而它们的接入方式也有很大的区别。信号在有形介质中比较收缩,衰减速率很慢;但在无形介质中迅速衰减扩散。


    1.4.4.1 双铜绞线

    在这里插入图片描述

    双铜绞线由两根绝缘的铜线组成,每根大约1mm粗,以规则的螺旋状排列着。这两根线被绞合起来,以减少临近类似的双绞线的电气干扰。一对电线构成了一个通信链路,传输速率10Mbps~10Gbps。


    1.4.4.2 同轴电缆

    同轴线缆一般被最常用作导引型共享媒体,许多端系统能够直接与该电缆相连,每个端系统统都能够接收由其他端系统发送的内容。


    1.4.4.3 光纤

    光纤是一种细而柔软的、能够导引光脉冲的媒体,每个脉冲标识一个比特。他们不受电磁干扰,长达100km的光纤信号衰减极低,并且很难窃听,这些特征是的光纤成为长途导引形传输媒体,特别是跨海连路。


    1.4.4.4 陆地无线通信道和卫星无线通信道

    陆地无线通信倒是无线信道中承载电磁频谱的信号,它不需要安装物理线路,并且具有穿透墙壁、提供与移动用户的连接以及长距离承载信号的能力,因而成为了一种有吸引力的媒体。无限信道的特性极大地依赖于传播环境和信号传输的距离,环境上的考虑取决于路径损耗和遮挡衰落、多径衰落以及干扰。

    卫星无线通信道:一颗通信卫星连接地球上的两个或者多个微波发射器/接收器,它们被称为地面站。该卫星在一个频段上接收传输,使用一个转发器再生信号,并在另一个频率上发射信号。同步卫星的相对静止状态可以用于那些无法使用DSL或电缆因特网接入的区域。近地轨道卫星由于和地球自转并不同步,需要很多的数量来保证提供对一个位置的连续覆盖。

    1.5 Internet结构和ISP

    互联网的划分方式除了最传统的网络边缘、网络核心、接入网三个部分之外(按照节点的类型和内容划分);还可以将一些关系比较密切的设备构成的一个小的ISP网络,不同的ISP网络之间通过路由器来构建联通(ISP网络中也可以包含一些小的ISP网络,称作网络的“网络”)。

    1.5.1 网络的网络

    网络的“网络”嵌套可以采用递进式的方式理解。我们在不同的生活场景中使用的端系统设备是存在差异的:有家里的台式机、随身携带的手机、笔记本等,它们通过接入网接入到对应的ISP网络中(一般是不同或相同的运营商),不同的ISP之间也需要能够互联从而达成整个互联网的建立。

    如果不同的ISPs之间单纯采用点对点式建立连接,那么整个互联网络的复杂度为:

    O(n)=n2 O_{(n)} = n^{2}

    当接入端系统的数量级在一定的高度层级的时候,这时候互联网复杂度是十分恐怖的,网络建设需要耗费的财力、精力都十分巨大,而且具有不可拓展性。

    1.5.2 比较合理的解决方案(网络层次结构演化)

    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。这是指,全球ISP是一个又路由器和通信链路构成的网络,该网络跨越全球,并且其他的接入ISP都至少和一个它的路由器相连。

    如果说全局ISP是一个可行的业务,那么就是有利可图的一个全新项目,必然会产生竞争。于是就会存在多个全球承载ISP,它们分别于一部分的接入ISP互联;为了实现端系统的互联,这多个全球ISP也必须互联;网络结构是一个两层结构,其中全球承载ISP位于顶层,接入ISP处于底层

    顶层全球承载ISP基本上已经定型,但是接入ISP现在还很混乱,比如,它们直接同顶层ISP相连;但是接入ISP也是需要分层的:较小区域中的ISP连入较大区域的ISP,而不是直接与顶层ISP相连;出现这样的“嵌套”的情况的原因是:如果都直接同顶层ISP相连,那么两个同一较小区域内,分属不同ISP的端系统之间通信的数据也会到顶层ISP中心去一趟,如果它们不是直接接入顶层ISP,而是接入了一个较大区域的ISP,那么它们之间的通信数据就不用去顶层ISP中心了,因为它们通过较大区域的ISP已经实现了互连,通信速率更快

    在两层网络结构的基础上增加了以下特点而形成的结构:存在点(Point of Presence,PoP)、多宿对等因特网交换点(Internet exchange point,IXP)。

    PoP存在于网络等级结构中所有层次,但是底层ISP除外。一个PoP是ISP网络中的一台或者多台路由器群组,其中客户ISP能够通过第三方提供的高速链路直接将它的路由器和供应商的PoP连接,从而实现与提供商ISP连接,这样明显提高了接入速度

    多宿(multi-home)是指任何ISP(除第一层ISP)都可以与两个或者多个提供商ISP连接,这被称为多宿,可以提高网络的可靠性。
    对等(peer) 是指位于相同等级结构层次的一对邻近ISP能够直接将它们的网络连接到一起,使它们之间流量经直接连接而不是经过上游的中间ISP传输,这样既不用付费,速度也可能会快一些.
    因特网交换点(PoP)为了实现多个ISP可以对等而创建的。

    此外,例如Google等大型软硬件服务企业同样接入ISP实现对用户的服务提供,他们一般会建立自己的服务器ISP链路通道而不是使用一些顶层全球承载ISP集群提供的服务,这样既可以提高数据分组的传输速度(使网络响应效率更高),也可以在一定程度上减少额外支出

    1.6 分组延时、丢失和吞吐量

    1.6.1 分组延时和丢失

    端系统通过接入网将分组传输到路由器,在路由器缓冲区的分组队列中。由于分组到达链路的速率超过了链路输出的能力,所以导致了由各个端系统传输到路由器之后被有序安排在了路由器缓冲区队列中,当分组排队到队头时才能被路由器转发出去。由于分组的排队等待需要时间,就导致了分组延时的形成;而路由器缓冲区本身容量也有一定限度,缓冲区满后,其他希望加入到分组队列的分组就会被自动丢弃,形成丢包

    1.6.1.1 四种分组延时

    1. 节点处理延时

    出现原因是检查bit级差错,检查分组首部和决定将分组导向何处

    检查 bit级差错
    检查分组首部和决定将分组导向何处

    1. 排队延时

    出现原因是在输出链路上等待传输的时间,取决于路由器的拥塞程度

    在输出链路上等待传输的时间
    依赖于路由器的拥塞程

    流量强度

    R = 链路宽度(bps)
    L = 分组长度(bits)
    a = 分组到达队列的平均速率
    流量强度 = La/R
    流量强度趋于0时,排队延时很小
    流量强度趋于1时,排队延时快速增加直至无穷大
    流量强度等于或大于1时,排队延时无穷大,几乎所有分组都会处于排队状态
    设计系统时需要保证流量强度小于1,大于或等于1网络会崩溃,从而导致分组丢包

    1. 传输延时

    出现原因是将分组发送到链路上所消耗的时间,也被称为存储转发延时

    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

    1. 传播延时

    传播延时出现的原因是由于比特流在物理线路上传播时,产生的传播时间。

    d = 物理链路的长度
    s = 在媒体上的传播速度(~2x10^8 m/sec)

    在这里插入图片描述
    5. 节点延时

    dnormal=dproc+dqueue+dtrans+dprop d_{normal} = d_{proc} + d_{queue} + d_{trans} + d_{prop}

    d(proc)表示处理延时,通常是微秒级或更少
    d(queue)表示排队延时,时长取决于拥塞程度
    d(trans) = L/R 表示传输延时,对低速率的链路其传输延时较为明显(如拨号),通常为微秒级到毫秒级
    d(prop)传播延时,一般为几微妙到几百毫秒

    两个端系统之间进行交互,那么它们之间所经过的所有路由器之间的每一条(hop)都会存在上面这四种延时。


    1.6.1.2 分组丢失

    1. 链路的队列缓冲区容量有限(可能被用完)
    2. 当分组到达一个满的队列时,该分组将会丢失
    3. 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

    1.6.2 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
    瓶颈链路:端到端路径上,限制端到端吞吐的链路

    端到端的平均吞吐量应该是两个端之间所有通信链路中吞吐量最小的那个决定的,遵循“木桶效应”。

    实际上在日常网络使用中,几乎可以看做是在一个瞬间所有接入网络核心的端系统共用整个通信链路的带宽,端到端的吞吐瓶颈一般是端系统接入到最近的路由器那一段独享的接入链路


    1.7 协议层次和服务模型

    1.7.1 计算机网络分层原因

    1. 各层独立工作,层之间通过接口联系,降低协议工作的复杂程度
    2. 提高灵活性,任何一层的改变不影响其他层
    3. 每层的实现技术可以不同,减少了实现的复杂度
    4. 易于维护,每层可以单独进行调试
    5. 便于标准化

    1.7.2 OSI七层模型

    在因特网协议栈出现以前,OSI模型是ISO组织研发的计算机网络结构模型。OSI的模型一共有7层,从下到上依次为:物理层,链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层。相比因特网体系结构,OSI多了两层。

    层次 名称 功能描述
    7 应用层(Application) 主要为各种各样的网络应用提供网络服务,应用报文之间的交互(Email,FTP,微信)
    6 表示层(Presentation) 将信息表示为一定形式的数据流(将信息转换为比特)完成的任务有压缩与解压缩,加密解密等
    5 会话层(Session) 它负责通信主机间的会话的建立,管理和拆除(协调通信双方会话)
    4 传输层(Transport) 是参考模型的核心层之一,负责通信主机间的进程到进程的区分,并负责提供可靠的传输(对于TCP来说,其还负责提供可靠的传输,差错恢复,拥塞控制等额外功能)
    3 网络层(Network) 是另一个核心层,功能是通过IP地址以及最优路径,将每一个每一个分组从信源机一路送至目的机(以分组为单位,端到端的传输)
    2 数据链路层(Data Link) 在相邻的两点间传输以帧为单位的数据(提供介质访问服务(通过物理地址识别通信主机,提供可靠的帧传递,并作差错控制,流控等))
    1 物理层(Physical) 发送端将上层的帧转换为物理信号,通过介质传送到相邻的接收方,接收方将物理信号转换为还原为比特流数据(提供透明的比特流(光信号,电信号,无线信号…)传递,物理流只关心比特流传输,不关心比特流包含内容)

    每一层都利用它下层的服务,为它的上层提供服务,因特网将两层的功能留给了开发者自行实现。

    因此因特网协议栈中没有表示层和会话层,如果需要这些服务,必须在应用层中实现


    1.7.3 相关层协议

    层次 简介 数据单元 相关协议
    应用层 完成一个端系统与另一个端系统之间的信息交换。包含大量应用普遍需要的协议,支持网络应用 报文(message) FTP、SMTP、HTTP
    运输层 在应用程序端点之间传送应用报文。主机到主机数据传输,负责从应用层接收报文段( segment ),并传输应用层的报文,到达目的后将消息上交给应用 报文段(segment) TCP、UDP
    网络层 在完成网络中一台主机与另一台主机之间的通信。从源到目的地数据报(datagram)的选路 有连接方式:分组(packet);无连接方式:数据报(datagram) IP、选路协议
    链路层 为网络层将分组从一个节点移动到下一个节点。在邻近网元之间传输数据 帧(frame) PPP、以太网
    物理层 将链路层一帧中一个一个比特从一个节点移动到下一个节点。物理层负责将链路层帧中的每一位(bit)从链路的一端传输到另一端 比特(bit)

    • SDU:服务数据单元,是上层传送给下层的数据单元
    • PDU:协议数据单元,是相同层级间交换的数据单元

    1.7.4 封装和解封装

    一个分组,在不同的层次有不同的称谓,是因为它们经过每一层的时候就被该层封装上了属于该层的相关信息,也就是前面提到的必要信息;于是,每一分层的分组有两种类型的字段:首部字段和有效负载;其中有效负载即为来自上一层的分组数据,而首部字段就是该层加上的必要信息;分组不断被封装以实现各层协议规定的相关功能。

    接收方:进行解封装/解包,从最底层逐渐上行到最高层提取出信息(解封装的过程就是封装的逆向过程,在每层去掉头部信息,最终还原出应用层的输出:信息)

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  • 计算机网络自顶向下方法学习笔记–第一章 先简单说两句吧哈哈O(∩_∩)O 被计算机网络折磨了很久,始终就是不情愿花时间去把它学会。直到上学期不好好学见证了现实的残酷/(ㄒoㄒ)/~~ 所以下定决心重新系统的一下...

    计算机网络自顶向下方法学习笔记–第一章

    先简单说两句吧哈哈O(∩_∩)O
    被计算机网络折磨了很久,始终就是不情愿花时间去把它学会。直到上学期不好好学见证了现实的残酷/(ㄒoㄒ)/~~
    所以下定决心重新系统的一下计算机网络!

    其实刚刚拿到书的时候打算第一章粗略看看就得了,主要从第二章开始看。也是由于大三的时候学过这门课,加上上学期稀里糊涂用了点,就把第一章大多数仔细看了,确实整体的脉络有了一个清晰的理解。
    下面就开始第一章的总结吧:

    1.1因特网相关介绍

    1.计算机网络的主要目的是理解网络协议的构成、原理、工作方式

    2.各种联网的设备都成为主机和端系统,20年将达到250亿
    端系统通过通信链路和分组交换机连接到一起。通信链路的物理媒体包括:同轴电缆、铜线、光纤、无线电频谱。不同链路具有不同的传输速率bit/s

    3.分组:一台主机向另一台主机发送数据时,发送端系统将数据分段,并为每段加上首部字节,由此形成的信息包叫做分组

    4.分组交换机:有路由器和链路层交换机两种。
    从入通信链路接收分组,从出通信链路发送分组。
    分组交换机常用的就是路由器,常用于网络核心中。
    链路层交换机,常用于接入网中

    从发送端到接收端一个分组所经历的通信链路和分组交换机称为通过该网络的路径。分组会选取计算机网络的一条路径前行

    端系统通过因特网服务提供商(ISP)接入因特网,自身是由多台分组交换机和多段通信链路组成的网络。

    为内容提供者提供因特网接入服务。
    分组交换机只加速主机之间的数据交换,与应用程序无关

    5.因特网:因特网就是将端系统彼此互联,因此为端系统提供接入的ISP也必须互联。端系统、分组交换机和其他因特网部件都要运行一系列协议,控制因特网中信息的接收和发送。

    因特网的主要协议统称为TCP/IP(传输控制协议/网际协议)
    IP协议定义了路由器和端系统之间发送和接收的分组格式。
    因特网工程任务组(IETF)的标准文档称为请求评论(RFC)
    定义了TCP、IP、HTTP(用于Web)、SMTP(用于电子邮件)等协议

    分布式应用程序:涉及多个相互交换的端系统
    套接字接口:规定了运行在一个端系统上的程序请求因特网基础设施向运行在另一个端系统上的特定目的地程序交互数据的方式

    6.协议:定义了在两个或者多个通信实体之间交换的报文格式和顺序,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。不同的协议用于完成不同的通信任务。

    人类的协议中有我们发送的特定报文,也有根据接收到的应答报文或其他事件(例如在某个给定的时间内没有回答)采取的动作。完成一项工作要求两个或多个通信实体运行相同的协议。(请求与响应、提问与回答)

    硬件实现的协议控制了两块网络接口卡间的“线上”的比特流
    在端系统中,拥塞控制协议控制了发送方和接收方之间传输的分组发送速率
    路由协议决定了分组从源到目的地的路径

    1.2网络边缘

    1.通常把因特网相连的计算机和其他设备成为端系统,它们位于因特网的边缘,包括了桌面计算机、移动计算机和服务器。端系统也被成为主机,主机有时被进一步划分为客户端和服务器端。服务器用来存储和发布Web页面、流视频、中继电子邮件等

    2.接入网:将端系统物理连接到其边缘路由器的网络,边缘路由器是端系统到任何其他远程端系统路径上的第一台路由器。

    宽带住宅接入有两种流行的类型:数字用户线(DSL)和电缆
    每个用户的DSL调制解调器使用现有的电话线(双绞铜线)与位于电话公司的本地中心局中的数字用户线接入复用器(DSLAM)交换数据

    家庭电话线同时承载了数据和传统的电话信号,它们用不同的频率进行编码。50kHz-1MHz高速下行信道,4kHz-50kHz中速上行信道,0-4kHz普通的双向电话信道

    使得单根的DSL线路看起来就像有3跟单独的线路一样,因此一个电话呼叫和一个因特网连接能够同时共享DSL链路。
    在用户一侧,一个分配器把到达家庭的数据信号和电话信号分隔开,并将数据信号转发给DSL调制解调器。
    在电话公司一侧,在本地中心局中,DSLAM把数据和电话信号分开,并将数据送往因特网。

    DSL上行速率和下行速率不同,这种接入也被称为不对称的。
    实际的传输速率与家庭距离本地中心局的距离,双绞线规格,电器干扰程度都有关,都让最大传输速率受限。

    电缆调制解调器通过一个以太网端口连接到家庭PC。电缆调制解调器端接系统(CMTS)与DSLAM类似,将模拟信号转回数字形式。也是有上行下行两个信道,也不对称。下行比上行高,也不一定能达到最大可取的速率。
    电缆因特网接入是共享广播媒体。传输速率与使用用户数量有关。

    3.光纤到户(FTTH):从本地中心局直接到家庭提供一条光纤路径。最简单的光纤分布网络是直接光纤,从本地中心局道每户设置一根光纤。
    一般的是,从中心局出来的每根光纤由许多家庭共享。
    光纤分布分为主动光纤网络(AON)和被动光纤网络(PON)。
    光纤网络端接器ONT(每家一个)
    光纤线路端接器OLT(在中心局)
    光纤分配器把一些家庭集结到一条共享的光纤,如图所示:
    在这里插入图片描述
    FTTH有潜力提供每秒千兆比特范围的因特网接入速率。某些偏远环境会用卫星链路将住宅与因特网相连接。
    许多企业,家庭,学校使用局域网(LAN)将端系统连接到边缘路由器,以太网是最为流行的接入技术。
    家庭将宽带住宅接入与廉价的无线局域网结合产生了家用的WIFI

    4.物理媒体:
    混合光纤同轴(HFC)使用了光缆和同轴电缆结合的技术。
    DSL和以太网使用的是双绞铜线。

    一个比特的传输流程就是从一个端系统出发,通过一系列链路和路由器,到达另一个 端系统的过程。这个比特被传输了非常多次。传输过程中会跨越物理媒体,传播电磁波和光脉冲。

    物理媒体例子包括:双绞铜线,同轴电缆,多模光纤缆,陆地无线电频谱和卫星无线电频谱。物理媒体又分成导引形和非导引形。

    双绞铜线:最便宜最常用的导引形传输媒体,传输速率取决于线的粗细和传输距离。
    同轴电缆:有两个铜导体组成,产生的模拟信号从发送设备传送到一个或者多个接收方。同轴电缆能被用作导引形共享媒体,每个端系统都能接收由其他端系统发送的内容。
    光纤:能够引导光脉冲的媒体,每个脉冲表示一个比特,极高速率,广泛用于因特网主干。
    陆地无线电信道:承载电频谱中的信号,不需要安装物理线路,提供与用户的连接以及长距离承载信号的能力,极大地依赖于传播环境和信号传输的距离。
    卫星无线电信道:一颗通信卫星连接地球上两个或多个微波发射器/接收器,用于那些无法使用DSL或电缆因特网接入的区域。

    1.3网络核心

    1.分组交换:端系统彼此交换报文,报文能够包含协议设计者需要的任何东西。源系统向目的系统发送一个报文时,源会将长报文划分成多个较小的分组。
    每个分组再通过通信链路和分组交换机(主要有:路由器,链路层交换机)传送。分组以等于该链路最大传输速率的速度传输通过通信链路。

    2.存储转发传输:多数分组交换机在链路的输入端使用,指在交换机能够开始向输入链路传输该分组的第一个比特之前,必须接收到整个分组。也就是当路由器已经接收完了该分组的所有比特后,它才能开始向出链路传输。过程中会缓存比特,直至接收到整个分组。

    3.每台分组交换机有多条链路与之相连。对于每条相连的链路,该分组交换机有一个输出缓存(输出队列),用于存储路由器准备发往那条链路的分组。
    路由器从与它相连的一条通信链路得到分组,然后向与它相连的另一条通信链路转发分组。

    4.每个端系统具有一个成为IP地址的地址,源向目的发送一个分组时,源在该分组的首部包含了目的地的IP地址。
    每台路由器具有一个转发表,用于将目的地址映射成为输出链路。当某一分组到达路由器时,路由器检查该地址,并用这个目的地址搜索其转发表,发现适当出链路(路由选择协议选路径),路由器则将分组导向该出链路。(TraceRoute)

    5.电路交换网络中,在端系统间通信会话期间,预留了端系统间沿着路径通信所需要的资源(缓存,链路传输速率)。分组交换网络中,这些资源不是预留的,就会出现排队现象。

    6.我们现在最终达到了网络结构5,描述了现如今的因特网,在网络结构4的顶部加入了内容提供商网络。IXP是因特网交换点,它是一个汇合点,多个ISP能够在这里对等。ISP的互联如图所示:
    在这里插入图片描述
    今天的因特网是网络的网络,结构复杂,有十多个第一层ISP和数十万个较低层的ISP组成。
    ISP的覆盖区域多种多样。较低层的ISP和较高层的ISP相连,较高层的ISP彼此互联。

    1.4分组交换网中的时延,丢包,吞吐量

    1分组交换网中的时延:
    当分组从一个节点沿着这条路径到后继节点,该分组沿途的每个节点经受了几种不同类型的时延。最为重要的有:

    处理时延:检查分组首部和决定该分组导向何处所需要的时间是一部分。还包括其他因素,如检查比特级别的差错所需要的时间。
    排队时延:在队列中,当分组在链路上等待传输时,它就有排队时延,队列空排队时延为0,队列等待的分组越多,排队时延越长。所以它对于不同的分组是不同的。
    传输时延:路由器推出分组所需要的时间,是分组长度和链路传输速率的函数,和两台路由器之间的距离无关。
    传播时延:是一个比特从一台路由器传播到另一台路由器所需要的时间,是两台路由器之间距离的函数,和分组长度和链路传输速率无关。

    2.流量强度:
    排队时延取决于流量到达该队列的速率、链路的传输速率和到达流量的性质。假设所有分组都是由L比特组成的,a表示分组到达队列的平均速率,R是传输速率,比率La/R被定义为流量强度。

    如果流量强度>1,表示到达队列的平均速率超过从该队列传输出去的速率,队列的流量无限增加,排队时延会无穷大,设计系统时不能出现。
    若流量强度趋于1,则平均排队长度越来越长。
    队列只有有限的容量,排队容量极大地依赖于路由器设计和成本

    其中,到达队列的过程是随机的,不遵循任何模式,时间间隔也是随机的。
    如果分组到达某条链路时,链路正忙时该分组就要到输出队列中等待,也就出现了排队时延。

    3.丢包:由于缓存空间大小有限,缓存满了就会出现丢包,到达的分组和排队的分组之一会被丢弃。
    分组丢失的比例随着流量强度增加而增加,一个节点的性能常常不仅根据时延来度量,而且根据丢包的概率来度量。

    4.TraceRoute:
    当用户指定一个目的主机名字时,源主机中的该程序朝着目的主机发送多个特殊的分组。经过一系列路由器,它向源回送一个短报文,该短报文包括路由器的名字和地址,往返时延。
    因为排队时延随时间变化,所以分组n发送到路由器n的往返时延实际上可能比分组n+1发送到路由器n+1的往返时延更长。

    5.其他时延:端系统中还有一些其他时延,希望向共享媒体传输分组的端系统可能有意的延迟传输,把这作为它与其他端系统共享媒体协议的一部分。还有媒体分组化时延,出现在IP语音中。

    6.吞吐量:另一个重要的性能测度时端到端的吞吐量。
    假设从主机A向主机B传输一个大文件。在任何时间瞬间的瞬时吞吐量是主机B接收到该文件的速率(bps计)。主机B接收到所有F比特用去T秒,则平均吞吐量。最大吞吐量是一台路由器能够转发分组的最大速率。

    服务器到客户的文件传输吞吐量就是所有节点传输速率的最小值,也就是瓶颈链路的速率。

    现在通常限制吞吐量的是接入网,核心部分都具有高速率,瓶颈链路只出现在接入网。但是如果客户和服务器过多,一条具有高速率的链路仍然可能成为文件传输的瓶颈链路。

    1.5协议分层

    1.协议分层:各层的所有协议被称为协议栈,有5层,分别为:应用层,运输层,网络层,链路层,物理层。本书采用的是自顶向下方法。

    2.应用层:应用层协议存留的地方。HTTP(Web文档的请求和发送),STMP(电子邮件报文的传输),FTP(两个端系统之间的文件传送),DNS(域名解析)
    应用层协议分布在多个端系统上,一个端系统中的应用程序使用协议与另一个端系统中的应用程序交换信息分组。位于应用层的信息分组称为报文。

    3.运输层:在应用程序端点之间传送应用层报文。
    两种运输协议TCP,UDP。
    TCP提供面向连接的服务,TCP将长报文划分为短报文,并提供拥塞控制机制。当网络拥塞时,源抑制其传输速率。UDP无连接服务,不可靠,没有流量控制,拥塞控制。运输层的分组称为报文段。

    4.网络层:因特网的网络层负责(将称为数据报的)网络层分组,从一台主机移动到另一台主机。
    在一台源主机中的因特网运输层协议(TCP/UDP)向网络层递交运输层报文段和目的地址。网络层包括了网际协议IP和路由选择协议,网络层也可简单称为IP层。
    为了将分组从一个节点移动到路径上的下一个节点,网络层必须依靠链路层的服务。

    5.链路层:网络层将数据报下传给链路层,链路层沿着路径将数据报传递给下一个节点。
    在该下一个节点,链路层将数据报上传给网络层。由链路层提供的服务取决于应用于该链路的特定链路层协议。网络层将受到来自每个不同链路层协议的不同服务。链路层分组称为帧

    6.物理层:将该帧中的一个个比特从一个节点移动到下一个节点,进一步与该链路的实际传输媒体相关(双绞铜线,单模光纤)跨越这些链路移动一个比特是以不同方式进行的。

    7.OSI模型中还有表示层和会话层,在应用层之下。
    表示层:是通信的应用程序能够解释交换数据的含义.
    会话层:提供了数据交换的定界和同步功能,包括了建立检查点和恢复方案的方法。

    8.协议栈的工作流程如图:
    在这里插入图片描述
    路由器和链路层交换机都是分组交换机。路由器实现了第一到三层,链路层交换机实现了第一层和第二层。也就是说因特网路由器能够实现IP协议,而链路层交换机不可以。

    整个流程中包含了封装的过程:

    应用层报文被传送给运输层,最简单的情况下,运输层收到报文附上附加信息(首部),首部将被接收端的运输层使用。也就构成了一道运输层报文段。运输层报文端也就封装了应用层报文。

    附加信息还包括:交付报文的信息,差错检测位信息,该信息让接收方能够判断报文中的比特是否在途中已被改变。

    接下来运输层向网络层传递该报文段,网络层增加网络层首部信息(如源和目的端系统的地址),生成了网络层数据报。

    然后传给链路层,链路层增加它自己链路层首部信息并生成链路层帧。
    所以一个分组具有两种类型的字段:
    首部字段+有效载荷字段(来自上一层的分组)

    以上就是第一章我总结出的全部内容了,花时间去看去理解确实能找到些许乐趣,希望能坚持把这课拿下来!(还没完,还有~~)


    为了拿下这个课听取了朋友们和网上的建议,制定了一波学习目标:

    1.TCP/IP协议栈的体系认知:
    用户用的只有应用层协议,其他层协议都是内核的,下一层对上一层透明,传输对等。
    从应用层开始主要看OSI中的那5层,把每层的工作连起来。

    2.应用层:
    DNS协议:命名空间,指针查询,基本原理,缓存
    FTP协议:控制连接,数据连接,工作模式
    FTP指令,响应码,FTP断电,续传,匿名FTP
    HTTP协议:请求报文(头),响应报文(头),HTTP状态码
    https握手过程,摘要算法,数字签名,数字证书,原理,过程

    3.运输层:
    TCP特点,报文,首部
    连接控制:三次握手,四次挥手,同时打开,关闭,半关闭
    TCP流量控制:滑动窗口,慢启动,拥塞避免,快速重传,快速恢复,超时重传,四个定时器,伪报头
    UDP特点,报文,首部字段

    4.网络层:
    IP首部格式,IP分片,IP选路(路由表,路由选择协议)
    ICMP协议,报文,差错检验

    5.链路层:
    以太网帧格式,MTU概念,ARP协议(报文格式,查询原理,缓存)

    准备网络编程作业大概就是第2-6,第9章的内容:
    1.以太帧格式,发送
    2.ARP协议
    3.ARP协议获取本机信息
    4.IP监视器,抓取IP数据包
    5.TraceRoute路由路径
    6.TCP建立连接
    7.Socket服务器/客户端通信
    8.Socket服务器/客户端传输文件(TCP)
    9.Socket服务器/客户端传输大文件(TCP+UDP)
    10.Socket,RTSP,RTP媒体流播放器

    没了,计算机网络就此开始,加油吧!

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  • 因特网是一种特定的计算机网络(只是其中一种类型); 1.1 具体构成描述 主机(端系统): 接入到因特网的设备被称作主机; 由通信链路和分组交换机连接; 端系统通过ISP接入因特网; 因特网端系统包括: 桌面...

    个人博客:http://blog.kunpw.cn/

    1.什么是因特网

    因特网是一种特定的计算机网络(只是其中一种类型);

    1.1 具体构成描述

    • 主机(端系统):

      • 接入到因特网的设备被称作主机;
      • 由通信链路和分组交换机连接;
      • 端系统通过ISP接入因特网;
      • 因特网端系统包括:
        • 桌面计算机(桌面PC、Mac和Linux设备);
        • 服务器(Web和电子邮件服务器);
        • 移动计算机(智能手机和平板电脑);
    • 分组:

      • 由发送端系统将数据进行分段,并为每段加上首部字节组成的信息包;
      • 一个分组所经历的一系列通信链路和分组交换机称为通过该网络的路径(path/route);
    • 通信链路:

      • 由不同类型的物理媒体组成,物理媒体包括同轴电缆、光纤等;
      • 不同的链路以不同的速率传输数据;
      • 传输速度以比特/秒(bit/s或bps)为单位;
    • 分组交换机:

      • 自身连接两段小型通信链路,用于连接外部真正的通信链路:

        • 入通信链路用来接收到达的分组;
        • 出通信链路用来转发接收到的分组;
        • 一般所说的路由器链路传输速率就是指出链路传输到通信链路的速率;
      • 两种类型:

        • 路由器(router);
        • 链路层交换机;
      • 作用是将特定的分组转发到特定的链路;

      • 通过时延图观察其构成:

      image-20200929232833820

    • 因特网服务提供商(ISP):

      • 每个ISP自身就是一个由多台分组交换机和多段通信链路组成的网络;
    • 网络协议:

      • 用来控制因特网中信息的接收和发送的规则和标准;
      • 因特网的主要协议统称为TCP/IP;

    1.2 服务描述

    • 因特网是一种为应用程序提供服务的基础设施;
    • 因特网应用程序运行在端系统上,由于其涉及到多个交换数据的端系统,这些应用程序又被称为分布式应用程序;
    • 套接字接口:
      • 是一套发送程序必须遵守的规则集合;
      • 规定了运行在一个端系统上的程序请求因特网向运行在另一个端系统上的特定目的程序交付数据的方式;

    2.网络边缘

    即处于因特网边缘的端系统;

    2.1 接入网

    将端系统物理连接到其边缘路由器的网络;

    • 类型:
      • 家庭接入:
        • 数字用户线(DSL);
        • 电缆;
        • 光纤到户(FTTH);
        • 拨号和卫星;
      • 企业接入:
        • 以太网;
        • WiFi;
      • 广域无线接入:
        • 3G;
        • 长期演进(LTE);

    2.2 物理媒体

    对于每个“发射器–接收器”对通过跨越一种物体媒体传播电磁波或光脉冲来发送该比特;

    • 两种类型:
      • 导引性媒体:
        • 电波沿着固体媒体前行;
        • 光缆;
        • 双绞铜线;
        • 同轴电缆;
        • 安装实际成本低,但劳动力成本很高,常一次性直接安装多种媒体;
      • 非导引性媒体:
        • 电波在空气或外层空间中传播;
        • 在无线局域网中传播;
        • 在数字卫星频道中传播;

    3.网络核心

    由互联因特网端系统的分组交换机和链路构成的网状结构;

    • 通过网络链路和分组交换机传输数据有两种方式:分组交换和电路交换,前者正在慢慢取缔后者;

    3.1 分组交换

    • 分组:从源端系统向目的端系统发送一个报文,源将长报文划分为较小的数据块,称之为分组;
    • 分组交换:在源和目的端系统之间,每个分组都通过通信链路和分组交换机,由分组交换机实现分组交换功能,转发分组至指定的通信链路;
    • 例:如果某源端系统或分组交换机经过一条链路发送一个L比特的分组,链路的传输速率为R比特/秒,则传输该分组的时间为L/R秒;

    3.11 存储转发传输

    存储转发传输是指在交换机能够开始向输出链路传输该分组的第一个比特之前,必须接受到整个分组;

    • 例:两个端系统经一条路由器构成的简单网络:
      • 源在时刻0开始传输,在时刻L/R秒,该路由器刚好接收到整个分组,并且朝着目的地向出链路开始传输分组(这里暂时先只考虑传输时延);
      • 在时刻2L/R,路由器已经传输了整个分组,并且整个分组已经被目的地接收;
      • 考虑一种情形:如果一旦比特到达,交换机就转发比特,而不等到其全部到达再转发,那么传输时延将会是多少呢?
        • 虽然有两条通信链路,但由于此处我们只考虑传输时延而不考虑传播时延和处理时延,也就意味着这段时间和距离以及通信链路的段数没有关系,那么依然可以直接得到答案:L/R秒;
      • 考虑一般情形:通过由N条速率均为R的链路组成的路径,此时在源于目的地之间有N-1台路由器,此时从源发送一个分组,端到端的时延为:d=N*L/R;

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    3.12 排队时延和分组丢失

    • 输出缓存(输出队列):每台分组交换机有多条链路与之相连,对于每条相连的链路,该分组交换机具有一个输出缓存,用于存储路由器准备发往那条链路的分组;

      • 如果到达输出缓存的分组需要传输到某条链路,但却发现那条链路正忙于传输其它链路(传输容量已满),该到达分组必须在输出缓存中排队等待,这段等待时间被称为排队时延

      • 又由于输出缓存的大小也是有限的,当一个分组到达其输出缓存时,如果该输出缓存已经被其它需要传输的分组完全充满了,那么此时就会出现丢包现象,到达的分组或者排队的分组之一会被丢弃;

    3.13 转发表和路由选择协议

    • IP地址:在因特网中,每台端系统具有一个IP地址,用于唯一标识自己的身份,目的IP地址存在于源发送的分组首部,且该地址具有等级结构,想象一下按照邮政地址发送的方式,二者极其相似;
    • 转发表:每台路由器都拥有一个转发表,用于将目的地址(或其一部分)映射成为输出链路;
    • 这样一来,整个过程就一目了然了,当某分组到达一台路由器时,路由器检查该地址,并用这个目的地址搜索器转发表,并且将其转发给适当的通信链路;
    • 路由选择协议:因特网中用于自动设置这些转发表的协议标准;

    3.2 电路交换

    在电路交换网络中,在端系统通信期间,预留了端系统间沿路径通信所需要的资源(缓存或链路传输速率),而在分组交换网络中,传输速率是先来先使用的,如果已经被全部占用就只能排队。二者的区别类似于餐馆预定座位和直接去餐馆就餐。

    • 例:传统的电话网络就是其中一种,当一个人通过电话网向另一个人发送信息时,在发送信息之前,必须先在二者之间建立一条电路连接,当网络创建出该电路连接时,它也在连接期间在该网络链路上预留了恒定的传输速率;
    • 如图显示了一个四条链路互联四台电路交换机,且每条链路具有四条电路的电路交换网络:
      • 在这个网络中,每条链路都包括四条电路,这意味着每条链路最多可以同时并行四条连接;
      • 例:如果邻近的两台分组交换机之间每条链路具有1Mbps的传输速率,那么其中每条电路都具有250kbps的传输速率,即每个端到端电路交换连接获得250kbps的专用传输速率;

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    3.21 电路交换网络中的复用

    • 频分复用(FDM):对于FDM,链路的频谱由跨越链路创建的所有连接共享,在连接期间,为每条连接专用一个频段,该频段的宽度即称为带宽,在电话网络中,带宽通常为4kHz(即每秒4000周期)

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    • 时分复用(TDM):在TDM中,时间被划分为固定期间的帧,并且每个帧由被划分为固定数量的时隙。当网络跨越一条链路创建一条连接时,网络在每个帧中为该连接指定一个时隙专门由该连接单独使用,该时隙用于传输该连接的数据;

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    3.3 分组交换和电路交换的对比

    • 对比:

      • 分组交换提供了比电路交换更好的带宽共享(即先来先使用原则更优于预留原则,预留原则存在巨大的占用期);
      • 分组交换比电路交换更简单更有效,实现成本更低;
      • 由于排队时延,分组交换的端到端时延是可变的和不可预测的,不太适合实时服务(电话和视频会议等);
    • 例1:假定多个用户共享一条1Mbps链路,每个用户活跃周期是变化的,且用户只有10%的时间以100kbps恒定速率产生数据,其余时间均静默:

      • 对于电路交换,在所有时间内必须为每个用户预留100kbps,该电路交换仅能支持10个并发用户。
        • 即在时分复用中将1s的帧划分为10个时隙,每个时隙100ms,则每帧将为每个用户分配一个时隙。
      • 对于分组交换,由于一个特定用户活跃的概率为0.1,如果有35个用户同时进行通信连接,有11个以上用户活跃的概率只有0.0004,当有10个以下并发用户时(概率为0.9996),到达的数据速率小于或等于该链路的输出速率1Mbps。因此,当同时活跃的用户小于或等于10个时,基本没有时延,等同于电路交换,而超过10个用户的概率只有0.0004,在用户过多的情形下,分组交换就会有排队时延。
        • 但是!注意分组交换可以同时支持3倍于电路交换支持的用户数量而保证性能基本相同!

    横向占用,电路交换的并行通信数量是固定的,无法并行更多用户

    • 例2:假定有10个用户,某个用户突然产生1000个1000比特的分组,而其它用户保持静默:
      • 在电路交换中,如每帧具有10个时隙并且每个时隙能包含1000比特,活跃用户仅能使用每帧中一个时隙来传输速率,而其余9个时隙保持空闲,该活跃用户传完所有10^6比特数据需要10s时间;
      • 而在分组交换中,活跃用户能够持续以1Mbps的全部链路速率发送其分组,此时只需要1s就能发送完所有数据;

    纵向占用,电路交换分配的时隙连接也是固定的,无法更快传输数据

    3.4 网络结构的发展过程

    • 接入ISP:端系统经过一个接入ISP与因特网相连,接入ISP不必是电信局或电缆公司,也能够是大学或公司这样的单位。端系统和内容提供商连接到接入ISP,接入ISP就是与端系统直接相连的第一个ISP。

    3.41 网络结构1

    • 使用单一的全球传输ISP互联所有接入ISP;
    • 且对于全球传输ISP而言,其建造将耗资巨大,因此向所有每个连接的接入ISP收费,故接入ISP被认为是客户,而全球传输ISP被认为是提供商

    3.42 网络结构2

    • 在网络结构1的基础上考虑竞争盈利的问题,于是导致多个全球传输ISP的产生;
    • 由多个全球传输ISP和数十万个接入ISP组成,且这些全球传输ISP互联;

    3.43 网络结构3

    • 多层等级结构,将全球传输ISP非正式命名为第一层ISP,建立区域ISP,且区域ISP之间又相互竞争,但最终都要连接到第一层ISP,且第一层ISP又互联;
    • 例:中国每个城市都有接入ISP,这些接入ISP又与省级ISP相连,省级ISP又和国家ISP相连,最终国家ISP连入第一层ISP(或许可以将联通、移动、电信看成是相互竞争的各层次ISP);

    3.44 网络结构4

    • 在网络结构3的基础上增加存在点(PoP)、多宿、对等和因特网交换点;
    • PoP:
      • 存在于等级结构的所有层次,最底层接入ISP除外;
      • 一个PoP提供商只是提供商网络中的一台或多台在相同位置的路由器群组;
      • 对于与之相连的下一层客户ISP,它能从第三方提供商租用高速链路(注意,第三方提供商仅提供高速链路支持)快速互联其群组中任何两台路由器设备;
      • 总结来说,就是一个提供商自身内部具有多个路由器,整个群组成为一个PoP,而下一层客户ISP只能接入其中一个路由器,但PoP概念能实现提供商内部路由器快速互联;
    • 多宿:任何ISP(第一层ISP除外)可以选择与两个或更多ISP提供商连接,这样当其中一个提供商出现故障时,客户ISP依然能够继续发送和接收分组数据;
    • 对等:位于相同等级结构层次的邻近一对ISP直接将其网络连接到一起,使它们之间的所有流量经直接连接而不是通过上游的中间ISP传输,这样一来可以节省与上层ISP之间的通信流量费用,其对等ISP之间无需提供费用;第一层ISP互相之间就是对等的关系,无需向对方结算费用
    • 因特网交换点(IXP):由第三方公司创建的汇合点,多个ISP能够在这里一起对等;

    3.45 网络结构5——现在的网络结构

    • 在网络结构4的基础上增加内容提供商网络;
    • 例:谷歌具有上百个数据中心,每个数据中心由无数服务器组成,其所有数据中心通过专用的TCP/IP网络互联,该网络跨越全球且独立于因特网,该谷歌专用网络仅承载出入谷歌浏览器的流量,由于有些接入ISP仅能通过第一层网络传输到达,所以谷歌也与第一层ISP相连,并就与这些ISP交换的流量向它们付费,这样一来可以减少大量流量传输费用开支,而且对其服务如何交付给端用户有了更多控制;

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    4.分组交换网中的时延、丢包和吞吐量

    4.1 时延概述

    • 分组从源主机出发,经过一系列路由器传输,最终到达目的地主机,该分组在沿途的每个节点经受了几种不同类型的时延;

    4.11 时延类型

    • 处理时延(dproc):包括检查分组首部和决定将该分组导向何处所需要的时间、检查比特级别的差错所需要的时间等;
    • 排队时延(dqueue):在输出缓存中时,当分组在等待传输时所花的时间;这个时间是不可预估而可变的,通常使用统计量来度量,而不使用具体的值;
    • 传输时延(dtrans):是指当该分组前面的排队分组已经传输完毕之后,将该分组从路由器推上通信链路的时间,用比特L表示分组长度,R bps表示从路由器A到路由器B的链路传输速率,传输时延是L/R;
    • 传播时延(dprop):一旦一个比特被推上链路,该比特就需要向B路由器传播,从该链路的起点到路由器B传播所需要的时间是传播时延。传播时等于两台路由器之间的距离除以传播速率,传播速率取决于该链路的物理媒体。其大小为d/s;
    • 节点总时延(dnodal):dnodal = dproc + dqueue + dtrans + dprop

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    4.2 排队时延和丢包

    • 节点时延中最为复杂和有趣的是排队时延;
    • 流量强度
      • 假设输出队列的长度是无限的;
      • a 表示分组到达输出队列的平均速率,即 a 的单位为分组/秒;
      • 分组长度为L;
      • 则比特到达队列的平均速率为 L*a
      • 传输速率为R;
      • 比率 L*a/R 被称作流量强度;
      • 如果 L*a/R>1 则比特到达队列的平均速率超过该队列传输出去的速率,排队速率将无限增加!所以设计系统时流量强度不能大于1;

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    • 丢包:由于现实中输出队列容量有限,随着流量强度接近1,排队时延并不可能趋向无穷大(排队时延理论上有最大值,因为输出队列有容量上限),当到达的分组发现队列已满,此时就会发生丢包现象;
      • 分组丢失的比例随着流量强度的增强而增加;
      • 一个节点的性能不仅根据时延来度量,而且根据丢包率来度量;
      • 丢失的分组可能基于端到端的原则重传;

    4.3 端到端时延

    即从源到目的地的总时延;

    • 假定在源于目的地端系统之间有N-1太路由器,网络无拥塞,且每台路由器的时延相同:

      • dend-end = N*(dproc + dtrans + dprop)
    • 在windows cmd中使用tracert指令能够进行跃点跟踪:

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    4.4 吞吐量

    • 端到端吞吐量也是检测计算机网络性能的重要度量之一;

    • 考虑从主机A到主机B跨越计算机网络传送一个大文件:

      • 瞬时吞吐量:主机B接收到该文件的速率(bps单位);
      • 平均吞吐量:如果该文件由F比特组成,主机B接收到所有F比特费时T,则文件传送的平均吞吐量为F/T bps;
      • 在不考虑其它时延的情形下,吞吐量的大小就是所有通信链路中最小的传输速率;

    5.协议层次及其服务模型

    5.1 协议分层

    网络设计者以分层的方式组织协议以及实现这些协议的网络硬件和软件,每层通过在该层中执行某些动作或使用直接下层的服务来提供服务,各层的所有协议统称为协议栈

    • 服务模型:某层向它的上一层提供的服务即称为该层的服务模型;

    5.11 因特网协议栈组成层次(整本书后续重点都在于此)

    协议组成层次相当于确定每两层之间交接时的标准和规则

    • 应用层:
      • 应用层包含网络应用程序和应用层协议;
      • 应用层协议:
        • HTTP协议:提供Web文档的请求和传送服务;
        • SMTP协议:提供电子邮件报文的传输服务;
        • FTP协议:提供两个端系统之间的传送服务;
        • DNS协议:提供域名地址转换服务;
      • 报文:
        • 应用层协议分布在多个端系统上,一个端系统上的应用程序使用协议与另一个端系统中的应用程序交换信息分组;
        • 应用层分组被称作报文
    • 运输层:
      • 在应用程序端点之间传送应用层报文;
      • 运输层协议:
        • TCP协议:
          • 向应用程序提供面向连接的服务;
          • 包括应用层报文向目的地的确保传递和流量控制;
          • 将长报文划分为短报文,并提供拥塞控制机制,当网络拥塞时,源抑制其传输速率;
        • UDP协议:向应用程序提供无连接服务;
      • 报文段:运输层分组被称为报文段
    • 网络层:
      • 数据报:网络层分组被称为数据报
      • 负责将数据报从一台主机移动到另一台主机;
      • 网络层协议:
        • IP协议:
          • 定义了数据报中各个字段以及端系统和路由器如何使用这些字段;
          • IP只有一个,所有具有网络层的因特网组件必须运行IP;
        • 路由选择协议:根据每个路由将数据报从源传输到目的地;
    • 链路层:
      • 在每个节点(主机或路由器),网络层将数据报下传给链路层,链路层沿着路径将数据报传递给下一个节点,在下一个节点中,链路层再将数据报上传给网络层;
      • 帧:链路层分组被称为
      • 链路层的任务是将整个帧从一个网络元素移动到相邻的网络元素;
    • 物理层:
      • 物理层的任务是将整个帧中的所有比特从一个节点移动到下一个节点;

    5.12 OSI模型

    • 国际化标准组织(ISO)提出计算机网络围绕七层来组织,成为开放系统互联模型(OSI),是一种不同于因特网协议栈的另一种协议栈;

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    5.2 封装

    • 每次向下即在分组端头部添加该层独有首部信息,即进行封装,向上时解封;

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    附本书题目答案链接:计算机网络:自顶向下方法(原书第7版)课后习题参考答案中文版

    • 物理层的任务是将整个帧中的所有比特从一个节点移动到下一个节点;

    5.12 OSI模型

    • 国际化标准组织(ISO)提出计算机网络围绕七层来组织,成为开放系统互联模型(OSI),是一种不同于因特网协议栈的另一种协议栈;

    [外链图片转存中…(img-wiw21cAM-1606619613373)]

    5.2 封装

    • 每次向下即在分组端头部添加该层独有首部信息,即进行封装,向上时解封;

    [外链图片转存中…(img-spkdWokQ-1606619613374)]

    附本书题目答案链接:计算机网络:自顶向下方法(原书第7版)课后习题参考答案中文版

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