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  • 计算机网络 自顶向下方法》(第7版)答案(第八章)(五)《计算机网络 自顶向下方法》(第7版)答案(第八章)(五)P22a) Fb) Tc) Td) FP23If Trudy does not bother to change the sequence number, R2 will detect the ...

    《计算机网络 自顶向下方法》(第7版)答案(第八章)(五)

    《计算机网络 自顶向下方法》(第7版)答案(第八章)(五)

    P22

    a) F

    b) T

    c) T

    d) F

    P23

    If Trudy does not bother to change the sequence number, R2 will detect the duplicate when checking the sequence number in the

    ESP header. If Trudy increments the sequence number, the packet will fail the

    integrity check at R2.

    P24

    a) Since IV = 11, the key stream is 111110100000 ……….

    Given,

    m = 10100000

    Hence,

    ICV = 1010 XOR 0000 = 1010

    The

    three fields will be:

    IV: 11

    Encrypted

    message: 10100000 XOR 11111010 = 01011010

    Encrypted

    ICV: 1010 XOR 0000 = 1010

    b) The receiver extracts the IV (11) and generates the

    key stream 111110100000 ……….

    XORs

    the encrypted message with the key stream to recover the original message:

    01011010

    XOR 11111010 = 10100000

    XORs

    the encrypted ICV with the keystream to recover the original ICV:

    1010

    XOR 0000 = 1010

    The receiver

    then XORs the first 4 bits of recovered message with its last 4 bits:

    1010

    XOR 0000 = 1010 (which equals the recovered ICV)

    c) Since the ICV is calculated as the XOR of first 4

    bits of message with last 4 bits of message, either the 1st bit or the 5th bit

    of the message has to be flipped for the received packet to pass the ICV check.

    d) For part (a), the encrypted message was 01011010

    Flipping

    the 1st bit gives, 11011010

    Trudy

    XORs this message with the keystream:

    11011010

    XOR 11111010 = 00100000

    If

    Trudy flipped the first bit of the encrypted ICV, the ICV value received by the

    receiver is 0010

    The receiver XORs this value with the keystream to get the ICV:

    0010 XOR 0000 = 0010

    The receiver now calculates the ICV from the recovered message:

    0010 XOR 0000 = 0010 (which equals the recovered ICV and so the received packet

    passes the ICV check)

    P25

    e62b0d8d5c8e5926ed5674e0b06401d8.png

    P26

    29358338943c4509e3bb9c498505af39.png

    《计算机网络 自顶向下方法》(第7版)答案(第八章)(五)相关教程

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  • P1 1110 1 0110 0 1001 0 1101 1 1100 0 P2 单比特差错:容易,所以 双比特差错: 原始数据: 0000 1111 0101 1010 出错后变为:... c) 新加入的交换机会子网3广播报文,其他同上 P17 10Mbps: 100∗51210∗106=5.12ms

    P1

    1110 1

    0110 0

    1001 0

    1101 1

    1100 0

    P2

    单比特差错:容易,所以🐎

    双比特差错:

    原始数据:

    0000

    1111

    0101

    1010

    出错后变为:

    0000

    1001

    0101

    1010

    此时可以检测到出错,但是不能确定是哪一行出现了错误

    P3

    01001100 01101001

    plus

    01101110 01101011=

    10111010 11010100

    plus

    00100000 01001100=

    11011011 00100000

    plus

    01100001 01111001=

    00111100 10011010 (overflow, then wrap around)

    plus

    01100101 01110010=

    10100010 00001100

    取反,

    01011101 11110011

    P4

    a) 11100110 11100001

    b) 01100000 01011011

    c) 11111111 11111010

    P5

    r=4 R=remainderD∗2rG=1010101010000010011=0100P6

    a) 0000

    b) 1111

    c) 1001

    P7

    a) 不失一般性,令第i位出现错误(0<=i<=d+r-1),那么这样得到的数据是 K=D∗2rX ⁣O ⁣RR+2iP8

    a) f(x)=Np(1−p)N−1P9

    同上,此时 f(x)=Np(1−p)2(N−1)P10

    a)

    A的平均吞吐量: pA(1−pB)P11

    a) (1−p(1−p)3)4p(1−p)3P12

    1

    48daf30f2b261ad7ab0837998adc003d.png

    2

    48daf30f2b261ad7ab0837998adc003d.png

    P13

    一个周期的时间: N(QR+dpoll)P14

    a) b)

    48daf30f2b261ad7ab0837998adc003d.png

    c) 🐎

    d) 🐎

    P15

    a) 不;二者在同一子网中;源IP地址:E的IP地址,目的IP地址:F的IP地址,源MAC地址:E的MAC地址,目的MAC地址:F的MAC地址。

    b) 不;二者不在同一子网;源IP地址:E的IP地址,目的IP地址:B的IP地址,源MAC地址:E的MAC地址,目的MAC地址:R1与子网3的接口的MAC地址。

    c) S1将继续广播;R1会收到ARP请求报文;R1不会向子网3转发该报文;B不会发送ARP查询报文;因为它从A发送的查询报文中可以获得A的MAC地址;S1将在转发表中加入B的地址,并向A转发该报文。

    P16

    a) 同上

    b) 是;因为E不知道二者是否在同一子网;源IP地址:E的IP地址,目的IP地址:B的IP地址,源MAC地址:E的MAC地址,目的MAC地址:FF-FF-FF-FF-FF-FF。

    c) 新加入的交换机会向子网3广播报文,其他同上

    P17

    10Mbps: 100∗51210∗106=5.12ms

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  • 参考书籍:《计算机网络自顶向下方法》原书第七版 什么是Internet? 因特网是一个世界范围的计算机网络,即它是一个互联了遍及全世界数计算设备的网络。 具体构成及描述 计算设备 : 主机(端系统)、运行的网络应用...

    不要成为理想的巨人,行动的矮子

    写在前面

    为了更好地学习和掌握《计算机网络》这门课程,打算把自己的学习笔记转化为博客,以便于更好地复习,也便于大家一起学习与交流。

    参考课程:中科大-郑老师《计算机网络》
    参考书籍:《计算机网络自顶向下方法》原书第七版
    第二章:计算机网络自顶向下方法(二)——应用层

    什么是Internet?

    因特网是一个世界范围的计算机网络,即它是一个互联了遍及全世界数计算设备的网络。

    具体构成及描述

    计算设备 : 主机(端系统)、运行的网络应用程序

    节点

    • 主机及其上运行的应用程序
    • 路由器、交换机等网络交换设备

    例如:手机、平板、电视、游戏机… 这一些设备都称为主机 ,也可以叫做端系统

    : 通信链路

    • 接入网链路:主机连接到互联网的链路
    • 主干链路:路由器间的链路

    端系统通过通信链路(communication link)分组交换机(packet switch)连接到一起。 链路的传输速率以比特/秒(bit/s, bps)度量。

    通信链路

    • 光纤、同轴电缆、无线电、卫星
    • 传输速率 = 带宽(bps)

    分组交换机 : 转发分组(packets)

    • 路由器和交换机

    端系统通过**因特网服务提供商(Internet Service Provider, ISP)**接入因特网,例如:本地住宅区ISP,公司ISP,大学ISP…

    协议 :控制发送、接收消息, 例如 TCP、IP、HTTP、FTP、PPP都是协议

    • 定义:协议(protocol)定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文的格式和顺序,以及报文发送和/或接收一条报文或其他时间所采取的动作。
    • 网络协议
      • 类似人的协议 : “几点了?”,“我有个问题?”, “你好”(若对面回应,则说明发送成功)
      • 机器之间的协议而非人与人之间的协议
      • Internet中所有的通信行为都受协议制约

    什么是Internet: 从服务角度

    使用通信设施进行通信的分布式应用:WEB、Voip、email、分布式游戏、电子商务、社交网络…

    通信基础设施为apps提供编程接口(通信服务)

    • 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

    网络边缘

    端系统(主机):

    • 运行应用程序
    • 如Web、email
    • 在“网络的边缘”

    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

    **对等(peer-peer)**模式

    • 很少(甚至没有)专门的服务器
    • 如Gnutella、KnZaA、Emule

    网络边缘:采用网络设施的面向连接服务

    目标:在端系统之间传输数据

    • 握手:在数据传输之前做好准备
      • 类似人类协议中:你好、你好
      • 两个通信主机之间为连接建立状态

    TCP-传输控制协议(Transmission Control Protocol):TCP向它的应用程序提供了面向连接的服务。这种服务包括了应用层报文向目的地的确保传递和流量控制(即发送方/接收方速率匹配)。TCP也将长报文划分为短报文,并提供无连接服务,因此当网络拥塞时,源抑制其传输速率。

    • Internet上面向连接的服务
    • 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

    网络边缘:采用基础设施的无连接服务

    目标:在端系统之间传输数据

    • 无连接服务

    UDP-用户数据报协议(User Datagram Protocol): UDP协议向它的应用程序提供无连接服务。这是一种不提供不必要服务的服务,没有可靠性,没有流量控制,也没有拥塞控制。

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

    使用TCP的应用:HTTP(Web)、FTP(文件传送)、Telnet(远程登录)、SMTP(email)

    使用UDP的应用:流媒体、远程会议、DNS、Internet电话

    网络核心

    网络核心:路由器的网状结构
    基本问题:数据怎么通过网络进行传输?

    • 电路交换:为每个呼叫预留一条专有电路:如电话网
    • 分组交换:
      • 将要传送的数据分为一个个单位:分组
      • 将分组从一个路由器传到响铃路由器(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)

    网络核心:电路交换

    在电路交换网络中,在端系统间通信会话期间,预留了端系统间沿路径通信所需要的资源(缓存,链路传输速率)。在分组交换网络中,这些资源则不是预留的。

    端到端的资源被分配给源端到目标端的呼叫(call)

    如上图中, 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)
    • 独享资源:不同享
      • 每个呼叫一旦建立起来就能够保证性能
    • 如果呼叫没有数据发送,被分配的资源就会被浪费(no sharing)
    • 通常被传统电话网络采用

    如上图,每台主机(例如PC和工作站)都与一台交换机直接相连,当两台主机要通信时,该网络在两台主机之间创建一条专用的端到端连接(end-to-end connection)。因此,主机A为了向主机B发送报文,网络必须在两条链路的每条上先预留一条电路。

    为呼叫预留端-端资源

    • 链路带宽、交换能力
    • 专用资源:不共享
    • 保证性能
    • 要求建立呼叫链接

    电路交换网络中的复用

    网络资源(如带宽)被分成片

    • 为呼叫分配片

    • 如果某个呼叫没有数据,则其资源片处于空闲状态(不共享)

    • 将带宽分成片

      • 频分(Frequency-division multiplexing, FDM)
      • 时分(Time-division multiplexing, TDM)
      • 波分(Wave-division multiplexing)

    电路交换:FDM与TDM

    计算举例

    电路交换不适合计算机之间的通信

    • 连接建立时间长
    • 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

    网络核心:分组交换

    在各种网络应用中,端系统彼此交换报文(message)

    为了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(packet)

    以分组为单位存储-转发方式

    • 网络带宽资源不再分为一个个片,传输时使用全部带宽
    • 主机之间传输的数据被分为一个个分组

    资源共享,按需使用:

    • 存储-转发:分组每次移动一跳(hop)
      • 在转发之前,节点必须收到整个分组
      • 延迟比线路交换要大
      • 排队时间

    分组交换:存储-转发

    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

    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

    考虑一般的情况:通过由N条速率均为R的链路组成的路径(所以,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,那么端到端的时延是: d t e x t 端 到 端 = N L R d_text{端到端} = N\frac{L}{R} dtext=NRL

    Example

    L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps
    3次存储转发的延时 = 15 s

    分组交换:排队延迟和丢失

    排队和延迟

    • 如果到达速率 > 链路的输出速率
      • 分组将会排队,等待传输
      • 如果路由器的缓存用完了,分组将会被抛弃

    数据报网络和虚电路网络

    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

    数据报网络

    • 分组的目的地址决定下一跳
    • 在不同的阶段,路由可以改变
    • 类似:问路

    数据报(datagram)的工作原理

    • 在通信之前,无须建立起一个连接,有数据就传输
    • 每一个分组都独立路由(路径不一样,可能会失序)
    • 路由器根据分组的地址进行路由

    虚电路网络

    • 每个分组都带标签(虚电路标识VCID), 标签决定下一跳
    • 在呼叫建立时决定路径,在整个呼叫中路径保存不变
    • 路由器维持每个呼叫的状态信息

    分组交换和电路交换的对比

    同样的网络资源,分组交换允许更多用户使用网络!

    Example:

    假设多个用户共享一条1Mbps链路,再假定每个用户活跃周期是变化的,某用户时而100kbps恒定速率产生数据,时而静止——这时用户不产生数据,假设该用户仅有10%时间活跃。
    对于电路交换,能支持10(=1Mbps/100kbps)个并发的用户。
    对于
    分组交换
    ,假如有35个用户,有>=10个用户活动的概率为0.0004
    计算公式: 1 − ∑ n = 0 9 ( 35 a ) p n ( 1 − p ) 35 − n 1 - \sum\limits_{n = 0}^9 \begin{pmatrix} 35\\ a\end{pmatrix} p^n(1-p)^{35-n} 1n=09(35a)pn(1p)35n

    分组交换是“突发数据的胜利者”

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

    接入网和物理媒体

    Q:怎样将端系统和边缘路由器连接?

    • 住宅接入网络
    • 单位接入网络(学校、公司)
    • 无线接入网络

    家庭接入:DSL、电缆、FTTH、拨号和卫星
    宽带住在接入有两种最流行的类型:数字用户线(Digital Subscriber Line, DSL)电缆。住宅通常从提供本地电话接入的本地电话公司处获得DSL因特网接入。

    modem

    • 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。
      • 调频
      • 调幅
      • 调相位
      • 综合调制
    • 拨号调制解调器
      • 56kbps的速率直接接入路由器(通常更低)
      • 不能同时上网和打电话:不能总是在线

    DSL:

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

    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)

    • HFC: hybrid fiber coax (混合光纤同轴系统)
    • 非对称: 最高30Mbps的下行传输速率, 2 Mbps 上行传输
      速率
    • 线缆和光纤网络将个家庭用户接入到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)

    企业接入网络(Ethernet)
    以太网(Ethernet)是目前为止,公司、大学和家庭网络中最为流行的接入技术。

    • 经常被企业或者大学等机构采用
      • 10Mbps, 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

    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

    物理媒体

    对于每个发射器-接收器对,通过跨越一种**物理媒体(physical medium)**传播电磁波或光脉冲来发送该比特。

    • Bit: 在发送-接受对间传播
    • 物理链路:连接每个发送-接收对之间的物理媒体
    • 引导型媒体:
      • 信号沿着固体媒介被导引:同轴电缆、光纤、双绞线
    • 非导引型媒体:
      • 开放的空间传播电磁波或者光信号,在电磁或者光信号中承载数字数据。
    • 双绞线(TP)
      • 两根绝缘铜导线拧合
        • 5类:100Mbps以太网Gbps千兆位以太网
        • 6类:10Gbps万兆以太网

    物理媒体:同轴电缆、光纤

    同轴电缆

    • 两根同轴的铜导线
    • 双向
    • 基带电缆:
      • 电缆上一个单个信道
      • Ethernet
    • 宽带电缆:
      • 电缆上有多个信道
      • HFC

    光纤和光缆

    • 光脉冲,每个脉冲表示一个
      bit,在玻璃纤维中传输
    • 高速:
      • 点到点的高速传输(如10 Gps-100Gbps传输速率)
    • 低误码率:在两个中继器之间可以有很长的距离,不受电磁噪声的干扰
    • 安全

    物理媒介:无线链路

    • 开放空间传输电磁波,携带要传输的数据
    • 无需物理“线缆”
    • 双向
    • 传播环境效应:
      • 反射
      • 吸收
      • 干扰

    无线链路类型

    • 地面微波
      • e.g. up to 45 Mbps channels
    • LAN (e.g., WiFi)
      • 11Mbps, 54 Mbps,540Mbps…
    • wide-area (e.g., 蜂窝)
      • 3G cellular: ~ 几Mbps
      • 4G 10Mbps
      • 5G 数Gbps
    • 卫星
      • 每个信道Kbps 到45Mbps (或者多个聚集信道)
      • 270 msec端到端延迟
      • 同步静止卫星和低轨卫星

    Internet结构和ISP

    网络的网络

    • 端系统通过**接入ISP(Internet Service Providers)**连接到互联网
      • 住宅,公司和大学的ISP
    • 接入ISP相应的必须是互联的
      • 因此任何两个端系统可相互发送分组到对方
    • 导致的“网络的网络”非常复杂
      • 发展和演化是通过经济的国家的政策来驱动的
    • 采用渐进方法来描述当前互联网的结构

    如何建立“网络的网络”: 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

    • 但是,如果全局ISP是可行的业务,那会有竞争者有利可图,一定会有竞争

    • 竞争:但如果全局ISP是有利可为的业务,那会有竞争者;合作:通过ISP之间的合作可以完成业务的扩展,肯定会有互联,对等互联的结算关系。

    • 然后业务会细分(全球接入和区域接入),区域网络将出现,用与将接入ISPs连接到全局ISPs。

    • 然后内容**提供商网络(Internet Content Providers,e.g., Google,Microsoft, Akamai)**可能会构建它们自己的网络,将它们的服务、内容更加靠近端用户,向用户提供更好的服务,减少自己的运营支出。

    • 在网络的最中心,一些为数不多的充分连接的大范围网络(分布广、节点有限、
      但是之间有着多重连接)

      • “tier-1” commercial ISPs (e.g., Level 3, Sprint, AT&T, NTT), 国家或者国际范围的覆盖。
      • provider network (e.g., Google): 将它们的数据中心接入ISP,方便周边用户的访问;通常私有网络之间用专网绕过第一层ISP和区域ISPs.

    总结

    • 松散的层次模型
    • 中心:第一层ISP(如UUNet, BBN/Genuity, Sprint,AT&T)国家/国际覆盖,速率极高。
      • 直接与其他第一层ISP相连
      • 与大量的第二层ISP和其他客户网络相连
        在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    • 第二层ISP: 更小些的(通常是区域性的) ISP

      • 与一个或多个第一层ISPs,也可能与其他第二层ISP
    • 第三层ISP与其他本地ISP

      • 接入网(与端系统最近)
    • 一个分组要经过许多网络
      在这里插入图片描述

    ISP之间的连接

    • POP: 高层ISP面向客户网络的接入点,涉及费用结算
      • 如一个低层ISP接入多个高层ISP,多宿(multi home)
    • 对等接入:2个ISP对等互接,不涉及费用结算
    • IXP:多个对等ISP互联互通之处,通常不涉及费用结算
      • 对等接入
    • ICP自己部署专用网络,同时和各级ISP连接

    分组延时、丢失和吞吐量

    分组丢失和延时是怎样发生的?
    在路由器缓冲区的分组队列

    • 分组到达链路的速率超过了链路输出的能力
    • 分组等待排到队头、被传输

    四种分组延时

    节点处理延时:

    • 检查bit级差错
    • 检查分组首部和决定将分组导向何处

    排队延时:

    • 在输出链路上等待传输的时间
    • 依赖于路由器的拥塞程度

    传输延时:

    • 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

    传播延时:

    • d = 物理链路的长度
    • s = 在媒体上的传播速度(~ 2 × 1 0 8 m / s e c 2\times 10 ^8 m/sec 2×108m/sec
    • 传播延时 = d / s

    传输时延和传播时延的比较
    传输时延是路由器推出分组所需要的时间,它是分组长度和链路传输速率的函数,而与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,它是两台路由器之间距离的函数。

    节点延时

    d n o d a l = d p r o c + d q u e u e + d t r a n s + d p r o p d_{nodal} = d_{proc} + d_{queue} + d_{trans} + d_{prop} dnodal=dproc+dqueue+dtrans+dprop

    • d p r o c d_{proc} dproc = 处理延时
      • 通常是微妙数量级或更少
    • d q u e u e d_{queue} dqueue = 排队延时
      • 取决于拥塞程度
    • d t r a n s d_{trans} dtrans = 传输延时
      • = L/ R, 对低速率的链路而言很大(如拨号), 通常为微秒级到毫秒级
    • d p r o p d_{prop} dprop = 传播延时
      • 几毫秒到几百毫秒

    排队延时

    • R = 链路带宽(bps)
    • L = 分组长度(bits)
    • a = 分组到达对列的平均速率
      流量强度 = La/R
    • La / R ~ 0: 平均排队延时很少
    • La / R -> 1: 延时变得很大
    • La / R > 1:比特到达队列的速率超过了从该队列输出的速率,平均排队延时将趋向无穷大!

    Internet的延时和路由

    Traceroute 诊断程序: 提供从源端,经过路由器,到目的的延时测量。

    • For all i:
    • 沿着目的的路径,向每个路由器发送3个探测分组
    • 路由器i 将向发送方返回一个分组
    • 发送方对发送和回复之间间隔计时


    分组丢失

    • 链路的队列缓冲区容量有限
    • 当分组到达一个满的队列时,该分组将会丢失
    • 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

    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
      R s R_s Rs:表示服务器于路由器之间的链路速率
      R c R_c Rc: 表示路由器于客户端之间的链路速率

    例如上图,对于两链路网络,其吞吐量为: min ⁡ R s , R c \min{R_s, R_c} minRs,Rc.

    瓶颈链路: 端到端路径上,限制端到端吞吐的链路。

    对于N条链路的网络,其吞吐量为 min ⁡ R 1 , R 2 , ⋯   , R N \min{R_1, R_2, \cdots, R_N} minR1,R2,,RN

    互联网场景
    对于10个连接(公平地)共享Rbps的瓶颈链路

    其每个连接上的端到端的吞吐量为 min ⁡ R c , R s , R / 10 \min{R_c, R_s, R/10} minRc,Rs,R/10

    协议层次及服务模型

    网络是一个复杂的系统!

    • 网络功能繁杂:数字信号的物理信号承载、点到点、路由、rdt、进
      程区分、应用等
    • 现实来看,网络的许多构成元素和设备:
      • 主机
      • 路由器
      • 各种媒体的链路
      • 应用
      • 协议
      • 硬件, 软件

    Q:如何组织和实现这个复杂的网络功能

    层次化方式时延复杂网络功能:

    • 将网络复杂的功能分层功能明确的层次,每一层实现了其中一个或一组功能,功能中有其上层可以使用的功能:服务
    • 本层协议实体相互交互执行本层的协议动作,目的是实现本层功能,通过接口为上层提供更好的服务
    • 在实现本层协议的时候,直接利用了下层所提供的服务
    • 本层的服务:借助下层服务实现的本层协议实体之间交互带来的新功能(上层可以利用的)+更下层所提供的服务

    服务和服务访问点

    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 )
      原语(primitive):上层使用下层服务的的形式,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。

    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)

    服务的类型:

    面向连接的服务无连接的服务 方式

    面向连接的服务( Connection-oriented Service)

    • 连接(Connection):两个通信实体为进行通信而建立的一种结合
    • 面向连接的服务通信的过程:建立连接,通信,拆除连接
    • 面向连接的服务的例子:网络层的连接被成为虚电路
    • 适用范围:对于大的数据块要传输; 不适合小的零星报文
    • 特点:保序
    • 服务类型:
      • 可靠的信息流传送页面(可靠的获得,通过接收方的确认)
      • 可靠的字节流远程登录
      • 不可靠的连接数字化声音

    无连接的服务(Connectionless Service)

    • 无连接服务:两个对等层实体在通信前不需要建立一个连接,不预留资源;不需要通信双方都是活跃;(例:寄信)
      • 特点:不可靠、可能重复、可能失序
      • IP分组,数据包;
      • 适用范围:适合传送零星数据;
      • 服务类型:
        • 不可靠的数据报电子方式的函件
        • 有确认的数据报挂号信
        • 请求回答信息查询

    服务和协议

    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

    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

    数据单元

    PDU:协议数据单元

    PDU包含来自上层的信息和当前层的实体附加的信息,这个PDU会被传送到下一较低的层。

    Internet协议栈

    协议栈有5个层次组成:物理层、链路层、网络层、运输层、应用层

    • 应用层: 网络应用 (应用层的信息分组称为报文)
    • 为人类用户或者其他应用进程提供网络应用服务
    • FTP, SMTP, HTTP,DNS
    • 运输层: 主机之间的数据传输 (运输层的分组称为报文段)
      • 在网络层提供的端到端通信基础上,细分为进程到进程,将不可靠的通信变成可靠地通信
      • TCP, UDP
    • 网络层: 为数据报从源到目的选择路由 (网络层的分组称为数据报(无连接))
      • 主机主机之间的通信,端到端通信,不可靠
      • IP, 路由协议
    • 链路层: 相邻网络节点间的数据传输 (链路层的分组称为帧指)
      • 2个相邻2点的通信,点到点通信,可靠或不可靠
      • 点对对协议PPP, 802.11(wifi), Ethernet
    • 物理层: 在线路上传送bit

    ISO/OSI 参考模型:物理层、链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层

    • 表示层: 允许应用解释传输的数据, e.g., 加密,压缩,机器相关的表示转换
    • 会话层: 数据交换的同步,检查点,恢复

    封装和解封装

    互联网历史

    早期(1960以前)计算机网络

    • 线路交换网络
    • 线路交换的特性使得其不适合计算机之间的通信
      • 线路建立时间过长
      • 独享方式占用通信资源,不适合突发性很强的计算机之间的通信
      • 可靠性不高:非常不适合军事通信
    • 三个小组独立地开展分组交换的研究
      • 1961: Kleinrock(MIT),排队论,展现了分组交换的有效性
      • 1964: Baran(美国兰德公司) – 军用网络上的分组交换
      • 1964:Donald(英国)等,NPL

    1961-1972: 早期的分组交换概念

    • 1967: 美国高级研究计划研究局考虑ARPAnet
      • Kleinrock在MIT的同事
    • 1969: 第一个ARPAnet节点开始工作,UCLA
      • IMP:接口报文处理机
    • 1969年底: 4个节点
    • 1972:
      • ARPAnet 公众演示
      • 网络控制协议是第一个端系统直接的主机-主机协议
        • NCP协议:相当于传输层和网络层在一起,支持应用开发
    • 第一个e-mail 程序(BBN)
    • ARPAnet有15个节点

    1972-1980: 专用网络和网络互联

    • 出现了很多对以后来说重要的网络形式,雨后春笋
      • 1970: ALOHAnet,夏威夷上的微波网络
      • 1973: Metcalfe在博士论文中提出了Ethernet
      • ATM网络
      • ALOHAnet,Telenet,Cyclades法国等
    • 1970后期,网络体系结构的必要性
      • 专用的体系结构: DECnet, SNA, XNA
      • 标准化的体系结构
    • 1974: 网际互联的Cerf and Kahn 体系结构
    • 1979: ARPAnet的规模在持续增加,体系结构也在酝酿着变化,以支持网络互联和其他目的(性能)需求
      • 节点数目增加,有200个节点

    1980-1990: 体系结构变化, 网络数量激增,应用丰富

    • 1983: TCP/IP部署,标记日
    • NCP分化成2个层次,TCP/IP,从而出现UDP
    • 覆盖式IP解决网络互联问题
    • 主机设备和网络交换设备分开
    • 1982: smtp e-mail协议定义
    • 1983: DNS 定义,完成域名到IP地址的转换
    • 1985: ftp 协议定义
    • 1988: TCP拥塞控制
    • 其他网络形式的发展
    • 新的国家级网络: Csnet,BITnet, NSFnet, Minitel
    • 1985年:ISO/OSI提出,时机不对且太繁琐,
    • 100,000主机连接到网络联邦

    1990, 2000’s: 商业化, Web, 新的应用

    • 1990年代初: NSF对ARPAnet 的访问网,双主干,ARPAnet退役
    • 1991: NSF放宽了对NSFnet用于商业目的的限制(1995退役),ASFNET非盈利性机构维护,后面叫Internet
    • UNIX 中TCP/IP的免费捆绑
    • 1990年代初: Web
      • hypertext [Bush 1945, Nelson 1960’s]
      • HTML, HTTP: Berners-Lee
      • 1994: Mosaic (Netscape,and reesen)
      • 1990年代后期: Web的商业化
    • 1990后期– 21世纪:
      • TCP/IP体系结构的包容性,在其上部署应用便捷,出现非常多的应用
      • 新一代杀手级应用(即时讯息,P2P 文件共享,社交网络等)更进一步促进互联网的发展
      • 安全问题不断出现和修订(互联网的补丁对策)
      • 2001网络泡沫,使得一些好公司沉淀下来(谷歌,微软,苹果,Yahoo,思科)
      • 主干网的速率达到Gbps

    2005-现在

    • ~50+亿主机:包括智能手机和平板
    • 宽带接入的快速部署
    • 高速无线接入无处不在:移动互联时代
      • 4G部署,5G蓄势待发
      • 带宽大,终端性能高,价格便宜,应用不断增多
    • 在线社交网络等新型应用的出现:
      • Facebook: 10亿用户
      • 微信,qq:数十亿用户
    • 内容提供商(Google, Microsoft)创建他们自己的网络
      • 通过自己的专用网络提供对搜索、视频内容和电子邮件的即刻访问
    • 电子商务,大学,企业在云中运行他们的服务(eg, Amazon EC2)
    • 体系结构酝酿着大的变化,未来网络蠢蠢欲动

    结尾: 这篇博客整理了好久,大概花了接近一天的时间,这篇博客是计算机网络第一章,打算每周学习一章的进度,并记入学习笔记,转化博客。目前本人已经大四,希望自己能沉浸下来,认认真真学点东西,Fighting。

    展开全文
  • 文章目录学习本书的目的一、第一章 计算机网络和因特网二、使用步骤总结 学习本书的目的 主要目的并不是学习计算机网络的只是,而是学习作者的思维方式,以及自己对这种思维方式的理解。 一、第一章 计算机网络和...

    学习本书的目的

    主要目的并不是学习计算机网络的只是,而是学习作者的思维方式,以及自己对这种思维方式的理解。

    第一章 计算机网络和因特网

    这一章首先描述了什么是因特网,以及因特网在我们生活中的应用,让我对因特网很感兴趣,然后就描述了因特网中最简单的例子,两个端之间的数据传输,讲解数据传输的时候从协议到路由器最后到通信卫星,让我脑子里大致有个轮廓,就是两个端传递需要那些设备支持。由两个端的数据传输,自然将到了多端传输,多端传输一个是多端之间连接的复杂性,以及通信过程中的阻塞,丢包和相应解决方案之间的对比。最后由一个我们坐飞机的过程设计到的票务系统,行李托运和飞机等等的分层方案设计引出了本书的核心,也就是大名鼎鼎的OSI参考模型,讲解了面对复杂的传输过程,分层的优缺点以及必要性。
    整个第一章读下来,感觉作者由我们的生活出发,引人入胜最终引出本书的知识体系,整个过程看下来真的是收获良多,而且有读下去的欲望,希望知道各层之间是和通信的,又是哪一层与卫星通信的(好牛皮的样子)?然后这么多设备连接的复杂性和传输过程中数据的丢包又是如何处理的,如果我想设计一个不丢包的系统并且要求各层性能最优又该如何做?实际通信过程中的花费和通信效率的取舍又是如何做的?也许读完本书,我并不能得到所有的答案,但是一本书能让你对这些有很大兴趣,那么我认为这本书是成功的。

    第二章 应用层

    TCP和UDP

    带着上面的问题,我们希望有一种方式保证我们的数据不丢失,比如像电子邮件以及金融应用,数据丢失可能会造成灾难性的后果。因特网(更一般的是TCP/IP网络)为应用程序提供了两个运输层协议,即UDP和TCP。首先看TCP,TCP服务模型包括面向连接服务和可靠数据传输服务,这意味着当某个应用程序调用TCP作为其运输协议时,该应用程序的数据可靠性传输就得到了保证。UDP是无连接的,因此在两个进程通信前没有握手过程。UDP提供一种不可靠的数据传输服务,也就是说,当进程将一个报文发送进UDP套接字时,UDP协议并不保证该报文讲到达接收进程,不仅如此,到达接收进程的报文也可能是乱序到达的。所以上面的问题已经显而易见了。

    HTTP

    HTTP使用TCP作为它的支撑运输协议。HTTP客户端首先发起一个与服务器的TCP连接,一旦连接建立,该客户端和服务器就可以通过套接字接口访问TCP。这里我们可以看到分层体系结构的最大优点,即HTTP协议不用担心数据丢失,也不关注TCP从网络的数据丢失和乱序故障中恢复的细节。那是TCP以及协议栈较底层协议的工作。
    在采用HTTP1.1持续连接的情况下,服务器在发送响应后保持该TCP连接打开。在相同的客户与服务器之间,后续的请求和响应报文能够通过相同的连接进行传送。HTTP的默认模式是使用带流水线的持续连接。最近,在HTTP/2是在HTTP1.1基础上构建的,它允许在相同连接中多个请求和回答交错。

    SMTP

    SMTP(使用TCP协议)是因特网电子邮件的核心。SMTP一般不使用中间邮件服务器发送邮件,即使这两个邮件服务器位于地球的两端也是这样。假设Alice的邮件服务器在香港,而Bob的服务器在美国,那么这个TCP连接也是从香港到美国之间直接相连,特别是如果Bob的邮件服务器没有开机,该报文会保留在Alice的邮件服务器上并等待进行新的尝试,这意味着邮件并不在中间的某个邮件服务器保留。

    DNS

    你能想象人们之间以这种方法说话吗?如,“您好,我叫132-000-123,请找一下我的同时456-00-345”。这种方式是很难记忆的。
    DNS(使用UDP协议)就是域名服务器,它的主要作用是将主机名(如www.baidu.com)转换为IP地址。DNS是由一个分层的DNS服务器实现的分布式数据库,一个使得主机能够查询分布式数据库的应用层协议,使用53端口。

    P2P文件分发

    之前的协议都是使用客户-服务器体系结构,极大地依赖与总是打开的基础设施服务器。而P2P协议是从单一服务器向大量主机(称为对等方)分发一个大文件,该文件也许是一个新版的Linux操作系统。在客户-服务器文件分发中,该服务器必须向每个对等方发送该文件的一个副本,因此服务器承受了很大的压力。而在P2P文件分发中,每个对等方能够向任何其他对等方重新分发它已经收到的该文件的任何部分,从而在分发过程中协助该服务器。到2016年为止,最为流行的P2P文件分发协议是BitTorrent,我国的迅雷公司的下载工具就是使用的这种协议,BitTorrent是一个相当复杂的协议。

    第二章总结

    什么是协议呢,给出一个粗略性的定义:

    在两个或多个通信实体之间交换报文的格式和次序,以及对某报文或其他事件传输和/或接收所采取的动作。

    在本章我们只知道TCP是一种可靠数据服务,但是它是如何做到这一点的呢?我们不得而知,而下一章我们将会得到答案。
    实际上对于大多数应用层开发者来说,学完这一章就差不多了,而学完这一章的直接收益也是最大的,更底层的知识在工作中也许并不会涉及到,如果没有更多的时间可以以后在学,我觉得学习就是应该这样,先解决问题,原理性的知识可以量力而行,无奈,市面上大多数的数据,一直翻到最后才能学到一些核心知识,导致很多人没有耐心读到最后就放弃了,而对于本书中,TCP是如何保证可靠数据服务我是感兴趣的,所以我打算接着读下去。

    第三章 运输层

    运输层位于应用层和网络层之间,是分层的网络体系结构的重要部分。

    端口号是一个16比特的数,其大小在0-65535之间。0-1023范围的端口号称为周知端口号,是受限制的,这是指它们保留给诸如HTTP(80端口)和FTP(21端口)之类的周知应用层协议来使用的。运输层从范围1024-65535内分配一个端口号。

    可靠数据传输原理

    实现这种服务抽象是可靠数据传输协议的责任,由于可靠数据传输协议的下层协议也许是不可靠的,因此这是一项困难的任务,例如,TCP是在不可靠的(IP)端到端网络层之上实现的可靠数据传输协议。

    自动重传请求协议(ARQ)

    1. 差错检测。首先,需要一种机制以使接收方检测到合适出现了比特差错。
    2. 接收方反馈。因为发送方和接收方通常在不同端系统上执行,可能相隔数千英里,发送方要了解接收方情况的唯一途径就是让接收方提供明确的反馈信息给发送方。在口述报文的情况下回答的“肯定确认”(ACK)和“否定确认”(NAK)就是这种反馈的例子。
    3. 重传。接收方收到有差错的分组时,发送方将重传该分组文。(详细如【回退N步】和【选择重传】等)

    TCP协议

    三次握手

    客户首先发送一个特殊的TCP报文段,服务器用另一个特殊的TCP报文段来响应,最后客户再用第三个特殊报文段作为响应。前两个报文段不承载“有效载荷”,也就是不包含应用层数据;而第三个报文段可以承载有效载荷。由于这两台主机之间发送了3个报文段,所以这种连接建立过程通常被称为三次握手

    拥塞控制

    TCP所采用的方法是让每一个发送方根据所感知到的网络拥塞程度来限制其能向连接发送流量的速率。如果一个TCP发送方感知从它到目的地的路径上没什么拥塞,则TCP发送方增加其发送速率;如果发送方感知沿着该路径有拥塞,则发送方就降低其发送速率。但是这个方法提出了三个问题。

    1. 一个TCP发送方如何限制它向其他连接发送流量的速率呢?
    2. 一个TCP发送方如何感知它到目的地之间的路径上存在拥塞呢?
    3. 当发送方感知到它到目的地之间的路径上存在拥塞时,采用何种算法来改变其发送速率呢?

    首先分析一下TCP发送方是如何限制向其接收发送流量的。运行在发送方的TCP拥塞控制机制跟踪一个额外变量,即拥塞窗口(congestion window)。拥塞窗口表示为cwnd,它对一个TCP发送方能向网络中发送流量的速率进行了限制。
    我们接下来考虑TCP发送方是如何感知它与目的地之间的路径上出现了拥塞的。我们将一个TCP发送方的“丢包事件”定义为:要么出现超时,要么收到来自接收方的3个冗余ACK。当出现过度的拥塞时,在沿着这条路径上的一台(或多台)路由器的缓存会溢出,引起一个数据报(包含一个TCP报文端)被丢弃。丢弃的数据报接着会引起发送方的丢包事件(要么超时或收到3个冗余ACK),发送方就认为在发送方到接收方的路径上出现了拥塞的指示。
    概述了TCP拥塞控制后,现在是我们考虑广受赞誉的TCP拥塞控制算法细节的时候了,该算法包含3个主要部分。

    1. 慢启动
    2. 拥塞避免
    3. 快速恢复

    第四章 网络层:数据平面

    网络层的作用从表面上看极为简单,即将分组从一台发送主机移动到一台接收主机,为此,需要使用两种极为重要的网络层功能。

    1. 转发。当一个分组到达某路由器的一条输入链路时,该路由器必须将该分组移动到适当的输出链路。
    2. 路由选择。当分组从发送方移动到接收方时,网络层必须决定这些分组所采用的路由或路径。计算这些路径的算法被称为路由选择算法

    IPv4

    每个IP地址长度为32比特,因此共有2^32个(或大约40亿个)可能的IP地址。这些地址通常按所谓的点分十进制记法书写,即每个地址中的每个字节用它的十进制形式书写,各字节间以句号隔开。例如,IP地址193.32.216.9。在全球因特网中每台主机和路由器上的每个接口,都必须有一个全球唯一的IP地址(NAT后面的借口除外)。然而,这些地址不能随意地自由选择,一个接口的IP地址的一部分需由其连接的子网来决定。

    获取主机地址:动态主机配置协议 DHCP

    主机地址也能手动配置,但是这项工作目前更多的是使用**动态主机配置协议(DHCP)**来完成,DHCP允许主机自动获取一个IP地址。网络管理员能够配置DHCP,以使某给定主机每次与网络连接时能得到一个相同的IP地址,或者某主机将被分配一个临时的IP地址,每次连接时该地址也许是不同的。
    从移动的性能来说,DHCP确实有很严重的缺陷。因为每当节点连到一个新字网,要从DHCP得到一个新IP地址,当一个移动节点在字网移动时,就不能维持与远程应用之间的TCP连接。在第六章,我们将研究移动IP,它是对IP基础设施的拓展,允许移动节点在网络之间移动时使用其单一的地址。

    网络地址转换 NAT

    NAT能使路由器对于外部世界来说甚至不像一台路由器。相反NAT路由器对外界的行为就如同一个具有单一IP地址的单一设备。所有离开家庭路由器流向更大的因特网的报文都拥有同一个源IP地址,且所有进入家庭的报文都有同一个目的IP地址。从本质上讲,NAT能使路由器对外界隐藏了家庭网络的细节。

    IPv6

    由于新的子网和IP节点以惊人的增长率连到因特网上,32比特的IP地址空间即将用尽。为了应对这种对大IP地址空间的需求,开发了一种新的IP协议,即IPv6协议。IPv6的设计者还利用这次机会,在IPv4积累的运行经验基础上加进和强化了IPv4的其他方面。(一个经常的问题是:马老师,IPv5出什么事了?人们最初预想ST-2协议将成为IPv5,但ST-2后来被舍弃了。)
    IPv6中引入的最重要的变化显示在其数据报格式中:

    • 扩大的地址容量。IPv6将IP地址长度从32比特增加到128比特。这就确保全世界将不会用尽IP地址。现在,地球上的每个沙粒都可以用IP地址寻址了。
    • 简化高效的40字节首部。
    • 流标签。IPv6有一个难以捉摸的**流(flow)**定义。该字段可用于“给属于特殊流的分组加上标签,这些特殊流是发送方要求进行特殊处理的流,如一种非默认服务质量或需要实时服务的流”。

    第五章 网络层:控制平面

    路由选择算法

    路由选择算法,其目的是从发送方到接收方的过程中确定一条通过路由器网络的最好的路径。一条好的路径指具有最低开销的路径。
    可以用加权有向图来形式化描述路由选择问题。所谓的最低开销路径也就是最短路径。即在源和目的地之间的具有最少链路数量的路径。常用的路由选择的算法有Dijkstra算法和Prim算法,也就是图论里面两种经典的最短路径的算法,所以说数据结构和算法在整个网络的关键节点体现出了无比重要的作用。

    第六章 链路层和局域网

    为了透彻理解链路层以及它如何和网络层关联的,我们考虑一个交通运输的类比例子。假如一个旅行社计划为游客开辟从美国新泽西州的普林斯顿到瑞士洛桑的旅游路线。假定该旅行社认为对于游客而言最为便利的方案是:从普林斯顿乘坐豪华大轿车到JFK机场,然后乘飞机从JFK机场去日内瓦机场,最后乘火车从日内瓦机场到洛桑火车站。在这个运输类比中,一个游客好比一个数据报,每个运输区段好比一条链路,每种运输方式好比一种链路层协议,而该旅行社好比一个路由选择协议。

    链路层提供的服务

    • 成帧。每个网络数据报经链路层传送之前,激素所有的链路层协议都要将其用链路层帧封装起来。
    • 链路接入。**媒体访问控制(Medium Access Control,MAC)**协议规定了帧在链路上传输的规则。
    • 可靠交付。当链路层协议提供可靠交付服务时,它保证无差错地经链路层移动每个网络层数据报。
    • 差错检测和纠正。当帧中的一个比特作为1传输时,接收方节点中的链路层硬件可能不正确地将其判断为0,反之亦然。这种比特差错是由信号衰减和电磁噪声导致的。

    地址解析协议

    因为存在网络层地址(例如,因特网的IP地址)和链路层地址(MAC地址),所以需要在它们之间进行转换。对于因特网而言,这是地址解析协议(Address Resolution Protocol,ARP)。

    交换机

    交换机的任务是接收链路层帧并将它们转发到出链路。

    交换机的转发和过滤

    过滤是决定一个帧应该转发到某个接口还是应该将其丢弃的交换机功能。转发是决定一个帧应该被导向那个接口,并把该帧移动到哪些接口的交换机功能。

    交换机与路由器比较

    路由器是使用网络层地址转发分组的存储转发分组交换机。尽管交换机也是一个存储转发分组交换机,但是它和路由器是根本不同的,因为它用MAC地址转发分组。

    总结

    以上是对书籍计算机网络-自顶向下方法的摘抄,大致的写了一些自己比较感兴趣的点,可以看到整个链路复杂而合理,复杂在每层都有很多的协议和细节需要处理,特别是为了保证数据的可靠传输,几乎每一层都要支持。合理在于分层思想的合理,分而治之是解决复杂问题的常用手段,像我们每个程序员其实也是被分配在某个细分领域,这也是分治思想,当然每个人各司其职整个系统就会很稳定的运行。所以从本书中学到的最重要的两点,一个是分治思想,另一个是学习知识的自顶向下的思想,也就是先从最感兴趣的点或者最容易入手的点进入,然后逐步深入学习。

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