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Chap 1 | Introduction

章节启示录

本章节是计算机网络的第一章。

1.网络基本介绍

1.1 初识网络

网络的基本功能：信息传递

  • 服务用什么区分？ 功能、延迟、带宽、丢失率
    端节点数目、服务接口
    可靠性、实时/非实时等外特性

1.2 网络实例

  • 网络分类（按地域规模）
    个域网PAN(Personal Area Network)：能在便携式消费电器与通信设备之间进行短距离通信的网络。
    局域网LAN(Local Area Network)：局部地区形成的区域网络，如企业网络。
    城域网MAN(Metropolitan Area Network)：范围覆盖一个城市的网络。
    广域网WAN(Wide Area Network)：覆盖很大地理区域，乃至覆盖地区和国家。
网络的网络:Internet 与 internet

  • 网络边缘
    1. 端系统：位于互联网边缘与互联网相连的计算机和其他设备
    2. 端系统由各类主机(host)构成：桌面计算机、移动计算机、服务器、其他智能终端设备
  • 网络核心
    1. 由互联端系统的分组交换设备和通信链路构成的网状网络，目标是将海量的端系统互联起来
      • 分组交换：路由器、链路层交换机
        1. 主机将数据分成分组，发送到网络
        2. 网络将数据分组从一个路由器转发到下一个路由器，通过从源到目标的路径上的链路，逐跳传输抵达目的地
      • 通信链路：光纤、铜缆、无线电、激光链路
    2. 网络核心的两大功能：
      1. 路由：全局操作：确定数据分组从源到目标所使用的路径。需要路由协议和路由算法，产生路由表。
      2. 转发：本地操作：路由器或交换机将接收到的数据分组转发出去（即移动到该设备的某个输出接口）
        确定转发出去的接口/链路：根据从“入接口”收到分组头中的目的地址，查找本地路由表，确定“出接口”

路由器转发模型

  1. 电路交换(circuit switching):有保障，灵活性不强，资源利用率低

    • 电路交换通常采用面向连接方式,先呼叫建立连接，实现端到端的资源预留
    • 预留的资源包括：链路带宽资源、交换机的交换能力
    • 电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，资源专用，即使空闲也不与其他连接共享
    • 由于建立连接并预留资源，因此传输性能好；但如果传输中发生设备故障，则传输被中断

  2. 报文交换

    • 存储&转发：路由器需要接收到完整的整个数据报文后，才能开始向下一跳发送
    • 存储转发带来报文的传输延迟：将L位数据报文，以R bps的速率，发送到链路中： 需要L/R秒

  3. 分组交换(packet switching):时延小，灵活性高

    • 将大报文拆分成多个小分组
    • 通信双方以分组为单位、使用存储-转发机制，实现数据交互的通信方式
    • 以分组作为数据传输单元
    • 每个分组的首部都含有地址（目的地址和源地址）等控制信息
    • 每个分组在互联网中独立地选择传输路径
    • 支持灵活的统计多路复用

    资源利用率很高，在每一跳决定下一跳去哪里，每一个包都是独立的，路径由自己决定（每次都选尽可能快的），但会导致一个问题，包之间到达的顺序可能与发送端不同，接收端需要做额外的处理。

1.3 协议与分层结构

协议设计目的

要考虑的要素：可靠性、资源分配、拥塞问题、自适应性、安全问题

  • 网络协议

    1. 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定，即网络协(network protocol)
    2. 通信双方需要共同遵守，互相理解

  • 三要素

    1. 语法：规定传输数据的格式（如何讲）
    2. 语义：规定所要完成的功能（讲什么）
    3. 时序：规定各种操作的顺序（双方讲话的顺序）

协议分层结构

  1. 层次栈 (a stack of layers)
    为降低网络设计的复杂性，网络使用层次结构的协议栈，每一层都使用其下一层所提供的服务，并为上层提供自己的服务。
  2. 对等实体 (peers)
    不同机器上构成相应层次的实体成为对等实体
  3. 接口 (interface) 在每一对相邻层次之间的是接口；接口定义了下层向上层提供哪些服务原语。

  4. 网络体系结构 (network architecture) 层和协议的集合为网络体系结构，一个特定的系统所使用的一组协议，即每层的协议，称为协议栈。

  5. 发送端：层层封装；接收端：层层解封装
    不同层对应协议数据单元（PDU Protocol Data Unit）

服务原语

  • 面向连接：按照电话系统模型建立的（一个常见的例子）
    面向连接的服务每个“请求”或“响应”后，都在对方产生一个“指示”或“确认”动作。
    • 六个核心服务原语
  • 无连接：按照邮政系统模型建立的（一个常见的例子）
    邮件携带了完整的目标地址，传输过程不需要应答。

服务与协议的关系

协议是“水平”的，服务是“垂直”的 实体使用协议来实现其定义的服务
上层实体通过接口使用下层实体的服务

思考题
  • A protocol is an agreement between the __ on how communication is to proceed.
    A. network layers on the same machine
    B. network nodes
    C. adjacent entities
    D. peers on different nodes
    选D，因为协议是水平的

1.4 参考模型

OSI参考模型

OSI 7层模型

  1. 物理层(Physical Layer):定义如何在信道上传输0、1：Bits on the wire
  2. 数据链路层(Data Link Layer):实现相邻（Neighboring）网络实体间的数据传输。成帧（Framing）：从物理层的比特流中提取出完整的帧。
    • 物理地址（MAC address）：48位，理论上唯一网络标识，烧录在网卡，不便更改。
    • 流量控制，避免“淹没”（overwhelming）:当快速的发送端遇上慢速的接收端，接收端缓存溢出。
    • 共享信道上的访问控制（MAC）：同一个信道，同时传输信号。例如：同一间教室内，多人同时发言，需要纪律来控制
  3. 网络层(Network Layer):将数据包跨越网络从源设备发送到目的设备（host to host）。
    • 路由（Routing）：在网络中选取从源端到目的端转发路径，常常会根据网络可达性动态选取最佳路径，也可以使用静态路由。
    • 服务质量（QoS）控制：处理网络拥塞、负载均衡、准入控制、保障延迟。
    思考题

    为何在唯一的MAC地址之外，还需要唯一的IP地址？
    MAC是为了标识设备（网卡），只考虑了唯一性，IP地址考虑的是全球范围内的寻址。路由器不可能存下所有MAC的地址，而且网卡时常会存在交易，不可能每次交易都更新路由器。简单来说，MAC地址更像是身份证，而不是一个用于寻址的地址。

  4. 传输层(Transport Layer):将数据从源端口发送到目的端口(进程到进程)
    • 网络层的控制主要面向运营商，传输层为终端用户提供端到端的数据传输控制
    • 可靠传输：可靠的端到端数据传输，适合于对通信质量有要求的应用场景，如文件传输等。
    • 不可靠传输：更快捷、更轻量的端到端数据传输，适合于对通信质量要求不高，对通信响应速度要求高的应用场景，如语音对话、视频会议等。
  5. 会话层(Session Layer)
  6. 表示层(Presentation Layer)
  7. 应用层(Application Layer)

TCP/IP参考模型

先有TCP/IP协议栈，然后有TCP/IP参考模型。参考模型只是用来描述协议栈的。

TCP/IP参考模型：ARPANET所采用

以其中最主要的两个协议TCP/IP命名,Vint Cerf和Bob Kahn于1974年提出。

  • 链路层(Link Layer)
    描述了为满足无连接的互联网络层需求，链路必须具备的功能。
  • 互联网层(Internet Layer)
    允许主机将数据包注入网络，让这些数据包独立的传输至目的地，并定义了数据包格式和协议（IPv4协议和IPv6协议）
  • 传输层(Transport Layer)
    允许源主机与目标主机上的对等实体，进行端到端的数据传输：TCP，UDP
  • 应用层(Application Layer)
    传输层之上的所有高层协议：DNS、HTTP、FTP、SMTP...


摒弃电话系统中“笨终端&聪明网络”的设计思路。
端对端原则：采用聪明终端&简单网络，由端系统负责丢失恢复等，简单的网络大大提升了可扩展性。实现了建立在简单的、不可靠部件上的可靠系统。

OSI模型TCCP/IP模型对比

  • 基本设计思想：通用性与实用性

    1. OSI：先有模型后设计协议，不局限于特定协议，明确了服务、协议、接口等概念，更具通用性。
    2. TCP/IP模型：仅仅是对已有协议的描述。

  • 无连接与面向连接

    1. OSI模型网络层能够支持无连接和面向连接通信
    2. TCP/IP模型的网络层仅支持无连接通信（IP）

1.5 计算机网络度量单位

  • 比特率(bit rate)：主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据率。
    比特率的单位是b/s(比特每秒)，也可以写为bps，(bit per second)，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s等
  • 带宽
    网络中某通道传送数据的能力，即单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。
    单位是 bit/s，即 “比特每秒”

  • 包转发率(PPS)
    全称是Packet Per Second(包/秒)，表示交换机或路由器等网络设备以包为单位的转发速率
    线速转发（一种状态）：交换机端口在满负载的情况下，对帧进行转发时能够达到该端口线路的最高速度

    思考题
    • 在交换机上：大包和小包，哪个更容易实现线速？
      小包容易实现，因为单位是包/秒。
    • 但为什么实际中存在很多大包呢？
      小包的劣势：包越小，Header占比越高，有效信息占比低。
    • 时延(Delay)
      时延 (delay 或 latency) 是指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，也称为延迟
    • 传输时延(transmission delay)：数据从结点进入到传输媒体所需要的时间，传输时延又称为发送时延
    • 传播时延(propagation delay)：电磁波在信道中需要传播一定距离而花费的时间
    • 处理时延(processing delay)：主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间
    • 排队时延(queueing delay)：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延

  • 往返时延RTT(Round-Trip Time)
    从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，经历的总时间
    可用于判断网络的通断性、测试网络时延、计算数据包丢失率等

  • 时延带宽积
    时延带宽积 = 传播时延 × 带宽，即按比特计数的链路长度
    若发送端连续发送数据，则在发送的第一个bit即将达到终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个bit ，而这些bit都在链路上向前移动

  • 吞吐量 (throughput)
    单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量，单位是 b/s

  • 有效吞吐量(goodput)
    单位时间内，目的地正确接收到的有用信息的数目（以 bit 为单位）
  • 利用率
    信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的
    网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值
  • 丢包率
    所丢失数据包的数量占所发送数据包的比率
  • 时延抖动
    变化的时延称为抖动（Jitter）,类似于方差，衡量稳定性
  • 延迟丢包
    在多媒体应用中，由于数据包延迟到达，在接收端需要丢弃失去使用价值的包

1.6 网络安全与威胁

  1. 恶意软件：
    1. 病毒
    2. 蠕虫
  2. 拒绝服务攻击
  3. 僵尸网络
  4. 数据包嗅探
  5. IP欺骗

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