计算机网络：快速了解网络框架

文章目录

前言
一、什么是Internet？
- 1.从具体构成角度
- - 什么是协议？
- 2.从服务角度
- 3小结
二、网络边缘
- 1.采用网络设施面向连接服务（TCP）
- 2.采用基础设施的无连接服务（UDP）
三、网络的核心
- 1.电路交换
- 2.分组交换
- 3.分组交换 VS 电路交换
- 4.分组交换的两种方式
- 5.总结
四、接入网和物理媒体媒介
- 1.住宅接入
- 2.接入网
- 3.物理媒体
五、Internet结构和ISP
- 互联网网络结构：网络的网络
六、分组丢失、延时和吞吐量
- 1.四种分组延时
- 2.分组丢失
- 3.吞吐量
七、协议层次和服务模型
- 1.服务和服务访问点
- 2.服务类型
- 3.服务和协议
- 4.分层处理和实现复杂系统的好处?
- 5.Internet协议栈
- 6.ISO/OSI参考模型
- 7.封装和解封装
- 8.各层次的协议数据单元
总结

前言

概述计算机网络。

一、什么是Internet？

1.从具体构成角度

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
边：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
协议
数以亿计的、互联的计算设备（端系统：end system 或者 host）：
- 主机 = 端系统
- 运行网络应用程序
通信链路：
- 光纤、同轴电缆、无线电、卫星
- 传输速率 = 带宽（bps）
分组交换设备：转发分组（packets）
- 路由器和交换机
协议控制发送、接收信息
- 如TCP、IP、HTTP、FTP、PPP
Internet：“网络的网络”
- 松散的层次结构，互联的ISP
- 公共Internet vs，专用internet
Internet标准
- RFC：Request for comments
- IETF：Internet Engineering Task Force

什么是协议？

人类协议

你好、几点了、我有个问题
发送特定的信息
收到消息时采取的特定行为或其他事件

网络协议

类似人类协议
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到协议制约

协议定义了在一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/或接收时间方面所采用的动作。

在这里插入图片描述

2.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
- 网络、VoIP、电子邮件、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:
  - 无连接不可靠服务服务
  - 面向连接的可靠服务

3小结

把端系统和交换节点连接在一起叫接入网，交换节点和交互节点叫网络核心。
端系统=主机，主要包括能进行网络通信的网络应用和操作系统。
计算机网络包括应用进程和其下的协议基础设施。
以tcp/ip协议为主的协议簇为基础的网络叫计算机网络。
协议:对等实体进行数据交换所需遵守的一系列规则。
协议包括:语法，语义，次序，动作。

二、网络边缘

网络结构（边缘通过接入连接核心，核心再将边缘联系一起，网络核心其实就是负责数据传输）
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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（C/S）
- 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（P2P）
- 很少（甚至没有）专门的服务器
- 如Gnutella、KaZaA、Emule
- 每个主机可能是主机也可能是服务器

1.采用网络设施面向连接服务（TCP）

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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
- 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）
- Internet上面向连接的服
  务

TCP服务[RCF 793]

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.采用基础设施的无连接服务（UDP）

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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 DatagramProtocol)[RFC 768]:
- 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

三、网络的核心

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网络核心：路由器的网状网络
基本问题：数据怎样通过网络进行传输?
- 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（以分组为单位，存储转发）：
  - 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)

1.电路交换

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在电路交换过程中，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）
将带宽分成片的方式：
- 频分(Frequency-divisionmultiplexing)
- 时分(Time-divisionmultiplexing)
- 波分(Wave-divisionmultiplexing)

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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
可靠性不高?

2.分组交换

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，因为每个节点都要收到整个分组才会往下hop，所以每个节点都要等待整个分组完整传输。
- 排队时间
- 使用每个节点之间的线路，其他节点线路仍然可以被其他人使用
- 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
- 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

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

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

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（查路由表）

路由算法

转发：将分组从路由器的输入链路转移到输出链路

统计多路复用
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3.分组交换 VS 电路交换

分组交换允许更多用户使用网络

1 Mbps 链路
每个用户:
- 活动时100 kbps
- 10%的时间是活动的
电路交换:
- 10用户（1 Mbps / 100 Kbps）
分组交换:
- 假设有35用户
- 大于等于10个用户活动的概率为0.0004 = 0.04%（99.6%的可能hold住，0.04%的可能hold不住，流量强度为1，网络会挂掉，瞬间进来的速度比出去的速度来的快，但是有队列，可以慢慢排队，挺过这0.04%，后面就顺风顺水，进来的少，出去的多，把这0.4%传出去，也算hold住）

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分组交换是“突发数据的胜利者”

适合于对突发式数据传输5634
- 资源共享
- 简单，不必建立时间
过度使用会造成网络拥塞：分组延时和丢失
- 对可靠的数据传输需要协议来约束：拥塞控制

4.分组交换的两种方式

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（无连接）：
  - 分组的目标地址决定下一跳
  - 在不同的阶段，路由器可以改变
  - 类似：问路
  - Internet
- 虚电路网络（有连接）：
  - 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，在整个呼叫中路径始终保持不变
  - 路由器维持每个呼叫的状态信息
  - X.25和ATM

数据报的工作原理

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）
路由器根据分组的目标地址进行路由

虚电路工作原理
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5.总结

网络分类

通信网络
- 电路交换网络
  - FDM
  - TDM
- 分组交换网络
  - 虚电路网络
  - 数据报网络

电路交换，独享线路，性能保障，信息共享程度能力较低，连接建立时间非常长但网络连接的建立有很大的突发性，所以不好。将带宽分片以共享信息通路:频分(fdm)，时分(tdm)，波分(wdm)，码分(cdma)

分组交换，将信息进行分组，待分组(当个分组不是整个报文）全部传输完时再进行转发，延时较高，可能丢包，但利于信道共享，有存储时延和排队时延。

数据报（无连接） ∶每个分组携带完整的地址，进行分组转发。
虚电路(有连接) ∶建立一个虚拟的电路，每个分组携带一个电路号进行存储转发。有连接，无连接和面向连接（网络层的连接)没有关系。

服务分为面向连接的服务(tcp)和无连接的服务(udp)。
追求可靠性选择TCP，追求时效选择UDP如多媒体控制设备。

四、接入网和物理媒体媒介

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

注意：

接入网络的带宽(bits persecond) ?
共享/专用?

1.住宅接入

modem:(modem越来越少，现在是移动联通光纤到户)
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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

电缆模式
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2.接入网

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

线缆网络：

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有线电视信号线缆双向改造（原有电视线缆只能传下行）
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
- 非对称:最高3OMbps的下行传输速率, 2Mbps上行传输速率
线缆和光纤网络将每个家庭用户接入到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)

家庭网络

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企业接入网络
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无线接入网络
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LAN：局域网
WAN：广域网

3.物理媒体

Bit：在传输-接收对间传播
物理链路：在每个传输-接收对，跨越一种物理媒体
导引型媒体:
- 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:
- 开放的空间传输电磁波或者光信号，在电磁或者光信号中承载数字数据
- 信号自由传播:如无线电

双绞线(TP)
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两根绝缘铜导线拧合
- 5类:10OMbps Ethernet. Gbps 千兆位以太网
- 6类:10Gbps

同轴电缆
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两根同心的铜导线
双向
基带电缆:
- 电缆上一个单个信道
- Ethernet
宽带电缆:
- 电继缆上有多个信道
- HFC

光纤和光缆:
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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10Gps-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

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)
- llMbps，54 Mbps，540Mbpps…
wide-area (e.g.，蜂窝)
- 3G cellular :few 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

五、Internet结构和ISP

互联网网络结构：网络的网络

端系统通过接入ISPs (lnternet Service Providers)连接到互联网
- 住宅，公司和大学的ISPs
接入ISPs相应的必须是互联的
- 因此任何2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和国家的政策来驱动的
让我们采用渐进方法来描述当前互联网的结构

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一些大的公司（ICPs），如谷歌等，在全球部署自己的数据中心机房，自己铺专用电缆相连（或者有的地方是租电缆专用），一般这些机房都建在距离ISP比较近的地方，这样用户访问等到达ISP可以很快到达机房，如果这个机房没有，专用电缆向其他机房获取也很快。而铺设这些专用电缆是因为ISP费用贵，还有就是提供高质量服务。

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一个分组要经过许多网络
很多内容提供商(如:Google， Akamai )可能会部署自己的网络,连接自己的在各地的DC（数据中心），走自己的数据
连接若干local ISP和各级（包括一层）ISP，更加靠近用户
经济考虑:少付费
用户体验考虑:更快

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六、分组丢失、延时和吞吐量

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

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

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1.四种分组延时

1>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

2>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

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3>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

4>传播延时：

d =物理链路的长度
s =在媒体上的传播速度(~2x108 m/sec)
传播延时= d/s

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车队类比：

一个车队10个车，有两个收费站，现在车队在第一个服务站准备过站。

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传输延时：从第一个汽车离开第一个服务站到第十个汽车车尾离开的时间
传播时间：最后一个汽车从第一个服务器出去进入第二个服务器的时间
汽车：bit；车队：分组
在所有的汽车被第一个收费站服务之前，汽车会到达第二个收费站吗?
- 在整个分组被第一个路由器传输之前，第一个比特已经到达了第二个路由器!

节点延时：
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排队延时：
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Internet的延时和路由：
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2.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

3.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

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吞吐量：链路上每一段实际可用带宽中最小的一个带宽，这个最小的带宽经常是瓶颈。

七、协议层次和服务模型

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

问题是：如何组织和实现这个复杂的网络功能————分层
解决：层次化方式实现复杂网络功能

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

1.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)

2.服务类型

面向连接的服务和无连接的服务-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

3.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SAP再）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

4.分层处理和实现复杂系统的好处?

对付复杂的系统

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
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
分层思想被认为有害的地方?效率低等，但是利大于弊

5.Internet协议栈

应用层:网络应用
- 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
传输层:主机之间的数据传输
- 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
- 主机主机之间的通信，端到端通信，不可靠
- IP（转发分组）,路由协议
链路层:相邻网络节点间的数据（以帧为单位的数据）传输
- 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