计算机网络自顶向下（一）——概述

核心知识点概览

top down 自顶向下，从应用层到物理层。
每个层次的功能（能力），和提供的主要服务（能力的一个体现）。功能的范围更广。
每一层的功能都通过向上层提供的接口向上层提供服务。本层功能的实现要通过层间的接口调用下层的服务。（下为上服务，上调下实现）
实例（应用层）
（1）支持web应用的HTTP协议
（2）支持ftp应用的FTP协议
（3）传送和接收电子邮件用的SMTP协议和POP3协议
传输层提供的两种服务：TCP, UDP。
TCP：传输控制协议（传输层）。很多应用（应用层）都跑在TCP协议之上，包括FTP协议、telnet、web的应用（浏览器）。
HTTP在传输层TCP的协议之上。
浏览器：三次握手原理
可靠性（reliable）：不出错、不失序、不重复、不丢失（可靠越高，代价越大，比如延迟）
一般的实时多媒体（游戏串流、直播）：UDP（对丢失要求不高，但对实时性要求高）
事务性应用（聊天）：UDP（一次往返）
FTP：客户端和服务器之间的交互（e.g.上传下载）
不同应用之间的交互，不同厂商生产的路由器之间的交互（华为&思科），不同厂商生产的网卡之间的交互（华为&清华）
传输层为远程的应用进程提供服务，传输层是在网络层提供的端到端的服务基础之上实现的，然后区分为进程到进程（细分且加强）
网络层提供源主机到目标主机（端到端,end to end,E2E）之间的数据交互（ip数据报）。网络层的服务在链路层P2P的服务基础之上实现。
网络层有两种工作方式：传统的方式、现代的SDN方式。
（1）传统方式：路由协议，IP协议。
路由协议：运行在路由协议上的软件称为路由实体，和其它路由器的的路由软件交换路由报文（e.g.到哪个子网），按照某种路由选择算法算出路由表，路由表包括IP子网该怎么走，路由表给IP协议使用。
网络层得到基本功能：路由（由路由协议交换路由信息，由路由算法得出路由表），转发（IP协议：根据ip目标查路由表，查到表项后，从合适的的端口转发出去，查不到则按照默认路径转走）。
缺点：路由器一旦设立好后不变，无法升级更新。
（2）SDN方式：数据平面（交换机），控制平面（网络操作系统）
网络应用根据不同的运算，得到不同的流表，下发给交换机，交换机（上载分组匹配）根据匹配完的流表可做的工作是多样化的（block阻止，换字段，泛洪，转发…）。
优点：更一般化，IP路由器相当于SDN的一个特例，网络运营商可以编程。
数据链路层（网卡）提供点到点（point to point,P2P）的服务，在物理层提供的基础之上提供帧到帧的数据。
选学：网络安全，无线和移动网络，多媒体网络，网络管理。
【自顶向下】：应用层传输层网络层：数据平面网络层：控制平面数据链路层&局域网

概论

提纲

目标：
（1）了解基本术语和概念
（2）掌握基本原理
（3）方法：以Internet为例
提纲：
（1）什么是Internet
（2）什么是协议
（3）网络边缘
（4）接入网、物理媒体
（5）网络核心：分组交换、线路交换
（6）Internet/ISP结构
（7）性能：丢包、延时、吞吐量
（8）协议层次、服务模型
（9）历史

什么是Internet

网络：节点和边
计算机网络：联网的计算机所构成的系统。节点：主机节点（■）&数据交换节点（●，中转节点，不是源，也不是目标，负责转发数据，e.g.路由器、交换机、中继器），路由器工作在网络层，交换机工作在链路层，中继器工作在物理层。边：接入网链路（access,主机连接到互联网）&主干链路（backbone,路由器之间）。协议：（按层次不同…，遵守同样的协议才能互通）
互联网：由以TCP协议和IP协议为主的一簇协议支撑的网络，网络之间任意连接。
从构成角度，互联网包括节点和边。
从服务角度，互联网是分布式的应用进程（分布式的应用是网络存在的理由），以及为分布式应用进程提供服务的基础设施，提供服务的形式是API（TCP提供有连接的可靠服务，UDP提供无连接的不可靠服务）。
物联网：为生产生活提供便利的联网产品。
互联网的协议：RFC,IETF。
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，以及在报文传输或接收或其它事件方面所采取的动作。

网络边缘

网络边缘：主机&应用程序（客户端和服务器）
网络核心：互联着的路由器&网络的网络。作用：数据交换。
网络核心的作用：宏观上，全球范围内的，几十亿个节点之间的，数据交换；微观上，大量单个的路由器及其链路相互构成的分布式系统，由它们的相互配合，来完成从源主机到目标主机之间的发送与接收。
接入网、物理媒体：有线或者无线通信链路
通过网络核心实现主机与主机之间的联通

边缘接入核心

基础设置为分布式应用提供通信服务。
应用进程通信的模式：
（1）CS模式（客户/服务器模式）：客户端向服务器请求、接收服务。e.g.Web浏览器,email客户端/服务器。
（2）对等模式（peer-peer）：每个节点即使客户端又是服务器，解决了CS模式不可扩展的缺点

网络边缘定义：采用网络设施的面向连接服务。
网络边缘目标：在端系统之间传输数据。
握手：在数据传输之前做好准备。（面向连接的通信方式；通信状态只在端系统维护，网络不知道）
TCP：互联网上面向连接服务。
TCP服务特性：可靠性，保序，流量控制，拥塞控制
使用在UDP之上的两个进程：无连接服务，不可靠，没有流量控制，没有拥塞控制，实时性。

网络核心

网络核心：路由器的网状网络。
数据怎样通过网络进行传输：（1）电路交换；（2）分组交换。

电路交换（线路交换）

call: 端到端的资源被分配给从源端到目标端的呼叫。
为呼叫预留端-端资源。要求建立呼叫连接。
一次呼叫采用了某条链路的某条线路（piece）；
优点：独享资源，不共享，没人抢，性能有保障；
缺点：如果呼叫没有数据发送，被分配的资源就会被浪费；
通常被传统网络电话采用。
网络资源（如带宽）被分成片
将带宽分成片：频分（FDM: frequency-division multiplexing），时分（TDM: time-division multiplexing），波分（WDM: wave-division multiplexing 光纤通信），码分（CDM）。
为呼叫分配片。

Q：两个节点（主机A和主机B）之间通信的带宽是1.536Mbps，采用时分多路复用，分为24个时隙（时槽，slot），每个用户使用其中第n个时隙。
两个主机在通信前建立线路需要500ms（毫秒），文件大小640k
A：每个用户能获得的带宽（一片的通信能力）=1.536Mbps/24=64Kbps（采用TDM的方式，只能获得这个通信链路的1/24）
①建立连接所需的时间=500ms=0.5s
②文件传输所需的时间=640Kbits/64Kbps=10s
共用时间=0.5s+10s=10.5s
③传播延迟：局域网下，可忽略不计；广域网下，要考虑传播时间
1bit在空间上传输所需的时间=1/64Kbps*30万公里/秒（真空）

电路交换不适合计算机之间的通信：
（1）连接建立时间长；
（2）计算机间通信有突发性，使用电路交换浪费的片较多；
（3）可靠性不高。

分组交换

以分组为单位存储：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。
优点：资源共享，按需存储。

以存储-转发的方式工作

在一个速率为R bps的链路
一个长度为L bit的分组的存储转发延时=L/R s
若L=7.5Mbits，R=1.5Mbps
三次存储-转发延时=7.5Mbits/1.5Mbps*3=15s

缺点：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；如果路由器缓存用完，分组将会被丢弃。

网络核心的关键功能：路由（全局，决定分组采用的源到目标路径） & 转发（局部，查路由表，将分组从路由器的输入链路转移到输出链路）

分组交换：统计多路复用（没有固定的分组模式）

分组交换适合突发式数据传输：资源共享；简单，不必建立呼叫。
分组交换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。

分组交换按有无网络层的连接分类：数据报网络（主机之间没建立连接，不维护状态，路由器根据分组的目标地址进行路由），虚电路网络（有连接，虚拟电路建立逻辑连接，每个交换节点都有标识）

分组交换 VS 电路交换

1
2
3

Q：n人共享带宽为1Mbps的链路，每个用户活跃时为100Kb/s，有P=10%的时候是活跃的，问采用电路交换或分组交换分别支持的用户人数。（Kb/s即Kbps，Kb每秒）
A：①采用电路交换最多支持的用户人数=1Mbps/(100Kbps)=10人
②采用分组交换：假设共有N=35个用户，那么支持10个用户活跃的可能性为

$1-\sum_{n=0}^{10} \binom{35}{n} P^n (1-P)^{35-n}$ =0.0004=0.04%（概率论二项分布）

1
2
3

用1减后，就是10个以上用户同时活跃的概率；
总共35个用户时，有0.04%的情况下是不够用的，10人以上就超过1Mbps了，有99.96%的概率没问题。
所以，采用分组交换共享性更好。

接入网和物理媒体

怎样接入核心
怎样将端系统和边缘路由器连接：住宅接入网，单位接入网（学校，公司），无线接入网
接入网的重要概念：带宽（bps, bits per second）

住宅接入：modem（调制解调器）
调制解调器用于将电话信号或光信号转为网络信号。
调制解调器分为连接电话线的和连接光缆的，即猫和光猫。
接入网：线缆网络
混合光纤同轴电缆（HFC，hybrid fiber coax）：非对称
线缆和光纤网络将各家庭用户接入到ISP路由器。
企业接入网络：Eternet（以太网）
有线：出口不止一个
以太网一般是指有线连接
无线接入网
各无线端系统共享无线接入网络。
无线LANs（局域接入，WiFi，接入带宽越来越快）&广域无线接入（4G or 5G）。
物理媒体
Bit（比特）：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：信号自由传播（无线电）。
双绞线（TP）：两根绝缘铜线。
同轴电缆：两根同心的铜导线，双向，基带电缆（电缆上一个单信道，Ethernet），宽带电缆（电缆上有多个信道，HFC）。
光缆：光脉冲，每个脉冲表示一个bit，在玻璃纤维中传输；高速，低误码率，安全。
物理媒介：无线链路
双向
传播环境效应：反射，吸收，干扰
无线链路类型：地面微波，LAN，wide-area(蜂窝)，卫星（延迟不可忽略）

1.5 Internet结构和ISP

ISP：Internet Service Providers
关联比较密集的网络称为ISP。
端系统通过接入ISPs接入互联网。
接入ISP的端系统彼此互联。ISP之间通过互联网接入点IXP完成交换。
任何两个端系统可以相互发送分组到对方。
ISP提供接入，提供网（学校，企业，无法为全球提供）；ICP提供业务和内容。
ISP之间的连接：高层ISP&低层ISP，2个ISP对等接入（不收费），IXP&ISP（不收费），ICP&ISP

Internet结构：松散的层次模型
（1）中心：第一层ISP（点很少，国家/国际覆盖，速率极高，直接与其它第一层ISP相连，与大量的第二层ISP和其他客户网络相连，global）
（2）第二层ISP：更小些的ISP，区域性的（regional）
（3）第三层ISP与其它本地ISP：接入网与端系统最近（local）

分组延时、丢失和吞吐量

分组延时和丢失的原因：
在路由器缓冲区的分组队列，
（1）分组到达链路的速率超过了链路输出的能力（分组到达时，没有可用的缓冲区）；
（2）分组等待排到队头、被传输
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：在输出链上等待传输的时间；依赖于路由器的拥塞程度（随机）；取决于流量强度（越趋近于1，延时越大，且是无限大）；
（3）传输延时：打出bit的时间，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：物理延时=d（物理链路的长度）/s（在媒体上的传播速度≈2*10^8m/s）
$d_{nodal}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}$
分组丢失的原因：
（1）链路的队列缓冲区容量有限
（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
吞吐量：在源端和目标端之间传输的速率（数据量/单位时间）。
（1）瞬间吞吐量：在一个时间点的速率
（2）平均吞吐量：在一个长时间内的平均值
瓶颈链路：端到端路径上，限制端到端吞吐量。
最细的部分决定吞吐多少数据。端到端平均吞吐=min{R1,R2…Rn}（R1-Rn为端到端之间的多条链路）
e.g.第一跳的链路共8个人用，我获得1/8的带宽（一跳的意思是一个路由）。每条链路都有确定的最小带宽为瓶颈带宽，它限制了节点A到节点B之间的吞吐量。

协议层次和服务模型

互联网是一个非常复杂的系统。采用分层的方式实现计算机网络的功能。
两个应用进程交换应用报文实现各种网络应用（电子交易，远程登录，数据库查询，域名解析，文件上传下载等）

服务
服务：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，服务提供者）
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。
服务访问点（SAP：Service Access Point)：下层的服务提供者来区分不同上层用户穿过层间的信息，因为服务提供者可能同时向多个上层用户提供服务。
服务的类型
（1）无连接的服务（Connectionless Service）：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；
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。
（2）面向连接的服务（Connection-oriented Service）：建立连接，通信，拆除连接。
适用范围：大数据块的传输，不适合小的零星报文
特点：保序（不绝对）
服务类型：可靠的信息流（传送页面）；可靠的字节流（远程登录）；不可靠的连接（数字化声音）。
两个应用进程采用UDP的方式交互，UDP向进程提供的是无连接的服务。
服务与协议的区别 ★★★
（1）服务（Service）：通过相邻层间的接口在系统的内部（Interface上的SAP上，使用SAP是为了一个服务同时向多个用户提供服务），通过原语的形式向上层提供服务。低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力，是通过原语来操作的，垂直。
（2）协议（Protocal）：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：协议的实现借助于下层提供的服务，协议的目的是为了向上层提供服务。
（实现本层写一需要借助下层提供的服务，实现本层协议的目的是为了向上层提供更好的服务）
协议是水平的，服务是垂直的。（水平协议，垂直服务）
服务的形式：原语
数据单元（DU）★★★
SDU + ICI = PDU 服务数据单元 + 接口控制信息 = 协议数据单元
进入每个子层未被处理的数据称为服务数据单元(SDU：service data unit)，经过子层处理后形成特定格式的数据被称为协议数据单元(PDU)
上层来了SDU，通过层间接口后，形成了这个SDU在第n层的头部（n-header），加起来形成了第n层的PDU（n-PDU），n-PDU再往下一层又成了下一层的SDU。（只是理论上的完美情况）
如果SDU是一个大数据块，SDU到达第n层厚会分成多个块，每一块分别加上n-header，形成多个n-PDU。
每一层的PUD都有head和body。body部分一定来自上层的SDU。
头部信息，有一部分是ICI附加上去的，有一部分是来自本层。
PDU是最常见的数据单元。
每一层的数据单元都有特定的称呼：
（1）应用层->应用报文（message）
（2）传输层->报文段（segment，简称：段；TCP:段，UDP:数据报）
（3）网络层->分组（packet，有连接）；数据报（datagram，无连接）
（4）链路层->帧（frame）
（5）物理层->位（bit）等等
分层处理和实现复杂系统的好处：
（1）概念化：结构清晰，便于标示网络组件，以及描述其相互关系。
（2）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其它部分。
分层处理的缺点：效率低
Internet协议栈（每个层次分别有什么协议）
应用层：网络应用，FTP，SMTP，HTTP，DNS（应用层的协议是最多的）
传输层：主机之间的数据传输，TCP，UDP，进程到进程，把网络层提供的可能不可靠的通信服务变为可靠的通信服务
网络层：为数据报从源到目的选择路由，IP，路由协议（RIP OSPF BGP），E2E端到端（End to End）
链路层：相邻网络节点间的数据（以帧为单位）传输，点对点协议PPP，802.11（wifi），Ethernet
物理层：在线路上传送bit
ISO/OSI模型（与TCP/IP模型不同）
七层模型：应用层->表示层->会话层->传输层…
表示层：解释传输的数据（e.g.加密，压缩）
会话层：数据交换的同步，检查点，恢复
这两层的功能在TCP/IP模型中是应用层做的。