计算机网络(自顶向下)学习笔记——概述

时间:2022-12-12 11:01:02

1.1、什么是Internet?

从具体构成角度:
  • 节点
  • 主机上运行的应用程序
  • 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
  • 主机 = 端系统
  • 运行的网络应用程序
  • 通信链路
  • 光纤、同轴电缆、无线电、卫星
  • 传输速率 = 贷宽
  • 分组交换设备:转发分组
  • 路由器和交换机
  • 协议控制发送、接收消息
  • 如TCP、IP、HTTP、FTP、PPP
  • Internet:“网络的网络”
  • 松散的层次结构、互连的ISP
  • 公共Internet 专用internet
  • Internet标准
  • RFC:Request for comments(请求评述)
  • IEIF:Internet Engineering Task Force
什么是协议?
  • 协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文格式次序,以及在报文传输或接收或者其他方面所采取的动作
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
  • 通信基础设施为apps提供编程接口(通信服务)
  • 将发送和接受数据的apps与互联网连接起来

1.2、网络边缘

网络结构:
  • 网络边缘
  • 主机
  • 应用程序
  • 网络核心
  • 互连着的路由器
  • 网络的网络
  • 接入网、物理媒体
  • 有线或者无线通信链路
网络边缘:
  • 端系统
  • 运行的程序
  • 如We、Email
  • 在“网络的边缘”
  • 客户/服务器模式
  • 客户端像服务器请求、接受服务
  • 如Web浏览器/服务器:email客户端/服务器
  • 对等(peer—to—peer) 模式
  • 很少(甚至没有)专门的服务器
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
  • 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)
  • Internet上面向连接的服务
  • TCP服务
  • 可靠的、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)
  • 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)Telent(远程登录)、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
  • 分组交换
  • 将要传送的数据分成一个个单位
  • 将分组从一个路由器传到相邻的路由器,一段段最终从资源端传到目标端
  • 每段采用链路的最大传输能力(带宽)
电路交换:

电路交换是:建立连接(占用通信资源)—> 通话(一直占用通信资源)—> 释放连接(归还通信资源)

端到端的资源分配给从源端到目标端的呼叫:

  • 独享资源:不共享: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

网络资源(如带宽)被分成片

  • 为呼叫分片
  • 将带宽分片
  • 频分(Frequencydivision multiplexing)
  • 时分(Time-division multiplexing)
  • 波分(Wave-division multiplexing)

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分组交换

分组交换:**采用存储转发技术。**以分组为单位存储—转发,资源共享,按需使用。

  • 网络带宽资源不再分一个个片,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
  • 存储—转发:分组每次移动一跳

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:

  1. 数据报网络:
  • 分组的目标地址决定下一跳
  • 在不同的阶段,路由可以改变
  1. 虚电路网络:
  • 每个分组都带标签(虚电路标识 VC ID),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持不变
  • 路由器维持每个呼叫的状态信息

存储—转化:

  • 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

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,分组将会被抛弃

网络核心的关键功能:路由和转发

  • 路由:决定分组采用的源到目标的路径
  • 转发:将分组从路由器的输入链路转移到输出链路

1.4、分组延时、丢失和吞吐量

四种分组延时
  • 处理延时
  • 检查bit差错
  • 检查分组首部和决定将分组导向处
  • 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成程度
  • 传输延时
  • R = 链路带宽(bps)
  • L = 分组长度(bits)
  • 将分组转发到链路上的时间 R / L
  • 传播延时
  • d = 物理链路长度
  • s = 在媒体上的传播速度(~2* 10 ^ 18)
  • 传播延时:d / s
节点延时

节点延时:

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dproc = 处理延时 :通常是微妙级别或更少

dqueue = 排队延时:取决于拥塞程度

dtans = 传输延时:=L / R

dprop = 传播延时:几微秒到几百毫秒

排队延时
  • R = 链路带宽(bps)
  • L = 分组长度(bits)
  • a = 分组到达队列的平均速率

流量强度 = La / R

  • La / R ~ 0:平均排队延时很小
  • La / R -> 1:延时变得很大
  • La / R > 1:比特到达队列的速率超过了该队列输出的速率,平均排队延时将趋向无穷大

分组丢失的原因:链路的队列缓冲容量有限、当分组到达一个满队列时,该分组会丢失、丢失的分组可能会被前一个节点或源端系统重传

吞吐量

==吞吐量:==在源端和目标端之间的传输速率(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

**端到端平均吞吐=**min{R1, R2, R3, … , Rn}

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1.5、协议层次和服务模型

协议的层次:

层次化方式实现复杂网络功能:

  • 将网络复杂的功能分层能明确层次,每层实现一个或一组功能,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
  • 在实现本层服务的时候,直接利用下层所提供的服务
  • 本层的服务:借助下层服务实现本层协议实体之间交互带来的新功能+下层所提供的服务
服务和服务访问点

服务(Service):底层实体向上层实体提供他们之间的通信能力

  • 服务用户(service user)
  • 服务提供者(service provide)

原语(primitive):上层使用下层服务形式,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(Service Access Point):上层使用下层提供的服务通过层间接口—地点。

  • 地址(address):下层的一个实体支撑着上层的多个实体,SAP由于标志不同上层实体的作用
  • 可以有不同的实现队列
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—orient—Service)
  • 连接: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
  • 例子:网络层的连接被成为虚电路
  • 适用范围: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:
    :point_right:可靠的信息流 传送页面
    :point_right:可靠的字节流 远程登录
    :point_right: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
  • 例子:IP分组、数据包
  • 适用范围:适合传送零星数据
  • 服务类型:
    :point_right:不可靠的数据报 电子方式的函件
    :point_right:有确认的数据报 挂号信
    :point_right:请求回答 信息查询
服务和协议
  • 服务和协议的区别
  • 服务(service):低层实体向上层实体提供他们之间的通信能力,是通过原语(primitive)来操作的,垂直的
  • 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,水平的
  • 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
Internet协议栈

五层协议体系:

  • 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之上,细分为进程到进程,将不可靠的通信转变为可靠的通信
  • TCP 、UDP
  • 网络层:为数据报从源到目的的选择路由
  • 主机之间的通信,端到端通信,不可靠
  • IP、路由协议
  • 链路层:相邻网络节点之间的数据传输
  • 2个相邻2点的通信,点到点通信,可靠或不可靠
  • 点对点协议PPP,802.11(WiFi),Ethernet
  • 物理层:在线路上传送bit

ISO/OSI的七层协议体系:

  • 应用层:同上
  • 表示层:允许应用解释传输的数据,加密、压缩等
  • 会话层:数据交换的同步,检查点,恢复
  • 网络层:同上
  • 链路层:同上
  • 物理层:同上

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数据的封装和解封装:

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各层次的协议数据单元