Computer Network: Introduction
因特网
设备
- 主机 / 端系统：运行网络应用程序
- 通信链路：其传输速率即所谓“带宽”，单位bps
- 分组交换机：通过网络转发数据分组或数据块. 如路由器 & 链路层交换机
链路层交换机 -> 接入网
路由器 -> 网络核心
路径：从一个端到另外一个端，经过的通信链路和分组交换机
端系统通过通信链路和分组交换机相互连接. 通信链路有不同的物理媒介，比如我们会介绍的同轴电缆、光纤
分组：数据分段 + 首部字节
互联网服务提供商（ISP）. 端系统通过ISP接入因特网，每个ISP本身就是一个由多台分组交换机和多段通信链路组成的网络. ISP为端系统提供了网络接入，也为内容提供者提供接入互联网的服务. 较低层的ISP通过高层的ISP相互连接，较高层的ISP直接彼此连接. 每个ISP网络独立管理，运行IP协议
协议
端系统、分组交换机和其他互联网不见都要运行多个协议，这些协议控制因特网中信息的接受和发送.
Def
协议：协议定义了网络实体之间交换报文的格式和次序，定义了报文发送 / 接收以及其他事件所采取的动作
TCP(Transmission Control Protocol, 传输控制协议)
IP(Internet Protocol, 网际协议)
因特网标准：RFC(Request for comments):
服务
网络为分布式应用程序(涉及多个相互交换数据的端系统)提供服务：这样的、运行在一个端系统上的应用程序，应该怎么向互联网上的、运行在另外一个端系统上的应用程序传递数据呢？
套接字接口（socket interface）规定了运行在一个端系统上的程序请求英特网基础设施向运行在另外一个端系统上的目的地程序交付数据的方式.
- 面向连接的可靠服务
- 无连接的不可靠服务
网络边缘
- 端系统（主机）：例如电子邮箱服务器也属于网络边缘部分. 客户端和服务器的概念都是在端系统的定义下说的.
两种架构
客户 / 服务器结构（C / S）：
client 发出请求，server 接收服务. 使用于1) 计算能力、信息和数据集中在服务器端；2) 被发布的信息稳定、且存储
点对点模型（P2P）：
对等点低位相等
两种服务
面向连接的服务
握手（Handshaking）：
TCP服务 - 传输控制协议
可靠的、保序的、基于字节流的数据传送
=> 为了避免数据丢失进行确认和重传
=> 流量控制：要求发送方不能淹没接受方
=> 拥塞控制：当网络拥塞，降低发送速率
无连接的服务
UDP服务 - 用户数据报协议（无连接协议）
与 TCP 相反，数据传送不可靠，没有流量控制，没有拥塞控制
网络性能指标
带宽（Bandwidth）
数字信号在特定链路上的传输速率（bit / s）
常用符号：K 与 Ki，
时延
- 往返时间（RTT）
- 接地
带宽时延积（BDP）
=> 在一条信道上，最多可以承载的 bit 数量
？
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计算机网络
电信网
广播电视网
接入网与物理介质
接入网：将端系统连接到其边缘路由器的物理链路，所谓边缘路由器是端系统到其他远程端系统路径上的第一台路由器.
网络接入类型：住宅接入，公司接入，无线接入.
住宅接入
- 数字用户线（DSL）
所谓拨号上网：（模拟）电话线 + （拨号）调制解调器，通过普通模拟电话线使用调制解调器与住宅的ISP链接.
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此外有 ADSL 或“非对称的 DSL”. DSL标准为上行传输和下行传输速率是不同的. DSL接入范围比较小.
- 混合光纤同轴电缆（HFC）
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CMTS: 电缆调制解调器端接系统.
DSL => 专享；HFC => 共享
Question
在下行 HFC 信道中，是否有可能发生冲突？
![[Pasted image 20250219113316.png]]
并不会，因为下行过程中，给每个端发送的内容是相同的，只不过忽略不是自己的请求
- 光纤入户（FTTH）
Summary
对上述住宅接入的总结
![[Pasted image 20250219113509.png]]
公司接入
可以使用局域网（LAN）将端系统连接到边缘路由器，其中以太网是一个重要的技术.
无线局域网
广域无线网
我们可以介绍一下在上面这些接入网中使用到的物理媒介
物理介质
导引型媒体：信号沿固体介质传播
- 双绞铜线
- 同轴电缆
- 光纤
网络核心
网络核心：分组交换机和链路构成的网络结构.
数据如何通过网络传送？
=> 电路交换：为每次呼叫分配一条专用线
=> 分组交换：数据被拆散成离散的数据块，通过网络传送.
电路交换
为每一次的呼叫预留端到端的资源.
链路带宽：交换机容量
资源是专用的，不共享
需要建立呼叫才能传递数据
电路交换网络中的多路复用
可以将网络资源分割成若干片，以片为单位
时分(TDM): 时间划分为帧，帧被划分为时隙，建立一条端到端连接之后，网络为连接在每个帧中指定一个时隙.
频分(FDM): 频率域被划分为不同频段.
码分：编码空间正交
Example
主机A向B发送一个640Kb的文件，所有链路1.536Mbps，使用时隙数为12的 TDM 创建端到端电路要500ms一共需要多长时间才能发送完该文件？
计算结果如下：
分组交换
每个端到端报文被划分为分组，通过通信链路和分组交换机（路由器和链路层交换机）传递，分组在通过通信链路时以最大传输速率传输（每个用户使用完全的链路带宽），用户可以共享网络资源.
存储转发
分组交换存在着资源竞争的可能，一般使用存储转发的机制解决，在此机制下，交换机在向输出链路进行传输之前，必须接收到整个分组，每次都移动“一跳”.
Example
这里需要注意的是“存储转发”:路由器等待整个分组数据发送完毕，才会转发
Question
排队时延与分组丢失
在一段时间内，如果输入链路的到达率超过输出链路的传输率 => 排队
丢失：如果内存 / 缓存已满，分组发生丢失. 可靠的传输协议（e.g. TCP）对于分组丢失会进行重传；不可靠的传输协议（e.g. UDP）则不会
分组交换与电路交换的对比
- 分组交换会允许更多的用户使用网络：
Example
1Mbps链路；每个用户10%时间“活动”；占用带宽100Kbps.
电路交换： 最多支持10个用户
分组交换： 可以计算，给定总用户数的情况下有10个以上的用户同时使用链路的概率. 例如
- 突发式流量：
[!example]
10个用户，某用户突然产生1000个有1000bit的分组.
电路交换中，用户不能独占链路资源，在每帧只能在（比如说）十分之一的时间里传输数据，这在其他用户静默的情况下是浪费的；但是分组交换中，用户独占资源，效率更高.
分组交换的坏处：？
Note
电路交换也可以实现资源的划分！！比如TDM等等，只是划分出来的资源是独享的.
Note
分组如何通过分组交换网形成通路？
分组首部：目的地址；层次结构
每次到达一个路由器，检查地址的一部分
每台路由器：转发表 -> 查找得到输出链路
ISP和因特网主干
因特网：网络的网络
层次化ISP
存在点PoP => IXP 因特网交换点
顶层是内容提供商
Example
Google已经和第一层ISP相连，为什么要和较低层的ISP对等
底层ISP一定和顶层相连
分组交换网中的时延、丢包和吞吐量
时延
在一个节点有下面的时延：
- 处理时延
- 排队时延
- 传输时延
- 传播时延
传输时延与传播时延
量级：
节点将分组推送到链路的时延叫做传输时延.
从推送到链路上到抵达下一个节点的时延叫做传播时延.
Note
需要注意，有可能传播时延时很短的，但是需要整个分组都到了一个节点，我才能再进行转发??
排队时延
符号：
$$
\begin{align}
R &= \text{传输速率} \
L &= \text{分组长度} \
a &= \text{平均分组到达率}
\end{align}
$$
流量强度定义为
$$
\frac{La}{R}
$$
上课强度：上课数 / 最大可以承载的可数
流量强度和平均排队时延（队长）的关系如下：
流量强度低 => 资源浪费
阿喀琉斯之踵
为什么流量强度趋近于一的时候排队时延会趋近于正无穷？ 因为这是一个随机过程？？？ => 概率论 如果期望是1
确定性和随机过程？两倍
Kleinrock’s book
如果流量强度趋近于1怎么办？
拥塞控制
限制流入的网络流量
增加链路容量：但是存在 Braess’ Paradox =>
排队论
丢包
真实的因特网时延和路径选择 => Traceroute / tracert.
端系统、应用程序和其他时延
吞吐量
Def 发送方和接收方之间的数据传输 bits / sec
瞬时吞吐量
平均吞吐量
有
**瓶颈电路: **
互联网中的吞吐量：
每个链接的端到端的吞吐量
协议层和服务模型
如何组建一个有序的网络体系结构.
网络拓扑结构的复杂性
- 总线型
- 星型
- 环状
- 树型
网络服务的复杂性
- 分布式应用
- 面向连接 / 无连接
= > 因特网的设计原则
- 最简单与自治
- 尽量递送
- 无状态路由选择 => 尽量使用局部的信息
- 分散控制
= > 分层的网络体系结构
分层结构 => 每一层实现一种服务，分层协作，各司其职. 每一层要通过本层内部的相互作用，还要依靠第一层提供的服务.
网络服务模型
- 实体
- 协议
- 服务
- 服务接入点SAP
Example
蓝军 vs 白军协议
因特网协议栈
- 应用层
- 运输层
- 网络层
- 数据链路层
- 物理层
在早期的定义中，还有表示层和会话层
数据分装
![[Pasted image 20250226113744.png]]
- 交换机是第二层设备
- 路由器是第三层设备，可以看到IP地址
- 端系统可以看到所有层次
网络安全
恶意软件：
- 病毒
- 蠕虫
间谍木马
DoS攻击
被感染主机 -> 僵尸网络，用来发动分布式攻击（Denial of Service）
嗅探网络数据包（Sniffer）
IP哄骗（IP Spoofing）发送具有假IP地址的数据包