计算机网络和因特网

计算机网络和因特网

前言

打算系统学习下计算机网络，就来翻阅经典的自顶向下

本篇是第一章计算机网络和因特网的读书笔记，从整体上粗线条地勾勒岀计算机网络的概貌，并给出一个端到端吞吐量和时延的简单定量模型

资源：

• 书是第7版中文电子书：https://pan.baidu.com/s/1PidIzLmFVWAb8T74GyVGlQ 密码: bhob
• 网站是2021年更新的第8版：https://www-net.cs.umass.edu/kurose_ross/interactive/

1、因特网

首先要明白什么是因特网，描述因特网的两种方式：

• 因特网的具体构成，即构成因特网的基本硬件和软件组件
• 根据为分布式应用提供服务的联网基础设施来描述因特网

（1）具体构成

端系统通过 通信链路（communication link） 和 分组交换机（packet switch） 连接到一起，从发送端系统到接收端系统，一个分组所经历的一系列通信链路和分组交换机称为通过该网络的路径（mute或path）：

• 链路：不同的链路能够以不同的速率传输数据，链路的传输速率（transmission rate）以比特/秒（bit/s或bps）度量。当一台端系 统要向另一台端系统发送数据时，发送端系统将数据分段，并为每段加上首部字节。由此形成的信息包用计算机网络的术语来说称为分组（packet）
• 分组交换机：两种最著 名的类型是路由器（router）和链路层交换机（link-layer switch）。这两种类型的交换机朝着最终目的地转发分组。链路层交换机通常用于接入网中，而路由器通常用于网络核心中

端系统通过因特网服务提供商（Internet Service Provider, ISP）接入因特网，包括如本地电缆或电话公司那样的住宅区ISP、公司ISP、大学ISP,在机场、旅馆、咖啡店和其 他公共场所提供WiFi接入的ISP,以及为智能手机和其他设备提供移动接入的蜂窝数据ISP。每个ISP自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

（2）服务描述

分布式应用程序(distributed applicalion)： 因特网应用程序运行在端系统上，即它们并不运行在网络核心中的分组交换机中。如即时讯息、与实时道路流量信息的映射、来自云的音乐流、电影和电视流、在线社交 网络、视频会议、多人游戏以及基于位置的推荐系统

套接字接口( socket interface)：规定了运行 在一个端系统上的程序请求因特网基础设施向运行在另一个端系统上的特定目的地程序交 付数据的方式。因特网套接字接口是一套发送程序必须遵循的规则集合，因此因特网能够 将数据交付给目的地

协议（protocol）：定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文的格式和顺序，以及报文发送和/或接收一条报文或其他事件所采取的动作

2、网络边缘

主机 = 端系统

主机有时又被进一步划分为两类：客户 （client）和服务器（server）

（1）接入网

接入网：将端系统物理连接到其边缘路由器（edge router）的网络

家庭接入

几种方式：

• 数字用户线（Digital Subscriber Line, DSL）：利用电话公司现有的本地电话基础设施，高速下行信道，位于50kHz到1 MHz频段；中速上行信道，位于4kHz到50kHz频段；普通的双向电话信道，位于0到4kHz频段
• 电缆因特网接入（cable Internet access） ：利用了有线电视公司现有的有线电视基础设施，因为在这个系统中应用了光纤和同轴电缆，所以它经常被称为混合光纤同轴（Hybrid Fiber Coax, HFC）系统。需要使用电缆调制解调器（cable modem）
• 光纤到户(Fiber To The Home, FTTH) [FTTH Council 2016]：从中心局岀来的每根光纤实际上由许多家庭共享，直到相对接近这些家庭的位置，该光纤才分成每户一根光纤。进行这种分配有两种有竞争性的光纤分布体系结构——主动光纤网络（Active Optical Network, AON)和被动光纤网络(Passive Optical Network, PON)

企业接入

使用以太网接入，用户通常以100Mbps或 1Gbps速率接入以太网交换机，而服务器可能具有1Gbps甚至10Gbps的接入速率

广域网

书上是3G，现如今已经是5G了，第8版可能有相关介绍

3、网络核心

（1）分组交换（packet switching）

端系统彼此交换报文（message）（报文能够包含协议设计者需 要的任何东西），为了从源端系统向目的端系统发送一个报文，源将长报文划分为较小的数据块，称之为分组 （packet）

在源和目的地之间，每个分组都通过通信链路和分组交换机（packet switch ）以等于该链路最大传输速率的速度传输通过通信链路

因此，如果某源端系统或分组交换 机经过一条链路发送一个L比特的分组，链路的传输速率为R比特/秒，则传输该分组的时间为L/R秒

存储转发传输（store-and-forward transmission）

如图所示的特定时刻，源已经传输了分组1的一部分，分组1的前沿已经到达了路由器。因为该路由器应用了存储转发机 制，所以此时它还不能传输已经接收的比特，而是必须先缓存（即“存储”）该分组的比 特。仅当路由器已经接收完了该分组的所有比特后，它才能开始向出链路传输（即“转发”）该分组

通过由N条速率均为R的链路组成的路径（所以, 在源和目的地之间有N-1台路由器），从源到目的地发送一个分组，计算端到端时延d=NL/R

排队时延和分组丢失

每台分组交换机有多条链路与之相连，对于每条相连的链路，该分组交换机具有一个输出缓存（output buffer），也称为输出队列（output queue）,用于存储路由器准备发往那条链路的分组。

如果到达的分组需要传输到 某条链路，但发现该链路正忙于传输其他分组，该到达分组必须在输出缓存中等待。因此，除了存储转发时延以外，分组还要承受输岀缓存的排队时延（queuing delay）。

此外，一个到 达的分组可能发现该缓存已被其他等待传输的分组完全充满了。在此情况下，将出现分组丢失（丢包）（packet loss）,到达的分组或已经排队的分组之一将被丢弃

（2）电路交换（circuit switching）

如图所示，4条链路互联了 4台电路交换机，每条链路都有4条电路，因此每条链路能够支持4条并行的连接。如果两台邻近交换机之间每条链路具有1Mbps传输速率，则每个端到端电路交换连接获得250kbps专用的传输速率。

每台主机（例如PC和工作站）都与一台交换机直接相连。 当两台主机要通信时，该网络在两台主机之 间创建一条专用的端到端连接（end-to-end connection）。因此，主机A为了向主机B发送报文，网络必须在两条链路的每条上先预 留一条电路。

复用

• 频分复用(Frequency- Division Multiplexing, FDM )：链路的频谱由跨越链路创建的所有连接共享，在连接期间链路为每条连接专用一个频段。在电话网络中，这个频段的宽度通常为4kHz （即每秒4000周期）
• 时分复用（Time-Division Multiplexing, TDM）：时间被划分为固定期间的帧，并且每个帧又被划分为固定数量的时隙。当网络跨越一条链路创建一条连接时.网络在每个帧中为该连接指定一个时隙。 这些时隙专门由该连接单独使用

（3）网络的网络

4、分组交换网中的时延、丢包和吞吐量

（1）时延

节点总时延(tolal nodal delay)：

• 节点处理时延(nodal processing delay) ：检查分组首部和决定将该分组导向何处所需要的时间
• 排队时延(queuing delay)：一个特定分组的排队时延长 度将取决于先期到达的正在排队等待向链路传输的分组数量。如果该队列是空的，并且当前 没有其他分组正在传输，则该分组的排队时延为0
• 传输时延 (transmission delay)：用L比特表示该分组的长度，用R bps (即b/s)表示从路由器A到路由器B的链路传输速率。例如，对于一条10Mbps的以太网 链路，速率R=10Mbps；对于100Mbps的以太网链路，速率R = 100Mbps。传输时延是L/R，这是将所有分组的比特推向链路(即传输，或者说发射)所需要的时间
• 传播时延(propagation delay)：从链路的起点到终点传播所需要的时间，取决于该链路的传播速率，即取决于物理媒体（即光纤、双绞铜线等），其速率范围是2x108-3x108m/s

（2）丢包

流量工程中的一条金科玉律是：设计系统时流量强度不能大于1

随着流量强度接近1,排队时延并不真正趋向无穷大。相反，到达的分组将发现 一个满的队列。由于没有地方存储这个分组，路由器将丢弃(drop)该分组，即该分组将 会丢失(lost)

（3）吞吐量

A向B发送信息，任何时间瞬间的瞬时吞吐量（instantaneous throughput）是主机B接收到该文件的速率（以bps计）。如果该文件由F比特组成，主机B接收到所有F比特用去T秒,则文件传送的平均吞吐量（average throughput）是F/T bps

在今天因特网中对吞吐量的限制因素通常是接入网

5、协议层次及其服务模型

看图：

• 应用层：HTTP、SMTP、FTP，处理报文（message）
• 传输层：TCP、UDP，处理报文段(segment)
• 网络层：IP，处理数据报（datagram）
• 链路层：处理帧（frame）
• 物理层：处理bit的传输

封装与传输

结语

快速阅览第一章，是个概述

文章知识点与官方知识档案匹配，可进一步学习相关知识

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