1.计算机网络与因特网

参考《计算机网络自顶向下方法》

1.1基础概念

介绍网络的基本构成与一些专业术语

1.1.1-网络构成

因特网是一个世界范围的计算机网络。我们将接入因特网的设备称为主机（host）或者端系统（end system），因为他们处于网络边缘。

每个主机通过通信链路（communication link）和分组交换机（packet switch）连接在一起。

通信链路由各种物理媒体组成，同轴电缆、铜线、光纤、无线电频谱。当主机发送数据时，会将数据拆成段并为每段加工一些信息成为信息包，我们称为分组（packet），到达目的主机再重组。

分组交换机从通信链路接收分组，从另一条链路发送分组。比较著名的交换机类型是路由器（router）和链路层交换机（link-layer switch），链路交换机通常用于接入，路由器通常在网络核心。一个分组将经历一系列网络路径到达目的主机。

主机通过因特网服务提供商（Internet Service Provider,ISP）接入因特网，因为主机之间需要互联，所以ISP之间也会通过国家、国际的ISP连接。

主机、交换机等其他网络设备都要遵循一系列协议，用来控制接收和发送，如TCP/IP。协议的标准由许多组织规定，如因特网标准由IETE研发，IEEE 802制定了无线wifi的标准。

1.1.2-服务

主机上的软件如何与目标主机的软件通信呢？每个主机都提供了一套因特网API，使用这些API写的软件就可以与其他主机上的软件进行通信。

1.1.3-协议

使用人类之间交流来理解计算机协议，比如小明想小红现在几点了，首先她们都要有时间的概念，其次她们能听懂各自说的话，才能够正常交流。

网络协议定义了多个通信实体之间的交换的报文（数据块）格式和次序，以及发送/接收或其他事件采取的动作

1.2-网络边缘

边缘指的就是与互联网相连的计算机，他们处于因特网的边缘，所以被称为端系统。端系统=主机

主机里有各种应用程序，主机再细分为客户（client）和服务器（server），服务器相当于性能强大的机器。

1.2.1-接入网

主要指边缘路由器（edge router），主机网络路径上的第一台路由器

家庭接入

1.DSL

住宅可以从提供本地电话接入的电话公司获取数字用户线（Digital Subscriber Line）因特网接入，家庭DSL调制解调器得到数字数据并转化为高频音，中心局的DSLAM接收模拟信号后转化为数字数据。

当上行和下行速率不一样时叫非对称DSL

2.电缆

从提供有线电视的公司可以获得电缆因特网接入（cabl internet access），通过光缆连接电缆头端到光纤节点，再使用同轴电缆连接到家家户户，也被称为混合光纤同轴（Hybrid Fiber Coax，HFC）。

类似于DSL modem，电缆也需要电缆调制解调器（cable modem），而电缆调制解调器终端系统（Cable Modem Termination System,CMTS）则和DSLAM的功能类似。Modem将HFC划分了上行和下行信道，下行的传输速率被通常比上行高很多。

3.FTTH

光纤到户（Fiber To The Home）又分为主动光纤网络（Active Optical Network）和被动光纤网络（Passive Optical Network）。

PON结构如下，ONT（Optical Nerwork Terminator）连接到分配器，OLT（Optical Line Terminator）可以在光信号和电信号之间转换。

FTTH有着速率高的优点（当然更贵）。

在无法提供DSL、线缆、FTTH的地方，使用卫星链路与因特网相连。

企业接入：以太网、WIFI

实际上越来越多的家庭和校园都使用了局域网技术

广域无线接入：3G、LTF

1.2.2-物理媒体

1.双绞铜线

由两根隔离的铜线组成，每根大约1mm粗，以规则的螺旋形式排列，可以减少电气干扰，通常使用许多双绞线捆扎成一根电缆，覆上保护层，就是一条通信链路。而无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair）则用在建筑物内。传输速率在10Mbps与10Gbps之间

2.同轴电缆

使用两个铜导体组成同心的电缆，通常用于电视系统，速率通常在几十Mbps

3.光纤

光纤有着细而柔软的，能够引起光脉冲的身体，每个脉冲代表1bit，速率可以高达100Gbps。信号不易被干扰、衰弱，窃听难。

4.陆地无线电信道

包含电磁频谱的信号，信号能穿墙、距离远，但很依赖环境

5.卫星无线电信道

通信中常使用同步卫星和近地卫星

1.3-网络核心

1.3.1-分组交换

从源主机发送一个文件（报文message）时，需要将它划分成小的数据块，称为分组（packet）。该文件（报文）在传输过程中，分组（数据包）需要经过通信链路和分组交换机（packet switch）

1. 存储-转发传输

指交换机必须接收完整个分组才能向下一条链路传输。

计算发送数据时端到端的延迟（只考虑传输延迟）

假设源与目标之间有着$N$条链路（N-1交换机），分组长度$L$(bit)，链路速率$R$(bps)，需要传输$P$个分组。

分析：

当时间处于$N(L/R)$时，第一个包到达，$N(L/R)+(L/R)$时，第二个包到达，以此类推，当处于$N(L/R)+(P-1)(L/R)$时，全部到达，所以有公式
$$
d_{end-end}=N*(L/R)+(P-1)(L/R)
$$

2. 排队延迟与丢包

因为需要存储，所以分组交换机有个输出缓存（buffer），用来决定该分组该发往哪条链路。当分组交换机正在发送其他分组时，后面来的分组就必须等待，等待的这个时间就叫排队延迟（queue delay）。

这个延迟的特点就是随机性变化，主要取决于网络的拥塞程度。此外，因为缓存是有限的，还会出现丢包（packet lost）

3. 转发表和路由选择协议

分组头部包含了目的地的IP，而每台路由器有一个转发表（forwarding table），可以将IP映射成输出链路，通常都会选择最近的路径进行传输

1.3.2-电路交换

类似于通话，电路交换会先建立一条连接，在连接时预留了恒定的传输速率，所以发送方可以以恒定额速率向接收方传送数据。

为了扩大一条链路的用户，电路交换使用了频分复用FDM和时分复用TDM（原理我已经在其他笔记写明）

1.3.3-两者对比

对于它们两个的区别可以通过一个例子说明

假设有多个用户共享一条1Mbps链路，每个用户要么以100kbps的恒定速率产生数据，要么不产生数据，假如只用10%的用户活跃。

• 采用电路交换，则该链路仅支持10(1Mbps/1kbps)个并发（同时工作）的用户
• 使用分组交换，活跃率0.1，假如有35个用户，有11个以上的并发用户概率是0.0004（使用了二项式与中心极限定理），当有10个并发用户时，与电路交换基本一样。当超过10个时，输出队列变长，即使支持多个用户，性能不变（但概率是极小的），这种情况和电路的性能一样。

但是如果用户低于10个，假定某一个用户（其他人休息）产生了1000个1000bit的分组，在使用电路交换时，依旧使用100kbps的速率（其他频段、时隙空闲着），需要10s；而使用分组交换，则可以使用这条链路的最大速率即1Mbps，只需要1s。

总的来说分组的优势是效率，电路的优势是稳定

1.4-分组

了解分组的时延、丢包、和吞吐量

1.4.1-时延

也就是数据从源出发，到达目的地的时间。时延又分为结点处理时延（nodal processing delay）、排队时延（queuing delay）、传输时延（transmission delay）、传播延迟（propagation delay）。

• 处理时延：路由检查分组和决定发送目标
• 排队时延：指在流量大时分组在路由停留的时间
• 传输时延：指源将分组送到链路上的时间
• 传播时延：指在链路上传播的时间（与距离和光速有关）

总时延：
$$
d_{nodal}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}
$$

1.4.2-排队时延和丢包

值得研究的是排队时延，它与主要与流量的速率、链路的传输速率有关。

假设$a$表示分组到达速率（pkt/s），$R$是传输速率，每个分组有$L$ bit。

则有$La/R$代表路由的流量强度

• >1代表到达速率大于传输速率，此时排队时延将接近无穷大，因为发送慢

丢包

当排队的队伍满了（缓存满了），后面到达的分组就没有位置排队，造成分组丢失

1.4.3-端到端的时延

假设端与端之间存在了n-1的路由器（n条链路），这里不考虑排队，太复杂
$$
d_{end-end}=N(d_{proc}+d_{trans}+d_{prop})
$$
Traceroute工具

可以对输入的地址发送多个分组，然后报告三次往返时间（*代表丢包）

# manu @ MY in ~ [15:00:52] C:2
$ traceroute yangchaohe.com
traceroute to yangchaohe.com (185.199.109.153), 30 hops max, 60 byte packets
 1  TianYi.Home (192.168.1.1)  1.918 ms  2.114 ms  2.373 ms
 2  100.64.0.1 (100.64.0.1)  25.693 ms  25.683 ms  26.056 ms
 3  61.159.144.33 (61.159.144.33)  6.670 ms  6.654 ms  6.619 ms
 4  61.159.144.65 (61.159.144.65)  14.496 ms  15.063 ms  15.043 ms
 5  202.97.69.93 (202.97.69.93)  35.400 ms  35.331 ms  35.339 ms
 6  202.97.94.138 (202.97.94.138)  32.900 ms  36.775 ms  36.533 ms
 7  202.97.12.37 (202.97.12.37)  47.054 ms * 202.97.12.45 (202.97.12.45)  36.031 ms
 8  xe-0-0-6.r27.tokyjp05.jp.bb.gin.ntt.net (129.250.66.9)  151.965 ms  151.439 ms  150.848 ms
 9  ae-2.r31.tokyjp05.jp.bb.gin.ntt.net (129.250.2.155)  157.396 ms ae-1.r30.tokyjp05.jp.bb.gin.ntt.net (129.250.2.157)  151.674 ms *
10  ae-3.r01.tokyjp08.jp.bb.gin.ntt.net (129.250.6.133)  152.397 ms  152.126 ms  152.090 ms
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除了指令还有网站可以测试http://www.traceroute.org

1.4.4-吞吐量

就是网速，有平均吞吐量和瞬时吞吐量

下面是书上深入介绍吞吐量的例子

因为$R_{s}$与$R_{c}$的速率不一样，所以吞吐量=$min{R_{c},R_{s}}$，因为因特网的带宽很大，通常只考虑接入速率

1.5-区分各层数据单位

摘自百度百科：协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）是指对等层次之间传递的数据单位。 协议数据单元(Protocol Data Unit )物理层的 PDU是数据位（bit），数据链路层的 PDU是数据帧（frame），网络层的PDU是数据包（packet），传输层的 PDU是数据段（segment），其他更高层次的PDU是报文（message）。
说白了，pdu就是某协议发送数据的基本单位，各协议有各自的格式。实际使用中其实很多人其实不太分这么细，统一称作数据包。