跳至主要內容

《计算机网络——自顶向下方法》

LincZero大约 19 分钟

《计算机网络——自顶向下方法》

计算机科学丛书，机械工业出版社华章教育

  • 学习顺序：

    • 第1章
    • 2-6章依赖于第一章
    • 最后三章之间无相关性

目录

[toc]

计算机网络和因特网

什么是因特网

两种回答方式

  • 具体构成：基本硬件和软件组件
  • 根据分布式应用提供服务的联网基础设施来描述

具体构成描述

非传统设备连接到因特网，因特网并非只有计算机网络（computernet work）

端系统

  • 连接的设备称为主机（host）或端系统（end system）

端系统的链接

  • 端系统通过通信链路（communication link）和分组交换机（packet switch）连接到一起

  • 通信链路

    • 物理媒体：同轴电缆、铜线、光纤、无线电频谱

    • 参数：传输速率（transmission rate）以比特/秒（bit/s，或bps）度量

  • 分组交换机

    • 物理媒体：
      • 路由器（router）：通常用于网络核心中
      • 链路层交换机（link-layer switch）：通常用于接入网中

  • 路径（route或path）：一个分组所经历的一系列通信链路和分组交换机

其他补充

过程

  • 分组 > 传输 > 装配（可以用长途运货的模型来类比，道路岔道选择是分组交换机）

ISP

  • 概念：端系统通过因特网服务提供商（Internet Service Provider,ISP）接入因特网
  • ISP也必须互联，低层ISP通过高层ISP互联，高层ISP通过高速光纤链路互联的高速路由器组成
  • ISP均独立管理，运行IP协议

服务描述

使用因特网的端系统应用被称为分布式用用程序（distributed application），将因特网描述为应用程序的平台

与因特网相连的端系统提供一个套接字接口（socket interface），发送数据的程序必须遵循套接字接口

什么是协议

协议（Protocol）

定义：协议定义了再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/或接受一条报文或其他时间所采取的动作

因特网的主要协议：TCP/IP

  • TCP（transmission Control Protocol，传输控制协议）
  • IP（Internet Protocol，网络协议）

制定：因特网标准（Internet standart）由因特网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IFTF）研发，其标准文档称为请求评论（REC）

网络位置——网络边缘

主机=端系统，因为位于因特网的边缘，故而称为端系统

有时被进一步分为两类：

  • 客户端（client）

  • 服务器（server）

    Google拥有50~100个数据中心，其中15个大型数据中心每个都有10万台以上服务器

接入网

接入网

  • 定义：将端系统物理连接到其边缘路由器（edge router）的网络
  • 特征：是端系统到任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器

家庭接入：DSL、电缆、FTTH、拨号和卫星

宽带连接有可能是：ADSL、DSL、VDSL、光纤、FTTH、FTTX+LAN、ISDN、DDN、分组交换网、WEB VOD、ADSL虚拟拨号、ADSL专线之一

数字用户线（Digital Subscriber Line，DSL）

设备：DSL利用电话公司现有的本地电话基础设施

物理媒体：电话线即双绞铜线，同时继承数据和传统电话信号，用不同频率进行编码，使得看起来像有3根单独的线路一样（频分复用技术）

  • 高速下行信道：位于50kHz~1MHz频段
  • 中速上行信道：位于4kHz~50kHz频段
  • 普通的双向电话信道：位于0~4kHz频段

DSL因特网接入：（住宅位于本地中心局的5~10英里）

电缆（HFC）

设备：利用有线电视公司现有的有线电视基础设施，需要特殊的调制解调器——电缆调制解调器

物理媒体：这个系统应用光纤和同轴电缆，所以也被称为混合光纤同轴系统（HFC）

混合光纤同轴系统：

光纤到户（FTTH）

又分为主动光纤网络（AON）和被动光纤网络（PON）

AON本质是交换因特网，下图为PON分布体系结构的FTTH：（ONT是光纤网络端接器，每个家庭都有，即光猫）

卫星链路

无法提供DSL、电缆和FTTH的地方（某些乡村环境），使用卫星链路以超过1Mbps速率与互联网相连

拨号

传统电话线的拨号接入与DSL基于相同模式，但56kbps的慢速率是令人痛苦的

企业（和家庭）接入：以太网和WiFi

以太网

经典以太网（原始形式）用一个长电缆蜿蜒围绕着建筑物，这根电缆连接着所有的计算机

交换式以太网（广泛应用）如下

wifi

在几十米范围内

广域无线接入：3G和LTE

3G
LTE（Long-Term Evolution）

接入网的物体媒体

物理媒体分两种类型

  • 导引型媒体（guided media）：电波沿固体媒体前行

    劳动力成本高于材料成本几个数量级，建筑商一般会同时铺设双绞线、光缆和同轴电缆，方便替换

  • 非导引型媒体（unguided media）：电波在空气或外层空间传播

传输媒体描述优缺点速率应用
双绞铜线两根绝缘铜线绞合，绞合目的是抗干扰最便宜最常用10Mbps~10Gbps电话网、局域网
DSL、以太网
同轴电缆同心导体，许多端系统能直接和电缆相连数十Mbps导引型共享媒体
光纤利用全反射，二氧化硅
传播的是光脉冲，每个脉冲表示一个比特		不受电磁影响
衰减低
难窃听
但光设备成本高，短途运输不用		数十~数百Gbps长途导引型
陆地无线电通信承载电磁频谱信号，无需安装物理线路
分三类：短距离、局域、广域		数百Mbps无法使用DSL或电缆的地区
卫星无线电通道连接地面站。分同步卫星和近地轨道卫星同步卫星36000km有280ms时延近地未来也许能用于因特网

网络位置——网络核心

与网络边缘对应的，即网络核心：由因特网端系统的分组交换机和链路构成的网状网络

分组交换机的物理媒体：

  • 网络核心：常用路由器（router）
  • 网络边缘接入网：常用链路层交换机（link-layer switch）

通过网络链路和交换机移动数据有两种方法：（可用用餐厅是否需要预订来类比二者）

  • 电路交换：如下
  • 分组交换：如下

移动数据方法——分组交换

分组：源将长报文划分为较小的数据块

分组交换机：源和目的地之间，每个分组都通过通信链路和分组交换机传送

存储转发传输

存储转发传输：指在交换机在接收到整个分组前，不会开始向输出链路传输该分组的比特

存储转发时延：公式见下

源和目的地之间有N−1台路由器（串联），一分组L比特，链路传输速率为Rbps，则端对端时间延迟为：d端对端=NLR 源和目的地之间有N-1台路由器（串联），一分组L比特，链路传输速率为Rbps，则端对端时间延迟为：\\ d_{端对端}=N\frac L R

排队时延和分组丢失

分组交换机的输出缓存：用于存储路由器准备发往那条链路的分组

排队时延：取决于网络的堵塞程度（可以用人多/人少时银行柜台前排队类比）

排队丢包：缓存空间是有限的，新到达的分组发现缓存已被其他分组充满，则会发生分组丢失（丢包）

分组交换图解：（路由器1等待输出链路的分组队列）

转发表和路由选择协议

转发表：每台路由器具有一个转发表，将目的地址（的一部分）映射为输出链路，可用多次问路理解，解释了：路由器如何选择向哪条链路进行转发？

路由选择协议：用于自动地设置转发表——解释了：转发表是乳环进行设置的？

移动数据方法——电路交换

交换电路预留了一条专用的端到端连接电路（此非彼）

电路交换网络中的复用

电路复用：频分复用和时分复用

分组交换与电路交换的对比

移动数据方法优点缺点
分组交换更好的带宽共享，更简单、更高效、成本更低端到端时延是可变和不可预测的（排队时延变动和不可预测）
电路交换在静默期专用电路空闲而不够经济

如今均普遍使用，趋势为分组交换。现电话网也正向分组交换迁移、特别是昂贵的海外电话。

网络的网络

ISP（因特网服务提供商）：必须互联

接入ISP：不必是电信局或电缆公司，还可以是大学公司，有数十万个。能提供有线或无线连接，端系统通过接入ISP与因特网相连

网络结构：（递进）

  • 幼稚想法

    • 描述：接入ISP直接与每个其他接入ISP连接

  • 网络结构1

    • 描述：单一的全球传输ISP互联所有接入ISP。全球ISP是提供商、接入ISP是客户

  • 网络结构2（两层结构）

    • 演化：其他公司建立全球ISP并竞争
    • 描述：多个全球传输ISP中选择其一连接接入ISP。全球ISP之间互联（选择不同全球ISP的接入ISP之间能通信），且之间竞争（价格、服务等因素）

  • 网络结构3（多层结构）

    • 演化：没有哪个ISP无处不在，在给定区域增加区域ISP
    • 描述：第一层ISP->区域ISP->接入ISP。这里的第一层ISP为之前的全球传输ISP

  • 网络结构4

    • 演化：在网络结构3上增加存在点（PoP）、多宿、对等和因特网交换点（IXP）
      • PoP：存在于接入ISP以外的ISP。不太懂【?】
      • 多宿：第一层ISP以外的ISP可以多宿。当一个ISP多宿时，计时他的提供商值一出现故障，仍然能正常工作
      • 对等：同登记结构层次的一对ISP之间对等，不付费结算
      • IXP：汇合点，多个ISP能够在这里一起对等
    • 描述：由接入ISP、区域ISP、第一层ISP、PoP、多宿、对等和IXP组成

  • 网络结构5

    • 演化：在结构4顶部增加内容提供商网络（如谷歌，但其专用网络仅承载出入谷歌服务器的流量）
    • 内容提供商通过与低层ISP对等来绕开高层，减少了向顶层ISP支付的费用

分组交换网中的时延、丢包和吞吐量

分组交换网中的时延概述

分组层一个节点（主机或路由器）到另一节点（主机或路由器）经受的不同类型时延：

时延类型描述时延时间时延量级
节点处理时延检查分组首部 + 决定将该分组导向何处 + 检查比特级的差错等 所需时间dproc微秒或更低
排队时延分组在链路上等待传输，取决于排队分组数量dqueue毫秒到微秒
传输时延将所有分组的比特推向链路（发射）的时间，取决链路传输速率dtrans=L/R=比特/链路传输速率毫秒到微秒
传播时延比特在从链路到达下个节点的时间，取决于链路物理媒体（光纤、双绞等）dprop=距离/速率，速率(2~3)*108m/s广域网毫秒
节点总时延以上时延之和dnodal=dproc+dqueue+dtrans+dprop

要区分传输时延和传播时延：从计算方式和速度单位（bps和km/h）可以区分（前者可以理解为公路模型的车加速时间、车距。或炮(bit)弹模型的发射间隔）

排队时延和丢包

流量强度(平均)=La/R=分组到达队列的平均速率∗分组比特/传输速率流量强度(平均)=La/R=分组到达队列的平均速率*分组比特/传输速率

La/R>1时，队列趋向于无穷大。流量工程金科玉律：设计系统时流量强度不能大于1

平均排队时延和流量强度（平均）成类指数性正相关，La/R接近于0时平均排队时延接近于0，La/R接近于1时平均排队时延接近于无穷

端到端时延

dend−end=N(dproc+dqueue+dtrans+dprop)， dtrans=L/Rd_{end-end}=N(d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop})，~d_{trans}=L/R

Tranceroute

Tranceroute程序网站：（搜索关键词“Tranceroute在线”就有）

  • http://tool.chinaz.com/Tracert/
  • https://tools.ipip.net/traceroute.php

原理：发送N个特殊分组，当路由器n接收到标号n的第n个分组时会向源返回一个报文，目的主机也会返回报文

报文携带信息：从发送第一个分组到它接收对应返回报文所经历的时间，返回该报文的路由器（或目的主机）的名字和地址

端系统、应用程序和其他时延

  • 共享媒体协议的故意时延：协议相关、故意的
  • 媒体分组化时延：传递分组前必须先用编码的数字化语音填充一个分组，可能会比较大

计算机网络中的吞吐量

平均吞吐量=min{R1,R2,⋯ ,RN}=瓶颈链路的传输速率，也会受干扰流量的影响平均吞吐量=min\{R_1,R_2,\cdots,R_N\}=瓶颈链路的传输速率，也会受干扰流量的影响

如今因特网中对吞吐量限制因素通常是接入网，有时会在共享链路

协议层次及其服务模型

因特网是个极为复杂的系统（各种程序协议、各种端系统和分组交换机、各种链路级媒体），难以组织网络体系结构

分层的体系结构

分层体系结构——坐飞机的奇妙比喻：

协议分层

因特网协议栈（5层）

协议栈描述协议补充
应用层应用程序及它们应用层协议存留的地方HTTP、SMTP、FTP、DNS应用层信息分组称为报文
运输层应用程序之间传输应用层报文TCP、UDP运输层分组称为报文段
网络层（又称IP层）把数据段从一台主机移动到另一台主机IP、路由转发协议网络层分组称为数据段
链路层传输下传的数据报再上传，网络层可能受不同链路层协议的不同服务特定链路层协议链路层分组称为帧
物理层将帧中的一个个比特进行移动，不同链路的比特以不同方式进行跨越特定链路层协议比特

协议补充：

  • HTTP：Web文档请求和传送

  • SMTP：电子邮件报文传输

  • FTP：两个端系统文件传送

  • DNS：域名系统

  • TCP：将长报文分为短报文，提供拥塞控制机制

  • UDP：无连接服务、无可靠性、无流量控制、无拥塞控制

  • IP：定义了数据包中各个字段以及端系统和路由器如何作用这些字段，IP只有一个，所有网络层的因特网组件必须运行IP

  • 路由转发协议：能设置路由表的

  • 特定链路层协议：与链路有关：以太网、Wifi和电缆接入网的DOCSIS协议、PPP

OSI模型

上面的因特网协议栈不是唯一的协议栈，20世纪70年代后期，国际标准化组织（ISO）提出7层来组织成为开放系统（OSI）模型

当时还没有互联网，协议还处于襁褓中，但基于早期影响，当时许多学校都围绕七层模型来教学，直到现在还保留。本书大纲用的是新模型而非OSI

ISO OSI参考模型（7层）

OSI模型描述
应用层（同因特网协议栈）
表示层使通信的应用程序能解释交换数据的含义，服务：数据压缩、数据加密（自解释）、数据描述
会话层提供数据交换的定界和同步功能
运输层（同因特网协议栈）
网络层（同因特网协议栈）
链路层（同因特网协议栈）
物理层（同因特网协议栈）

因特网缺少OSI的两个层次，都交给应用层应用程序开发者了，若需要则自己构建该功能

封装

IMG_20200927_182546

补充：

  • 物理路径：从端系统协议栈向下，沿着中间的链路层交换机和路由器协议栈上上下下，然后向上到达接收端系统协议栈
  • 路由器和链路层交换机：不实现协议栈所有层次
    • 链路层交换机实现第1~2层、路由器实现第1~3层
    • 路由器能实现IP协议、链路层交换机不能而只能识别第二层地址（如以太网地址）
  • 封装（如图和表）
    • 每一层有两种类型字段：首部字段和有效载荷字段（有效载荷通常来自上一层分组）
    • 差错检测位信息：让接收方能判断报文中的比特是否在途中已被改变
封装过程首部首部信息
应用层报文下传给运输层，附上首部信息形成运输层报文段Ht允许接收端运输层向上向适当程序交付报文、差错检测位信息
运输层报文段下传给网络层，附上首部信息形成网络层数据报Hn，源和目的端系统地址、等
网络数据报下传给链路层，附上首部信息形成链路层帧H1

面对攻击的网络

其他：嗅探、端点假冒、中间人工具、DDoS攻击、恶意软件等

黑客能够经因因特网将有害程序放入的计算机中

Keyword：恶意软件、僵尸网络、自我复制、病毒（virus）、蠕虫（worm）

黑客能攻击服务器核网络基础设施

拒绝服务攻击（Denial-al-service（DoS）attack），分布式DoS（Distributed Dos，DDos）

  • 弱点攻击：发送精细的报文给一个易受攻击的应用程序或操作系统，使目标服务器停止运行或崩溃
  • 带宽洪泛：发送大量分组，使目标接入链路拥塞
  • 连接洪泛：创建大量的半开或全开TCP连接，使目标停止接受合法连接

黑客能嗅探分组

Keyword：无线和有线均可嗅探、分组嗅探器（如Wireshark）、防范：通过加密

黑客能伪装成你信任的人

Keyword：IP哄骗（IP spoofing，将虚假源地址的分组注入因特网）等方式、加密：端点鉴别

计算机网络和因特网络的历史

分组交换的发展：1961~1972

时间描述
20世纪60年代电话网是主要通信网络，使用的是电路交换
发明了分组交换以取代电路交换
1967ARPAnet计划、第一台分组交换机
1972ARPAnet端系统之间的第一台主机到主机协议——网络控制协议，同时意味着可编程
1972第一个电子邮件程序

专用网络和网络互连：1972~1980

时间描述
1972ARPAnet是一个单一封闭的网络
20世纪70年代早期和中期其他分组交换网络问世
创建一个网络的网络，术语网络互联
概念上完成TCP、UDP和IP协议（IP从早期TCP中分离出来，并研制了UDP）

网络的激增：1980~1990

研制出了DNS（域名系统）、因特网出现

因特网爆炸：20世纪90年代

万维网（World Wide Web）应用程序将因特网带入生活中，里面又各种应用

1995：大学生们每天都在用Netscape浏览器在Web上冲浪

最新发展