USTC Computer Networking - Summaries

2024-12-10 16:35:59 2024-12-10 16:35:59
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4k Words | 14 Minutes

采用每节课后总结要点的方式呈现知识体系。

1.1 什么是 Internet？

Internet 从构成的角度来看，包括 节点 (Node) 、 边 (Edge) 、 协议 (Protocol) 。
- 节点包括 主机节点 (PC, Server) 和 数据交换节点 (Router, Switch) 。
- 边包括 接入网链路 (Access Networking Link) （和主机节点相关）和 骨干链路 (Backbone Link) （和数据交换节点相关）。
- 协议存在于不同的层级之中 （物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层） ，规定了 报文格式 (Message Format) （语法、语义） 、 次序 (Sequence) 、 动作 (Action) 。
小网络 - 大网络 - 互联网
互联网：由一堆网络通过网络互联设备连在一起（网络的网络）
从分布式应用角度：由 分布式应用 (Distributed Applications) 以及 为分布式应用提供通信服务 (API) 的基础设施 组成。
- 分布式应用：网络存在的理由
- 基础设施： 面向连接 (TCP) 、 无连接 (UDP)

1.2 网络边缘

网络结构包括 边缘 (Edge) 、 核心 (Core) 、 接入网 (Access Network) 。
- 边缘是 主机 (Host) / 端系统 (End System) 及其运行的 应用程序 (Client / Server) 。
- 核心是 交换机 (Switch) 、 路由器 (Router) 组成的网络 (交换节点和交换节点及其链路)。
- 接入网是有线或无线的通信链路。
网络边缘有两种交换形式： 客户 / 服务器模式 (Client-Server) 和 对等模式 (Peer-To-Peer / P2P)
- CS模式容易拥堵，P2P模式实现带宽的扩大。
基础设施为网络应用提供的服务有两种方式： TCP (Transmission Control Protocol) 和 UDP (User Datagram Protocol) 。
- 采用网络设施的面向连接服务 (TCP) 要求传输准确： 可靠地、按顺序地传送数据 、 流量控制 、 拥塞控制
- 采用基础设施的无连接服务 (UDP) 要求传输的时效性 ( DNS , 流媒体)： 无连接 、 不可靠数据传输 、 无流量控制 、 无拥塞控制

1.3 网络核心

网络核心是路由器的网状网络，包括 电路交换 (Circuit Switching) 和 分组交换 (Packet Switching) 。
电路交换 是端到端的资源分配，选取每条链路中的一条传输数据。
- eg. 1.536Mbps 的带宽分为 24 条线路，每条线路享有 64Kbps ( 片 Piece )。
- 特点： 线路独享 (Dedicated Line) 、保证 传输性能 、不使用时造成 资源浪费 、需要建立 呼叫链接 (延迟)
- 经常被电话网络采用。
- 分成片的方法有 频分 (Frequency-Division Multiplexing) 、 时分 (Time-Division Multiplexing) 、 波分 (Wave-Division Multiplexing) 和 码分 (Code-Division Multiplexing) 。对接入网链路而言加上 “Access”。
  
  例题：在一个电路交换网络上，从主机A到主机B发送一个 640,000 bits 的文件需要多长时间？所有的链路速率为 1.536 Mbps 、每条链路使用时隙数为 24 的TDM、建立端-端的电路需 500 ms
- 缺点：连接建立时间长、对计算机通信的偶发性而言浪费片段多、可靠性不高(?)
分组交换 是以分组为单位的 存储-转发 (Store and Forward) (一动一跳 (Hop)) 方式。
- 特点：使用 全部带宽 传输 (不再使用片)、数据被分组、 线路共享 (Line Sharing ) 、节点 全部接收数据 才转发、延迟大、可能需要排队 (存在缓冲区)
- 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 。
- 到达速率 > 链路的输出速率，分组将会排队，超出缓存就会被抛弃。
- 路由 (Routing) 决定分组传输路径 (路由算法：计算路由表)， 转发 (Forwarding) 将分组由输入链路转移到输出链路。
- 统计多路复用 (Statistical Multiplexing) 没有固定分组模式。
- 按照有无网络层连接分为 数据报网络 (Datagram) 和 虚电路网络 (Virtual Circuit)。
  - 数据报网络中每个分组都存有 目标地址 ，路由器不维护通讯状态，路由表会改变 (路径可能不同)，不需要建立连接。虚电路网络中每个分组带有标签 虚电路标识 VC ID ，路由器维持每个呼叫状态 (通讯关系)。
  - 虚电路网络是 有连接 ，TCP是 面向连接 ，区别在于虚电路的路由需要维持通讯关系，而TCP只要建立源主机和目标主机的联系。(一个在网络层，一个在传输层)
比较两种分组：活动概率 p、活动带宽、链路带宽 (PPT P8)
- 分组交换允许更多用户同时使用，即便超出带宽也有缓存。

1.4 接入网和物理媒体

端系统连接边缘路由器的方法：住宅接入网络、单位接入网络、无线接入网络
- 住宅接入要使用 调制解调器 (Modem - Modulator-Demodulator) ，通过电话线将数据 调制 (Modulator) 在音频信号上，再在局端 解调 (Demodulator) 。
- 调频 (FM)、调幅 (AM)、调相位 (PM)、综合调制
- 拨号调制解调器 (Dial-up Modem) 速率不大于 56 Kbps ，不能同时上网和打电话。
  - DSL (Digital Subscriber Line) 上的数据被传到互联网，语音被传到电话网。上下行不对称。电话线连接到 DSLAM ，再连接到 ISP 。是独享的。
  - 电缆网络 (Cable Network) 将有线电视信号电缆双向改造。 FDM ：在不同的频段传输数字电视和上网数据 (上下行) (还有用于控制：信令)。是共享的。用户通过 Cable Modem 接入互联网
    - HFC (Hybrid Fiber-Coaxial) ： 光纤 (Optical Fiber) 和 同轴电缆 (Coaxial Cable) 的混合。
    - 带宽上下行不对称。
    - 将家庭用户接入 ISP 路由器。
  - 家庭网络 中有 AP 等设备，有线或者无线接入。综合设备具有路由、局部交换、无线接入 (AP) 、防火墙的功能。
- 企业接入网络 (Ethernet) 通过交换机的级联。
- 无线接入网络
  - LANs ：802.11b/g (WiFi)，在建筑物内 100 ft
  - 关于无线接入 (WANs) ：电信运营商用基站提供、3G, 4G, LTE, 5G
物理媒体 (Media) 在发送-接收对中传输 bit。 物理链路 是连接每个节点对之间的物理媒体。
- 导引型媒体 ：固体介质。同轴电缆、光纤、双绞线
  - 双绞线 (TP) ：两根绝缘铜导线。CAT5、CAT6
  - 同轴电缆 ：两根同轴的铜导线
  - 光线和光缆 ：玻璃纤维二氧化硅中传播光脉冲，每个脉冲就是一个 bit 。码率极高、误码率极低：不受到电磁噪声的干扰、安全：不易被篡改和窃听。分为单模光纤和多模光纤。
- 非导引型媒体 ：开放空间传输电磁波和光信号。
  - 无线链路 ：开放空间传输电磁波信号。有反射、吸收、干扰的效应。
    - 类型：地面微波、LAN、WAN、卫星

1.5 Internet 结构和 ISP

互联网也可以理解为 网络的网络 。
- 端系统通过 接入 ISPs (Internet Service Providers) 连接到互联网。
- ISP 存在于住宅、企业、学校。
- 接入 ISPs 之间是互联的。
- 这样的结构是由 经济的和政治的政策 来推动的。服务提供商有利可图，充满了 竞争和合作 。
数百万计 Access ISPs (这里指的是 Local ISPs) 可以接入 Regional Net 来接入上一层的 ISP (Tier-3 ISP) ，也可以直接接入上一层的 ISP ，也可以通过 IXP (Internet Exchange Point) 接入上一层的 ISP。
Regional Net 也可以通过 IXP 接入 Tier-3 ISP 。
高层 ISP 面向客户网络的接入点叫做 POP (Point of Presence) ， 涉及费用结算 ，例如低层 ISP 接入多个高层 ISP —— (多宿 Multihoming) 。
Tier-3 ISPs 之间可以直接相连 (对等接入，不涉及费用结算) ，也可以通过 IXP 相连 (对等接入，不涉及费用结算) 。
类似的有 Tier-2 ISPs (区域性的) 和 Tier-1 ISPs (Global ISP) 。
内容提供商网络 (Internet Content Providers) 例如谷歌、百度，会在世界各地部署自己的 Data Centres 。有如下特征：
- DC 一般部署在 ISP 附近，需要低温 (气候) 、远离自然灾害和战争。
- 当端系统需要获取服务 (例如谷歌的地图) ，此时端系统通过访问最近的 ISP ，直接连接到 ISP 最近的 DC 。若此 DC 没有相应的服务， DC 之间可以通过专线直接向另一个 DC 索取信息。
- DC 之间的专线可以是 ICP 自己铺设的 (经常是非法的) ，也可以是 租用的 ，实现了 成本的控制 和 服务质量的提高 。
- 中国的 ICPs 通过向政府呼吁，使得李克强总理发起电信运营商通信改革—— 提速降费 (流量不清零、流量转赠…) 。
  
  这是中国特有的降低成本的形式(?)，得益于三大运营商的国有运营和政府对经济的宏观调控，通过适当对运营商利润的削减达到刺激互联网经济发展的目的，但同时保证国有企业能够盈利，又能服务于民。
  我这一代人对此深有感触，感觉一夜之间流量便宜了，还能在下个月继续使用。永远悼念这一位为民的好总理…

1.6 分组延时、丢失和吞吐量

分组延迟的四种分类：

$$
d_{nodal} = d_{proc} + d_{queue} + d_{trans} + d_{prop}
$$
- 处理延时 (Processing Delay) ：微秒数量级或者更小。检查 bit 级别差错和检查分组首部和决定将分组导向何处。
- 排队延时 (Queuing Delay) ：取决于拥塞程度。
- 传输延时 (Transmission Delay) ：存储转发的延时。
  
  $$
  d_{trans} = L (分组长度 / bits) / R (链路带宽 / bps)
  $$
- 传播延时 (Propagation Delay) ：
  $$
  d_{prop} = d (物理链路长度) / s (电磁波信号在媒体上的传播速度约等于 2*10^8 m/s)
  $$
- 类比：车队。局域网：还没传输完就已到达下一个节点；广域网：传输完了还要好久才到下一个节点。
- 流量强度 (Traffic Intensity) ：
  
  $$
  I = L (分组长度) a (分组到达队列的平均速率) / R (链路带宽)
  $$
  - (I = 0)：排队延时很小
  - (I -> 1)：延时变得很大
  - (I > 1)：排队延时趋近于无限大
  - 设计系统的流量强度不能大于1。
Internet 的延时和路由 ：使用 Traceroute 诊断程序 计算 RTT (Round Trip Time)
- TTL (Time to Live) ：在 IP 数据包的头部中。每一 跳 (Hop 段) 减一，等于0时 被丢弃 ，并发送一个 ICMP 消息 (通常是“超时”消息) 回源主机。
- ICMP (Internet Control Message Protocol) ：网络协议，主要用于发送控制消息和错误消息
- 最终访问目标主机一个 比较大的端口号 ，目标主机必定 没有应用在监听或者直接没有开放该端口 ，此时目标主机就会给源主机回一个 ICMP 端口不可达 的差错信息，源主机就知道了到目标主机的条数以及往返时间。
```
tracert hostname
```
分组丢失 (Packet Loss)
- 链路的队列 缓冲区容量有限 。
- 当分组到达一个满的队列时，该分组将会丢失。
- 丢失的分组可能会 被前一个节点 (链路是可靠的) 或 源端系统 (物理层是可靠的) 重传 ，或 根本不重传 (UDP) 。
吞吐量 (Throughput) ：传输的实际速率
- 瞬间吞吐量 (Instantaneous Throughput)
- 平均吞吐量 (Average Throughput)
  - 每个连接会公平地共享带宽。
  $$
  AT = min(R_i / n_i)
  $$
- 瓶颈链路 经常是 (R_c) (连接源主机) 和 (R_s) (连接目标主机)。

1.7 协议层次及服务模型

网络是极其复杂的系统，以 层次化 (Hierarchy) 的方式实现。
- 不同的层次实现了一个或一组功能，功能为上一层提供更好的服务。(功能是服务的超集 )
- 本层协议 (Protocol) 实体相互交互执行本层 协议动作 。
- 本层的服务 = 本层协议实体之间交互带来的新功能 + 所有下层通过接口向本层提供的服务。
服务和服务访问点：
- 服务 (Service) 低层向上层提供通信的能力。
  - 服务用户 (Service User) / 服务提供者 (Service Provider)
- 原语 (Primitive) 是上层使用下层的形式。高层使用下层服务和下层为上层提供服务都是通过访问原语交互的。
- 服务访问点 SAP (Services Access Point) 是上层使用下层服务通过层间的接口。例如 套接字 Socket API 。
服务分为 面向连接的服务 (Connection-Oriented Service) 和 无连接的服务 (Connectionless Service) 。
- 面向连接的服务 可靠、保序 (不尽然) ，需要 预留资源 。
- 无连接的服务 不可靠 (不尽然)、可能重复、可能失序 ，不需要 缓冲区的置位 。
服务是垂直的，协议是水平的。低层向高层提供通信的能力通过原语来实现。
- 协议 (Protocol) 是 对等层实体 (Peer Entity) 之间在相互通信的过程中需要遵守的规则的集合。
  - 协议的实现：本层协议的实现要靠下层提供的服务来实现。
  - 协议的目的：本层实体通过协议为上层提供更高级的服务。
数据单元 (DU) 存在于每一层中。
分层处理的特性：
- 概念化 ：结构清晰便于描述。
- 结构化 ：模块化更易于维护和升级，改变其中一层不改变其他层级。
- 缺点：效率较低。
Internet 协议栈
- 物理层 (Physical Layer) ：传输 bit。
- 数据链路层 (Data Link Layer) ：实现 点到点 (P2P) 的通信，相邻两点以 帧 (Frame) 为数据单元传输，有帧头、帧尾，可靠或不可靠。和物理层封装在网卡当中。 PPP, 802.11(wifi), Ethernet
- 网络层 (Network Layer) ：实现 端到端 (E2E) 的通信，以 分组 (Packet) (无连接方式：数据报 Datagram) 为数据单元传输，不可靠。 IP, 路由协议
- 传输层 (Transport Layer) ：实现 进程到进程 的通信，以 报文段 (Segment) (TCP段、UDP Datagram) 为数据单元传输，将不可靠变为可靠。 TCP, UDP
- 应用层 (Application Layer) 实现网络应用服务，以 报文 (Message) 为数据单元传输。 FTP, SMTP, HTTP, DNS
ISO/OSI 参考模型 (在 TCP/IP 中于应用层实现)
- 表示层 (Presentation Layer) ：关心语义不关心表达。解释传输的数据 (加密，压缩，机器相关的表示转换)。
- 会话层 (Session Layer) ：数据交换的同步、检查点、恢复。
封装 (Encapsulation) 和解封装 (Decapsulation)

1.8 历史

美国军方资助的 ARPANET -> TCP/IP (而不是ISO/OSI) -> 美国学术界 NFSNET -> Unix 免费提供 TCP/IP 的推广 -> 微软凭借垄断地位提供 IE 取代 Netscape -> 移动互联 -> 物联网

1.9 总结

协议：对等层实体通信过程中遵守的规则的集合 (语义、语法、时序)
网络边缘 (端系统+接入网) 、核心 (网络交换设备+通信链路) 、接入网络
- 网络核心：线路交换、分组交换
  - 分组交换分为虚电路和数据报 (有无连接)：丢失、四种延迟 (处理、传输、传播、排队) 、吞吐量
松散的层次结构 (ICP 的加入)、网络的网络
- 接入：无线、有线、机构、家庭
- 服务、协议、服务访问点 (SAP) 、协议数据单元 (PDU) 、服务数据单元 (SDU) 、原语
层次结构、服务模型：每个层次实现一个或者一组功能，本层协议的实现通过层间接口调用下层所提供的服务，实现本层协议的目的是通过接口向上层提供更好的服务。
互联网的历史
第一章习题 P46

USTC Computer Networking - Summaries

1.1 什么是 Internet？

1.2 网络边缘

1.3 网络核心

1.4 接入网和物理媒体

1.5 Internet 结构和 ISP

1.6 分组延时、丢失和吞吐量

1.7 协议层次及服务模型

1.8 历史

1.9 总结

2.0 应用层概述