计网复习-第一章

第一章复习大纲

  • 计算机网络的定义
  • 协议的定义和基本要素
  • Internet的构成描述:
    • 具体构成:边缘(端系统,包括软件和硬件)、核心、接入网络和物理介质
    • 网络交换方式:电路和分组
    • 电路:时分和频分
    • 分组:数据报和虚电路
  • 分组交换网络中的延迟及其计算
  • TCP/IP的分层模型,各层PDU的名称和功能

以下来自gpt:

计算机网络的定义

计算机网络是由多个计算机系统通过通信介质互联而成的系统,这些计算机系统可以共享资源和信息。网络允许数据在设备之间传输,以实现数据交换、资源共享、分布式处理等功能。

协议的定义和基本要素

协议是网络通信中一套规则和约定,用于规范数据交换的格式、时序、控制和错误处理。协议确保不同设备和系统之间能够进行有效的通信。

基本要素

  1. 语法(Syntax):数据的格式和结构,例如数据包的格式和字段的定义。
  2. 语义(Semantics):数据的意义和解释,例如各个字段的含义和作用。
  3. 时序(Timing):数据传输的顺序和时间关系,例如同步方式、数据传输速率、重传机制等。

Internet的构成描述

具体构成

  • 边缘部分(端系统)

  • 包括用户设备(如计算机、智能手机、服务器等)以及运行在这些设备上的应用软件(如浏览器、邮件客户端等)。

  • 端系统通过接入网络连接到互联网。

  • 核心部分

  • 主要由路由器和交换机构成,负责数据包的高效传输和路由选择。

  • 接入网络

  • 提供用户设备接入互联网的手段,包括家庭宽带、移动网络、企业局域网等。

  • 物理介质

  • 传输数据的物理通道,如光纤、电缆、无线电波等。

网络交换方式

  1. 电路交换:在通信开始前建立一个固定的路径(电路),整个通信过程使用这条路径。适用于语音通信等实时应用。
  • 时分复用(TDM):通过时间片分配,使多个信号在同一通道上传输。
  • 频分复用(FDM):通过分配不同的频段,使多个信号在同一通道上传输。
  1. 分组交换:将数据分割成小包(数据包),每个包独立传输,通过不同路径到达目的地,再重新组装。适用于数据通信。
  • 数据报:每个数据包独立传输,不需要建立固定路径。
  • 虚电路:在传输前建立一个逻辑路径,每个数据包按照这个路径传输。

分组交换网络中的延迟及其计算

分组交换网络中的主要延迟包括:

  1. 处理延迟:路由器或交换机处理数据包的时间。
  2. 排队延迟:数据包在路由器或交换机队列中等待处理的时间。
  3. 传输延迟 :数据包在链路上传输所需的时间,计算公式为: 传输延迟 = 数据包大小 链路带宽 \text{传输延迟} = \frac{\text{数据包大小}}{\text{链路带宽}} 传输延迟=链路带宽数据包大小
  4. 传播延迟 :信号在物理介质中传播所需的时间,计算公式为: 传播延迟 = 链路长度 信号传播速度 \text{传播延迟} = \frac{\text{链路长度}}{\text{信号传播速度}} 传播延迟=信号传播速度链路长度

TCP/IP的分层模型,各层PDU的名称和功能

TCP/IP 模型由四层组成,每层对应的 PDU(协议数据单元)名称和功能如下:

  1. 应用层
  • PDU:消息(Message)
  • 功能:提供应用程序之间的通信,常见协议有HTTP、SMTP、FTP等。
  1. 传输层
  • PDU:段(Segment)或数据报(Datagram)
  • 功能:提供端到端通信和可靠性,常见协议有TCP(提供可靠传输)和UDP(提供不可靠传输)。
  1. 网络层
  • PDU:分组(Packet)
  • 功能:负责数据包的路由和转发,提供逻辑地址,常见协议有IP(IPv4和IPv6)。
  1. 链路层
  • PDU:帧(Frame)
  • 功能:负责数据帧的传输和物理地址寻址,常见协议有以太网、Wi-Fi等。
  1. 物理层
  • PDU:比特(Bit)
  • 功能:负责数据的物理传输,包括信号的编码和传输介质的管理。

通过这四层模型,TCP/IP 实现了从应用到物理传输的完整通信过程,每一层都为上层提供了特定的服务和功能。

1.2 什么是Internet?

  • 计算机网络:两台以上具有独立OS的计算机通过某些介质连接成的相互共享软硬件资源的集合体。(向用户提供的最重要功能:连通性+共享)

  • 协议:控制 发送&接收 消息。 // TCP, IP, HTTP, FTP, SMTP

    • 定义了两个or多个通信实体间所交换报文的格式、次序,以及在报文发送、接收或其他时间方面锁采取的行动(响应)。

      Internet 所有的通信活动都由协议掌控

    • 协议的基本要素:语法、语义、同步(时序)

  • Internet 标准:

    • IETF(Internet Engineering Task Force)

      RFC(Request for comments),所有的因特网标准都以RFC的形式在因特网上发表。

1.3 网络边缘部分

  • 网络结构:

    • 网络边缘:

      • 主机:客户机和服务器
      • 服务器一般位于数据中心内
    • 接入网络,物理介质:

      • 有线通信链路
      • 无线通信链路
    • 网络核心:

      • 互联的路由器
      • 网络组成的网络
  • 端系统、客户和服务器:

    • 端系统(主机):
      • 运行网络应用程序
      • 处在网络的边缘
    • C/S 模型
      • 客户请求,并接收服务器提供的服务
    • 端对端模型(peer-peer model, p2p)
      • 极少或不采用服务器
  • 接入网络:如何将终端系统连接到网络边缘的路由器?

    • 家庭接入

      • 点对点:慢,不能同时打电话和上网

      • cable modems(线缆调制解调器)

复制代码
- FTTH(Fiber To The Home):光纤到户。
  • 企业接入

    • LAN(local area networks),公司/大学局域网连接 端系统 到 边缘路由器。
  • WIFI 无线接入网络:共享的无线接入网络 连接端系统到边缘服务器(通过基站)

  • 广域无线接入网络(wide-area wireless access)

  • 家庭网络:


  • 物理介质:

    • 物理链路:在发送方和接收方之间,传播位(bit)信号

    • 导引型媒体:信号在固态介质中邮箱传播(光纤、双绞线、同轴电缆)

  • 非导引型媒体:信号在大气空间or外太空空间自由传播(无线电)

  • 端系统上的因特网服务

    • 面向连接的服务:(目的)在端系统之间传送数据

      • 握手:客户和服务器事先进入戒备状态,为接下来的分组交换做好准备。

      • TCP(Transmission Control Protocol)

        • 可靠、顺序、字节流传输(丢失?确认和重传)
        • 流量控制:发送者不至于淹没接收者
        • 拥塞控制:当网络拥塞时发送者降低发送速率

        HTTP(Web),FTP(File Transfer),Telnet(remote login),SMTP(emali)

    • 无连接服务:(目的)在端系统之间传送数据

      • 特点:

        • 不可靠数据传输
        • 无流量控制
        • 无拥塞控制
      • UDP(User Datagram Protocol)

        流媒体,视频会议,DNS,Internet电话

1.4 网络核心部分

​ 如何在 相互连接的路由器构成的网络中传输数据?------基本原理:电路交换、分组交换

  • 电路交换:每次会话预留沿其路径(线路)所需的独占资源。例如:电话网。

    • 网络资源(如带宽)被分片。

    • 多路复用(Multiple Access)

      • 分片分配到会话

      • 分片没有被会话使用的情况下,分片空载(不共享)

      • 电路级性能(有保证)

      • 要求呼叫建立------建立一个专门的 端到端 线路(即 每个链路上预留一个线路)

      • 链路带宽分片:频分(frequency division,分成频段)和 时分(time division,分成时隙,如1s平分给10个用户)
  • 分组交换:数据以离散的数据块通过网络来发送。

    • 每个端到端的数据流被划分成分组

      • 所有分组共享网络资源
      • 每个分组使用全部链路带宽
      • 资源按需使用
    • 统计复用:

  • 资源竞争:

    • 资源需求总量可以大于可获得资源的总量

    • 拥塞?采用分组队列,等待使用链路

    • 存储转发:分组每次转发1站

      • 在一个链路上传输

      • 每经过一个链路转发一次

      • 转发分组前,要求收到完整分组

  • 比较分组交换和电路交换:

    假设:

    用户共享1Mbps的链路,每个用户活动期传输率100%且只有10%的时间活动。

    那么,对于电路交换------最多允许10个用户使用网络

    ​ 分组交换------如果有35个用户,那么有10个以上活动用户的概率小于0.0004(泊松分布)

  • 分组交换的

    • 优点:适合大量的突发数据传输
      • 资源共享
      • 简单,不需要建立连接
    • 缺点:过度竞争导致分组延迟与竞争
      • 需要可靠的数据传输、拥塞 控制协议
    • 问题:如何提供电路级的性能?
      • 音视频的网络应用需要带宽保障
      • 仍未解决
    • 分类:
      • 数据报网络:TCP/IP
        • 分组目的地址决定下一跳
        • 会话期间路由可以改变
        • 可以理解为"开车逐段问路"
      • 虚电路网络:X.25,FR,ATM
        • 每个分组有1个标签(虚电路号,Virtual circuit ID),标签决定下一跳
        • 连接建立时确定固定的路径,并且将保持于整个会话期间
        • 路由器必须为每个连接维护状态信息

1.5 Internet 主干/ISP的结构组成

  • Internet 结构组成:网络的网络

    • 松散分层,由众多网络构成的网络。

      • 核心主干------第一层 ISPs(Internet Service Providers),即国家级/国际级ISP(National Backbone Provider)。

      覆盖国际区域的ISP彼此对等,直接互联 or 通过因特网交换点(Internet Exchange Point,IXP)互联。

    • 第二层ISP(区域级ISP),连接到1个或多个tier-1 ISPs,也可能连接到其他tier-2 ISPs
    • Tier-3 ISPs and local ISPs,最后的接入网络(最接近端系统)
    • 结构组成与分组传送

      • 一个分组可能要穿越很多网络

1.6 分组交换网络中的延迟、丢失和吞吐量

  • 分组丢失和延迟是如何产生的?

    • 路由器分组缓冲区队列:

      • 分组到达输出链路的速率超过输出链路的容量,产生延迟甚至丢失

      • 分组在缓冲区队列排队,按序等待

  • 分组延迟的四种类型:

    • 节点处理时延:检查错误位、选择输出链路、高速路由器处理延迟
    • 排队时延:等待被发送到输出链路上的时间(取决于路由器的拥塞程度)
    • 传输时延:=分组长度/链路带宽,即L/R
    • 传播时延:=物理链路的长度/介质的信号传播速度(约2/3光速),即d/s
  • 数据一:

  • 小车速度100km/h,收费站12s服务1辆车(小车 → \rarr →bit,车队 → \rarr →packet)

  • 则整个车队到达第2个收费站的时间为 100 k m 100 k m / h + 12 s / u n i t × 10 u n i t = 62 m i n \frac{100km}{100km/h}+12s/unit\times 10unit=62min 100km/h100km+12s/unit×10unit=62min

  • 数据二:

  • 小车速度1000km/h,收费站60s服务1辆车(小车 → \rarr →bit,车队 → \rarr →packet)

  • 6+1=7min后,第一辆小车到达第二个收费站,还有3辆小车在第一个收费站

    • 此时,分组在被第一个路由器发送完以前,分组的第一个位可以传播到第二个路由器
  • 总的节点延迟:

    d n o d a l = d p r o c + d q u e u e + d t r a n s + d p r o p d_{nodal}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop} dnodal=dproc+dqueue+dtrans+dprop

    其中:

    • d p r o c d_{proc} dproc = 节点处理时延(nodal processing delay),典型几微秒
    • d q u e u e d_{queue} dqueue = 排队时延(queuing delay),取决于路由器的拥塞程度
    • d t r a n s d_{trans} dtrans = 传输时延(transmission delay )= L/R,低带宽链路中比较显著
    • d p r o p d_{prop} dprop = 传播时延(propagation delay)= d/s,几微秒到数百毫秒(对于卫星通信很显著)
  • 排队时延详解:

    • R=链路带宽(bps),L=分组长度(bits),a=平均到达率

    • 流量强度 traffic intensity = La/R

  • 分组丢失:

    • 由于路由器输入链路和输出链路的缓冲区容量有限,
      1. 当分组到达路由器输入链路发现缓冲区已满;
      2. 当分组在路由器内部要转发到输出链路时发现输出缓冲区队列已满,则路由器只好丢弃分组。
    • 丢失的分组可能被前路由节点、源节点重传,或者直接不重传
    • 丢包率 or 分组丢失率
  • 网络吞吐量:单位时间内整个网络传输数据的速率or分组数(单位:bps 或 data packets per second)

    吞吐量:接收端接收到数据的比特速率(bps)

    实际情境中:

  • 例题:


复制代码
>- 可以看作矩阵,行表示一条路径,列表示链路
>- 第一问:所有行最小值中的max
>- 第二问:每一列取min,求sum

1.7 协议层及其服务模型

  • ISO/OSI 七层参考模型:

    层号 层的名称 层的英文名称 层的英文缩写
    7 应用层 Application A
    6 表示层 Presentation P
    5 会话层 Session S
    4 传输层 Transport T
    3 网络层 Network N
    2 数据链路层 Data Link DL
    1 物理层 Physical PL
  • TCP/IP 参考模型:

  • 网际协议栈(如上图右表)

    • 应用层:支持网络应用,报文发送。------message
      • FTP,SMTP,STTP
    • 传输层:主机进程间数据段传送。------segment/message/datagram
      • TCP,UDP
    • 网络层:主机(源目标节点)间分组传送。------packet
      • IP协议,路由协议
    • 链路层:相邻网络节点间的数据帧传送。------frame
      • PPP,Ethernet
    • 物理层:物理介质上的比特传送。------bit
  • 分层------逻辑通信

    • 各层:

      • 分布式

      • 在各节点的网络实体实现了各层的功能------主机实现 5 层功能,路由器和交换机实现 2-3 层功能。

      • 网络实体 完成功能动作,对等实体交换信息。

        • 实体:定义自身功能的硬/软件的集合
        • 对等实体:两台计算机上同一层所属的程序、进程或实体称为该层的对等程序、对等进程或对等实体。
    • 例子:

  • 分层------物理通信:

  • 协议分层与数据:各层 发方从上层到下层,**收方从下层到上层 **传递数据

    • 发方添加头部信息创建新的数据单元,收方去掉头部

    • 传递新的数据单元到下层/上层

    • 各层传送不同的协议数据单元PDU

    从上往下------加头(由网络协议栈完成)

    从下往上------去头

    • switch:交换机
    • router:路由器

1.8 攻击威胁下的网络

  • 植入恶意软件
  • 攻击服务器和网络基础设施
  • 嗅探分组(延展:wireshark抓包)
  • 伪装(IP哄骗),采用端点鉴别机制解决
  • 修改or删除报文

第一章小结

  • 计算机网络和Internet发展史
  • 什么是Internet、Protocol?
  • 网络边缘部分、核心部分、接入网络及其物理介质
  • 分组交换与电路交换
  • Internet主干/ISP组成结构
  • 分组交换网络的性能:延迟与丢失
  • 协议层及其服务模型
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