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。

2. 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。

2. 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）。

3. 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）。

4. 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。

5. 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）

- 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：

>- 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