【湖科大-计算机网络】第一章-概述
湖科大-计算机网络
Created: October 12, 2021 2:22 PM
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Topic: 网课
第一章 概述
1.2 因特网概述
1.2.1 网络、互连网（互联网）和因特网
- 网络(Network)：由节点（Node）通过链路（Link）构成。
- 互联网：多个网络通过路由器相互连接形成整体规模更大的体系结构（Network of Networks）。
- 因特网(Internet)：全球规模最大的互联网体系结构，主要用于主机(host)之间的通信与资源共享。
1.2.2 因特网发展的三个阶段
- 单一网络ARPANET延伸至互联网。
- 通过逐步建设实现了三级结构的因特网。
- 通过逐步构建实现了多层次ISP结构的因特网。
- ISP (Internet Service Provider, 因特网服务提供者)：普通网民接入互联网的过程通过ISP进行连接。该过程通常包括 ISP 从网络管理机构获取整块 IP 地址资源，并为用户提供必要的通信线路和路由器等联网设备支持。用户只需支付费用即可获得稳定的 IP 地址连接至网络。
- 中国isp主要由电信运营商(如中国电信)、中国移动和中国联通组成。
- 基于三层架构设计的互联网体系中,传输层负责数据包交换,网络层实现路径选择,会话层保障通信安全与可靠。
第一层ISP：因特网主干网，直接互联，由高速链路和交换设备，国际性区域
第二层ISP、一些大公司：是第一层ISP的用户，区域性或国家性覆盖规模
第三层ISP：本地ISP，仅有本地范围网络，用户为校园网、企业网、住宅用户等
以红线为符号表示常见因特网中两主机的通信示意。若某用户能够接入到因特网，则该用户即可成为一个ISP，通过相关设备实现与其他用户的连接（手机热点）。
1.2.3 因特网的标准化工作
特点：面向公众
- 互联网上的全部RFC技术文档都可免费获取。
- 所有人人都可以随时通过邮件发表对某个文档的意见和建议。
因特网协会ISOC是一个国际性组织，在全球范围内负责网络运行的全面管理，并推动互联网的发展。
制定因特网正式标准经过4个阶段 ：
- Internet draft (not an RFC document)
- Proposed standard (beginning to become an RFC document)
- Draft standard
- Internet standard
1.2.4 因特网的组成
- 边缘部分：由所有连接在互联网上的设备组成，这些终端用户直接使用以实现通信共享。
- 核心部分：由大规模网络集合以及连接这些集合的路由器构成，在边缘部分上承载连接与数据交换的功能。
1.3 三种交换方式
1.3.1 电路交换(Circuit Switching)
- 两部电话通过一对电线相互连接
-
当前拥有大量电话机时,任意一部与其他n-1部相连所需电话线数量为\frac{n(n-1)}{2}条
-
通过中间设备实现连接的方式被称为电话交换机技术的电路交换法
-
在电路交换中进行资源分配的过程称为交换（Switching）。其基本原理是：
- 建立连接（分配通信资源）：主叫端与被叫端建立专用物理通路
- 通话（持续占用通信资源）：占用端与端保持连续通信状态
- 释放连接（释放通信资源）：挂机后将占用的通信资源归还给电信网
-
用户端与交换机之间的线路属于用户专属领域,而多个交换机之间的中继线路则由多用户共同共享
-
电路交换传送计算机数据效率往往很低，计算机数据突发存在
-
1.3.2 分组交换(Packet Switching)
分组交换使用存储转发 技术
将整块数据分割为均匀长度的数据单元，并附加控制信息头部以形成一个个包单元
分组又称为包，分组的首部称为包头
首部含有地址：目的地址、源地址
主机的任务：用户信息处理、接收/发送数据
路由器的任务：转发分组，进行分组交换
分组交换机接收 incoming packet之后会首先将其暂存到缓存中；随后解析 packet头部信息以确定其目的地址；根据此地址查找并决定具体的转发路径；最后通过相应的output interface将 packet传递给下一个交换机
分组传输中可以存在两种情况：
- 各个数据包可以从源站到目的站经过不同的路由路径。
- 各个数据块在传输过程中可能出现随机排列的情况。
路由器处理分组的过程：放入缓存->查找转发表->转发
问题：1.在各节点需要排队，造成时延 ；2.各分组携带信息造成开销
传输距离/传输时间=时延
1.3.3 报文交换(Message Switching)
- 主要是针对初期的电报传输网络设计
- 交换节点同样采用分段转发的方式进行数据传输
- 对于报文大小不设上限，并要求交换节点具备较大的缓存容量以确保高效运行
1.3.4 三种交换的对比
- 在电路交换中, 最初需要建立连接; 而分组交换和报文交换则无需建立连接.
- 由于存储转发设备在传输过程中进行数据存储转换, 因此会产生时延.
- 由于分组数据量远低于报文规模, 在分组交换中错误率明显低于后者.
1.4 计算机网络的定义和分类
1.4.1 计算机网络定义
最简单定义：一些互相连接 的自治 的计算机的集合 *
互连：计算机之间可通过有线或无线的方式进行数据通信
集合：指至少需要两台计算机
自治：拥有自己的硬件和软件，独立的计算机，可以单独运行使用
注意：下图中不属于计算机网络体系结构。由于终端机仅能完成显示信息与用户的交互以及数据输入操作，并不具备自主决策能力及资源管理功能（即缺乏自治性），由此可知该系统是一个基于分时计算的大型主机系统架构
较好的定义：计算机网络是由一系列通用且可编程的硬件设备互联组成的系统，并非仅用于实现特定功能（例如传递数据或视频信号）。这些硬件设备不仅能够传输不同类型的媒体数据（如文本、图像、音频等），还能支持广泛且不断增加的各种应用场景。
- 具备广泛适用性的程序化设计硬件：这些硬件不仅不限于传统计算机领域,还涵盖了智能手机、平板电脑等多种设备
- 适用于范围广且快速发展的应用场景：这些技术能够适应未来可能出现的各种应用场景
1.4.2 计算机网络分类
- 按交换技术分类 * 电路交换网络
- 报文交换网络
- 分组交换网络
根据使用需求划分：
公共网络由电信公司斥资建设大规模通信系统；
专用通信网络则由某个部门为特定单位搭建。
-
按传输介质分类 * 有线网络：双绞线网络、光纤网络等
- 无线网络：Wi-Fi
-
按覆盖范围分类 * 广域网WAN：覆盖几十至几千公里，因特网核心，为核心路由器提供远距离高速连接，互连分布在不同区域的城域网和局域网
- 城域网MAN：覆盖一个城市，5-50公里，城市骨干网，互连企业、机构、校园局域网
- 局域网LAN：局限在较小范围内，1公里左右，速度通常在10Mbit/s以上，用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，由单位单独拥有使用维护，一个学校或企业拥有多个互连的局域网，成为校园网或企业网
- 个域网PAN：覆盖范围10m，个人局域网，用于在个人工作的地方把个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络
-
按拓扑结构分类 *
总线型网络
设计一个简便的网络架构，在支持快速增删节点操作的同时减少不必要的线路连接。
在高负载情况下通信效率显著下降，并且任何单个节点故障会导致整个网络瘫痪。
星型网络
中央设备的演变经历了计算机、集线器、交换机直至路由器的发展阶段。它有助于实现网络的集中统一管理。然而该系统结构存在成本较高且对系统故障较为敏感的特点
环形网络
- 令牌环局域网：单环/双环，环中信号单向传输
网状型网络
- 任意一个节点都具备多于两条的连接途径与其它节点相连接
- 系统稳定性好且抗干扰能力强
- 设计上具有较高的复杂度
- 布线成本高昂
1.5 计算机网络的性能指标
- 性能指标从不同方面度量计算机网络性能
1.5.1 速率
-
比特是计算机数据和信息论中的基本单位
- 常用数据量单位 ：Byte（简写为B）
- 8个bit等于1个B
- KB等于2^{10}个B
- MB等于2^{20}个B
- GB等于2^{30}个B
- TB等于2^{40}个B
- 常用数据量单位 ：Byte（简写为B）
-
传输速率 ：主机通过数字信道传输比特的速度即为传输速率 ，通常也被称作传输速度
-
常用数据率单位 * bit每秒（bps） * 千比特每秒等于千分之一兆比特每秒（kbps=Kbps） * 兆比特每秒等于百万分之一吉比特每秒（Mbps=Mbps）
- Gb=s=甘拨速=十亿分之一太伯特每秒
- Tb=s=太拨速=万亿分之一太伯特每秒
1.5.2 带宽
- 模拟信号系统的带宽作用是什么？
- 该 信 号 由 多 种 不 同 频 率 成 分 组 成 ； 这些 成 分 所 占 据 的 频 率 范 围 即 为 该 信 号 的 带 宽。
- 单位为赫兹（千赫兹、兆赫兹、吉赫兹）。
在计算机网络领域中，BW扮演着重要角色。
BW用于衡量网络通信线路传输数据的能力。
其中BW代表的是"最高数据传输速率"（Maximum Bit Rate），其单位为bit/秒（bit per second），具体可表示为kbps（千比特每秒）、Mbps（兆比特每秒）、Gbps（千兆比特每秒）、Tbps（太比特每秒）。
- 一条通信线路的频带宽度越宽，其所传输数据的最高数据率也越高
1.5.3 吞吐量
- 在特定时间段内通过某一通信渠道所传输的数据总量即为吞吐量
- 被广泛应用于评估现实世界中实际网络运行情况时常用的一种指标
- 该指标主要受限于带宽或最大传输能力（例如在带宽为1Gb/s的局域网中实际能传输的数据总量约为700Mb/s）
1.5.4 时延
时延的产生和构成
发送时延 ：源主机将分组发往传输线路
* 计算公式：发送时延=\frac{分组长度(b)}{发送速率(b/s)}
设备与传输介质的速率匹配，才能完全发挥传输性能
传播时延 ：代表分组的电信号在链路上传输
* 计算公式：传播时延=\frac{信道长度(m)}{电磁波传播速率(m/s)}
- 电磁波的传播速度：
- 在自由空间中运行的速度为 3 \times 10^8 \space m/s
- 铜导线的传播速度为 2.3 \times 10^8 \space m/s
- 光纤通信系统的传播速度达到 2.0 \times 10^8 \space m/s
处理时延 ：路由器存储转发（一般不方便计算）
在处理时延忽略不计时，发送时延和传播时延受实际问题影响
1.5.5 时延带宽积
- 在传播延迟这一段时间内形成的累积效应被称为"时间乘带宽"
- 计算公式： 时间乘带宽 = 传播延迟(s) × 数据传输速率(b/s_)
- 时间乘带宽可将其比作长度为传播延迟、横截面积等于数据传输速率的管道体积，并且该管道内装满比特信息
- 假设数据源持续不断地发射数据流量，在第一个比特即将抵达接收端的时候（即第一个比特到达），此时系统已经累计发射了等同于时间乘带宽数量的数据量
- 链路的时间乘带宽也可被视为该网络设备传输能力的表现形式
1.5.6 往返时间
普遍存在的情况是，在互联网上的数据流通常以双向交互的形式进行交换；我们有时需要了解所需的时间长度。
往返时间RTT(Round-Trip-Time)是指从源主机发送数据包开始，在经过一系列通信过程后，在源主机等待接收确认包所需的时间长度。这个定义确保了信息传递的完整性和及时性。
时延在卫星链路中耗时较多，因为卫星的链路较长，传播时延比较大
1.5.7 利用率
信道利用率 ：表示信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）
网络利用率 ：全网络的信道利用率加权平均
基于排队论原理可知，在某信道的信道利用率提升至某一阈值之前时延会急剧增加
若定义为\small D_0表示网络空闲时的时延，并记作\small *D*表示网络当前时延，则基于合理假设前提下，\small *D*与\small *D_0*及利用率\small *U*之间满足以下关系式
D=\frac{D_0}{1-U}
1.5.8 丢包率
丢包速率被定义为分组丢失率，在传输过程中每段时间内发生丢包事件时所失去的数据包数量与总数据包数之间的比例关系
可分为接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等
网络运维人员十分关心丢包率
分组丢失主要分两种情况：
- 数据包在传输过程中发生误码现象会被结点舍去
- 当数据包进入一个存储队列已达到饱和状态的交换机时会被舍去更多通信量可能导致网络拥塞 并且当输入缓存未满时路由器会主动丢掉一些数据包
丢包率反映网络拥塞情况
1.6 计算机网络体系结构
1.6.1 常见的计算机网络体系结构
- OSI体系结构 （开放系统互连参考模型）
七层体系结构
从下往上为：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层
失败原因：由于专家在实际操作中缺乏经验以及对商业目标的热情不足、实施过程过于复杂导致效率低下、规划所需时间过长以及层级划分不够科学
- TCP/IP体系结构 *
四层体系结构
从下往上为：网络接口层、网际层、运输层、应用层 *
将OSI体系结构中的物理层与数据链路 layer整合为网络接口 layer，并省略表示 layer即 Presentation layer (PL) 和会话 layer即 Session layer (SL)
接入因特网的主机必须支持TCP/IP协议
用户主机操作系统中通常配置有遵循TCP/IP体系结构标准的TCP/IP协议族，在网络互连的路由器中同样配置有之，并且后者仅包括网络接口层和网际层
未作具体规定的内容仍可实现 worldwide different network interfaces, such as Ethernet and Wi-Fi.
IP协议实现了不同网络接口之间的互联，并为此类接口提供了相应的网络连接支持。基于这一基础之上，TCP protocol依据其功能特点为基础层与上层 protocols构建了可靠的数据传输通道。相反，在同样的网络连接支持下，UDP protocol则仅负责将数据按端到端顺序传递而不承担数据可靠性保证的任务。
IP协议如何实现不同网络接口之间的互联？此外，IP协议还可以为众多网络应用提供相应的服务
- 理论体系结构 * 结合OSI模型与TCP/IP协议的优点
- 是基于以下层次结构：
- 物理层
- 数据链路层
- 网络层
- 运输层
- 应用层
1.6.2 计算机网络体系结构分层的必要性
两台主机通过网线连接情况下需要考虑的问题：
主机通过总线互连构成总线型网络需要考虑的问题：
多个网络互连需要考虑的问题：
对于计算机网络应用需要考虑的问题：
原理体系结构中各分层解决问题：
1.6.3 计算机网络体系结构分层思想举例
1.6.4 计算机网络体系结构中的专用术语
实体 *
实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程 *
在通信系统中存在一组等同层次的实体，在该层级上包括与通信相关的网络设备实例以及运行于该层的应用程序实例
协议 *
协议体系规范了两个对等实体的数据传输过程中的信息交互机制，并且由于假设有方便的研究需求而被设定为理论基础
协议的三要素：语法、语义、同步 *
语法 ：定义所交换信息的格式 *
例：IP数据报格式
语义定义为：收发双方所应完成的具体功能。例如：设备向远程Web服务器发起访问请求时会生成相应的HTTP GET请求数组数据。Web服务器接收到该请求数组数据后会进行解析处理，在本地系统中查询相关信息以获取所需的数据。随后会将这些信息封装成响应数据并返回给客户端设备。当客户端设备接收到该响应数据后会调用内联服务模块完成相应逻辑处理并将其结果传递给Web界面组件使其能够显示最终结果。
同步 ：定义收发双发的时序关系 （注意区分时钟频率同步）
例：TCP三次握手建立连接
服务 *
基于协议机制，在双方通过逻辑通信建立连接的情况下，则能实现对上一层的支持。
协议 是水平 的，服务 是垂直 的
该系统中各层之间的通信具有良好的透明度特性：下层服务能够被上层实体观察到，并提供相应的功能服务；然而上层实体无法获取下层服务的具体实现细节（如使用的协议版本或具体的编码实现），因此这些协议对于上层实体来说具有完全透明度的特点
服务访问点 ：同一系统中不同层次之间的实体传递信息所需的逻辑接口 * 数据链路层通过帧中的'类型'字段来标识传输的数据类型
- 网络层通过IP数据报中的'传输协议字段'来标识通信方式
- 运输层则采用'端口号'作为标识通信连接的方式
服务原语：上层利用下层提供的服务需要与下层进行交互以交换一些命令 ，这些命令被称为服务原语。
协议数据单元PDU即为在对等层间传输的分组体；被定义为该层的协议数据实体。
- Physical layer: binary signal
- Link layer: packet
- Network layer: IP datagram or data frames (data frames or packets)
- Transport layer: TCP segments or UDP datagrams
- Application layer: messages
服务数据单元（SDU）：在同一系统中，不同层级之间传递的数据包被称为服务数据单元（SDU）。
多个SDU可以合称为一个PDU，一个SDU也可以划分为几个PDU
1.7 本章小结
该视频可以通过嵌入
计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）
1.8 第一章习题课
1.8.1 体系结构相关习题
1.8.2 时延相关习题
发送时延：分组长度/发送速率
传播时延：信道长度/电磁波传播速率
当主机在一条链路上连续发送数据包时，则其总的延迟包括每个数据包的传输时间以及信号在其介质上传播的时间之和
重要结论：
注：p/b代表每个数据包的发送延迟（latency），x/p表示数据包的数量（number of packets），k代表链路的数量（number of links），(k−1)表示每个节点需要转发的数据包数量（forwarding count），而kd则指在k条链路上实现传播所需的时间延迟（propagation delay）
