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1.1 什么是Internet?

从具体构成角度

• 节点
  
  主机及其上运行的应用程序
  
  路由器、交换机等网络交换设备
• 边
  
  接入网链路：主机连接到互联网的链路
  
  主干链路：路由器间的链路
• 协议：控制发送、接收消息
  
  如TCP、IP、HTTP、FTP、 PPP

协议（protocol）定义了在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/或接收一条报文或其他事件所采取的动作

• 数以亿及的，互联的计算设备
  
  主机 = 端系统
  
  运行网络应用程序
• 通信链路
  
  光纤、同轴电缆、无线电、卫星
  
  传输速率 = 带宽（bps）
• 分组交换设备：
  
  转发分组
  
  (packets)
  
  路由器和交换机
• Internet：“网络的网络”
  
  松散的层次结构，互连的ISP
  
  公共Internet vs. 专用intranet
• Internet标准
  
  RFC: Request for comments
  
  IETF: Internet Engineering
  
  Task Force
  
  
  
  

1.2 网络边缘

• 端系统（主机）：
  
  运行应用程序
  
  如Web、email在 “网络的边缘”
• 客户/服务器模式
  
  客户端向服务器请求、接收服务
  
  如Web浏览器/服务器；
  
  email客户端/服务器
• 对等（peer-peer ）模式
  
  很少（甚至没有）专门的服务器
  
  如 Gnutella、KaZaA、Emule

网络边缘：采用网络设施的面向连接服务

目标:在端系统之间传输数据

• 握手:在数据传输之前做好准备
  
  人类协议:你好，你好
  
  两个通信主机之间为连接建立状态
• TCP-传输控制协议(Transmission Control Protocol)
  
  Internet 上面面向连接的服务

TCP服务[RFC 793]

• 可靠的,按顺序的传送数据
  
  确认和重传
• 流量控制
  
  发送方不会淹没接收方
• 拥塞控制
  
  当网络拥塞时，发送方减低发送速率

网络边缘：采用网络设施的面向连接服务

目标:在端系统之间传输数据

无连接服务

• UDP-用户数据报协议(User Datagram Protocol)[RFC 768]
• 无连接
• 不可靠数据传输
• 无流量控制
• 无拥塞控制

使用TCP的应用: HTTP(Web) FTP(文件传送)，Telnet(远程登录)，SMTP(email).

使用UDP的应用: 流媒体，远程会议，DNS，Internet电话

1.3 网络核心

网络核心:路由器的网状网络

基本问题:数据怎样通过网络进行传输?

• 电路交换：为每个呼叫预留一条专用电路：如电话网
• 分组交换：
  
  将要传送的数据分成一个个单位分组
  
  将分组从一个路由器传送到相邻路由器(hop),一段段最近从源端传到目标端
  
  每段：采用链路的最大传输能力(带宽)

网络核心:电路交换

端到端的资源被分配给从源端到目标端的呼叫”call”:

• 图中，每段链路有4条线路：
  
  该呼叫采用了上面链路的第2个线路，右边链路的第1个线路（piece）
• 独享资源：不同享
  
  每个呼叫一旦建立起来就能够保证性能
• 如果呼叫没有数据发送，被分配的资源就会被浪费 (no sharing)
• 通常被传统电话网络采用
  
  
  为呼叫预留端-端资源
  
• 链路带宽、交换能力
• 专用资源：不共享
• 保证性能
• 要求建立呼叫连接
  
  
  网络资源（如带宽）被分成片
  
• 为呼叫分配片
• 如果某个呼叫没有数据，
  
  则其资源片处于空闲状态(不共享）
  
  将带宽分成片
• 频分(Frequencydivision multiplexing)
• 时分(Time-divisionmultiplexing)
• 波分(Wave-divisionmultiplexing)
  
  

计算举例

在一个电路交换网络上，从主机A到主机B发送一个640,000比特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
  
  
  每条链路的速率（一个时间片）：1.536Mbps/24 = 64kbps
  
  传输时间：640kb/64kps = 10s
  
  共用时间：传输时间+建立链路时间=10s + 500ms = 10.5s
  

电路交换不适合计算机之间的通信

• 连接建立时间长
• 计算机之间的通信有突发性，如果使用线路交换，则浪费的片较多
• 即使这个呼叫没有数据传递，其所占据的片也不能够被别的呼叫使用
• 可靠性不高？

网络核心:分组交换

以分组为单位存储-转发方式

• 网络带宽资源不再分分为一个个片，传输时使用全部带宽
• 主机之间传输的数据被分为一个个分组
  
  
  资源共享，按需使用：
  
• 存储-转发：分组每次移动一跳（ hop ）
  
  在转发之前，节点必须收到整个分组
  
  延迟比线路交换要大
  
  排队时间

分组交换：存储-转发

• 被传输到下一个链路之前，整个分组必须到达路由器：存储-转发
• 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
  
  
  Example:
  
• L = 7.5 Mbits
• R = 1.5 Mbps
• 3次存储转发的延时= 15 s

分组交换: 排队延迟和丢失

排队和延迟：


如果到达速率>链路的输出速率:

• 分组将会排队，等待传输
• 如果路由器的缓存用完了，分组将会被抛弃

网络核心的关键功能

路由

：决定分组采用的源到目标的路径

路由算法


转发

：将分组从路由器的输入链路转移到输出链路

分组交换：统计多路复用

A&B 时分复用 链路资源

A & B 分组没有固定的模式 ->

统计多路复用

分组交换 vs. 电路交换

• 同样的网络资源，分组交换允许更多用户使用网络！

分组交换是“突发数据的胜利者？”

• 适合于对突发式数据传输
  
  资源共享
  
  简单，不必建立呼叫
• 过度使用会造成网络拥塞：分组延时和丢失
• 对可靠地数据传输需要协议来约束：拥塞控制
• Q: 怎样提供类似电路交换的服务？
  
  保证音频/视频应用需要的带宽
  
  一个仍未解决的问题(chapter 7)

Q: 预约服务（线路交换）对比按需服务（分组交换）的例子?

分组交换网络：存储-转发

• 分组交换: 分组的存储转发一段一段从源端传到目标端，按照有无网络层的连接，分成：

1. 数据报网络：

• 分组的目标地址决定下一跳
• 在不同的阶段，路由可以改变
• 类似：问路
• Internent

2. 虚电路网络：

• 每个分组都带标签（虚电路标识 VC ID），标签决定下一跳
• 在呼叫建立时决定路径，在整个呼叫中路径保持不变
• 路由器维持每个呼叫的状态信息
• X.25 和ATM

数据报(datagram) 的工作原理

 在通信之前,无须建立起一个连接,有数据就传输

 每一个分组都独立路由(路径不一样,可能会失序)

 路由器根据分组的目标地址进行路由

网络分类

1.4 Internet结构和ISP

互联网结构:网络的网络

• 端系统通过接入ISPs (Internet Service Providers)连接到互联网
  
  住宅，公司和大学的ISPs
• 接入ISPs相应的必须是互联的
  
  因此任何2个端系统可相互发送分组到对方
• 导致的“网络的网络”非常复杂
  
  发展和演化是通过经济的和国家的政策来驱动的
• 让我们采用渐进方法来描述当前互联网的结构

问题来了:

给定数百万接入ISPs，如何将它们互联到一起

• 选项: 将每个接入ISP都连接到全局ISP（全局范围内覆盖）？客户ISPs和提供者ISPs有经济合约

• 但是，如果全局ISP是可行的业务，那会有竞争者有利可图，一定会有竞争
  
  
  竞争
  
  ：但如果全局ISP是有利可为的业务，那会有竞争者
  
  
  合作
  
  ：通过ISP之间的合作可以完成业务的扩展，肯定会有互联，对等互联的结算关系

• 然后业务会细分（全球接入和区域接入），区域网络将出
  
  现，用与将接入ISPs连接到全局ISPs

• 然 后 内 容 提 供 商 网 络 (Internet Content Providers,e.g., Google,
  
  Microsoft, Akamai) 可能会构建它们自己的网络，将它们的服务、内容更
  
  加靠近端用户，向用户提供更好的服务,减少自己的运营支出
  
  

 在网络的最中心，一些为数不多的充分连接的大范围网络（分布广、节点有限、但是之间有着多重连接）

• “tier-1” commercial ISPs (e.g., Level 3, Sprint, AT&T, NTT), 国家或者国际范围的覆盖
• content provider network (e.g., Google): 将它们的数据中心接入ISP，方便周边用户的访问；通常私有网络之间用专网绕过第一层ISP和区域ISP

很多内容提供商(如：Google, Akamai )可能会部署自己的网络,连接自己的在各地的DC（数据中心），走自己的数据

连接若干local ISP和各级（包括一层）ISP,更加靠近用户

Internet结构：network of networks

• 中心：第一层ISP（如UUNet, BBN/Genuity, Sprint,AT&T）国家/国际覆盖，速率极高
  
  直接与其他第一层ISP相连
  
  与大量的第二层ISP和其他客户网络相连

• 第二层ISP: 更小些的 (通常是区域性的) ISP
  
  与一个或多个第一层ISPs，也可能与其他第二层ISP

• 第三层ISP与其他本地ISP
  
  接入网 (与端系统最近)
  
  一个分组要经过很多很多的网络
  
  

• POP: 高层ISP面向客户网络的接入点，涉及费用结算  如一个低层ISP接入多个高层ISP，多宿（multi home）

• 对等接入：2个ISP对等互接，不涉及费用结算

• IXP：多个对等ISP互联互通之处，通常不涉及费用结算  对等接入

• ICP自己部署专用网络，同时和各级ISP连接
  
  

1.5 分组延迟，丢失和吞吐量

分组丢失和延时是怎样发生的？

在路由器缓冲器的分组队列

• 分组到达链路的速率超过了链路的能力
• 分组等待排到头，被传输
  
  

四种分组延时

1.节点处理延时：

• 检查bit级错误
• 检查分组首部和决定将分组导向何处

2. 排队延迟

• 在输出链路上等待传输的时间
• 依赖于路由器的拥塞成都

3. 传输延时:

• R=链路带宽(bps)
• L=分组长度(bits)
• 将分组发送到链路上的时间= L/R
• 存储转发延时

4. 传播延时:

• d = 物理链路的长度
• s = 在媒体上的传播速度(~2×108 m/sec)
• 传播延时 = d/s

分组丢失

• 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或源端系统重传，或根本不重传

吞吐量

吞吐量: 在源端和目标端之间传输的速率（数据量/单位时间）

• 瞬间吞吐量: 在一个时间点的速率
• 平均吞吐量: 在一个长时间内平均值

1.6 协议层次及服务模型

协议层次

网络是一个复杂的系统!

• 网络功能繁杂：数字信号的物理信号承载、点到点、路由、rdt、进
  
  程区分、应用等
• 现实来看，网络的许多构成元素和设备:
  
  主机
  
  路由器
  
  各种媒体的链路
  
  应用
  
  协议
  
  硬件, 软件

层次化方式实现复杂网络功能

• 将网络复杂的功能分层功能明确的层次，每一层实现了其中一个或一组功能，功能中有其上层可以使用的功能：服务
• 本层协议实体相互交互执行本层的协议动作，目的是实现本层功能，
  
  通过接口为上层提供更好的服务
• 在实现本层协议的时候，直接利用了下层所提供的服务
• 本层的服务：借助下层服务实现的本层协议实体之间交互带来的新功能（上层可以利用的）+更下层所提供的服务

服务和服务访问点

• 服务( Service)：低层实体向上层实体提供它们之间的
  
  通信的能力
  
  服务用户(service user)
  
  服务提供者(service provider )
• 原语(primitive)：上层使用下层服务的形式，高层使用低层提供的服务，以及低层向高层提供服务都是通过服务访问原语来进行交互的—形式
• 服务访问点 SAP (Services Access Point) ：上层
  
  使用下层提供的服务通过层间的接口—地点；
  
  例子:邮箱
  
  地址(address)：下层的一个实体支撑着上层的多个实体，
  
  SAP有标志不同上层实体的作用
  
  可以有不同的实现，队列
  
  例子:传输层的SAP: 端口(port)

服务的类型

面向连接的服务( Connection-oriented Service)

• 连接(Connection)：两个通信实体为进行通信而建立的一
  
  种结合
• 面向连接的服务通信的过程：建立连接，通信，拆除连接
• 面向连接的服务的例子：网络层的连接被成为虚电路
• 适用范围：对于大的数据块要传输; 不适合小的零星报文
• 特点：保序
• 服务类型:
  
  可靠的信息流 传送页面(可靠的获得,通过接收方的确认)
  
  可靠的字节流 远程登录
  
  不可靠的连接 数字化声音

无连接的服务(Connectionless Service)

• 无连接服务：两个对等层实体在通信前不需要建立一个连接，不预留资源；不需要通信双方都是活跃；(例：寄信)
• 特点：不可靠、可能重复、可能失序
• IP分组，数据包；
• 适用范围：适合传送零星数据；
• 服务类型：
  
  不可靠的数据报 电子方式的函件
  
  有确认的数据报 挂号信
  
  请求回答 信息查询

服务和协议

• 服务与协议的区别
  
  服务(Service)：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力，是通过原语(primitive)来操作的，垂直
  
  协议(protocol) ：对等层实体(peer entity)之间在相互通信的过程中，需要遵循的规则的集合，水平
• 服务与协议的联系
  
  本层协议的实现要靠下层提供的服务来实现
  
  本层实体通过协议为上层提供更高级的服务

分层处理和实现复杂系统的好处？

对付复杂的系统

• 概念化：结构清晰，便于标示网络组件，以及描述其相互关系
  
   分层参考模型
• 结构化：模块化更易于维护和系统升级
  
  改变某一层服务的实现不影响系统中的其他层次
  
   对于其他层次而言是透明的
• 分层思想被认为有害的地方？他是利大于弊的

Internet 协议栈

• 应用层: 网络应用
  
  为人类用户或者其他应用进程提供网络应用服务
  
  FTP, SMTP, HTTP,DNS
• 传输层: 主机之间的数据传输
  
  在网络层提供的端到端通信基础上，细分为进程到进程，将不可靠的通信变成可靠地通信
  
  TCP, UDP
• 网络层: 为数据报从源到目的选择路由
  
  主机主机之间的通信，端到端通信，不可靠
  
  IP, 路由协议
• 链路层: 相邻网络节点间的数据传输
  
  2个相邻2点的通信，点到点通信，可靠或不可靠
  
  点对对协议PPP, 802.11(wifi), Ethernet
• 物理层: 在线路上传送bit

ISO/OSI 参考模型

• 表示层: 允许应用解释传输的数据, e.g., 加密，压缩，机
  
  器相关的表示转换
• 会话层: 数据交换的同步，检查点，恢复
• 互联网协议栈没有这两层!
• 这些服务，如果需要的话，必须被应用实现

各层次的协议数据单元

• 应用层：报文(message)
• 传输层：报文段(segment)：TCP段，UDP数据报
• 网络层：分组packet（如果无连接方式：数据报datagram）
• 数据链路层：帧(frame)
• 物理层：位(bit)