计算机网络

第1章 - 计算机网络和因特网

2019-12-01 01:00 CST
2019-12-12 00:45 CST
CC BY-NC 4.0

1.1 什么是因特网

  • 描述因特网的具体构成,包括基本硬件和软件组件
  • 根据为分布式应用提供服务的联网基础设施来描述因特网

具体构成描述

  • 所有联网设备称为主机(host)、端系统(end system)
  • 端系统通过通信链路(communication link)和分组交换机(packet switch)连接到一起
  • 链路的传输速率(transmission rate)以比特/秒(bps)度量
  • 分组交换机主要包括路由器(router)和链路层交换机(link-layer switch)
  • 从发送端系统到接收端系统,一个分组所经历的一系列通信链路和分组交换机成为通过该网络的路径(route/path)
  • 端系统通过因特网服务提供商(ISP)接入因特网
  • 端系统、分组交换机和其他部件都要运行一系列协议(protocol),TCP(传输控制协议)和IP(网际协议)是两个最为主要的协议
  • 因特网标准由因特网工程任务组(IETF)研发,其标准文档称为请求评论(RFC)

服务描述

  • 分布式应用程序(distributed application)
  • 与因特网相连的端系统提供了一个套接字接口(socket interface),该接口规定了运行在一个端系统上的程序请求因特网基础设施向运行在另一个端系统上的特定目的地程序交付数据的方式

1.2 网络边缘

  • 主机有时又被进一步划分为两类:客户端(client)和服务器(server)
  • 大部分服务器属于数据中心(data center)

接入网

接入网:将端系统物理连接到其边缘路由器(edge router)的网络。

  • 家庭接入
    • 数字用户线(Digital Subscriber Line, DSL)(非对称)
    • 电缆(cable)
    • 光纤到户(Fiber To The Home, FTTH),分为主动光纤网络(AON)和被动光纤网络(PON)
    • 拨号与卫星
  • 企业接入
    • 以太网
    • WiFi
  • 广域无线接入
    • 3G、4G/LTE、5G……

物理媒体

对于每个发射器-接收器对,通过跨越一种物理媒体传播电磁波或光脉冲来发送比特。

物理媒体分为两种类型:导引型媒体和非导引型媒体。

  • 双绞铜线
  • 同轴电缆
  • 光纤
  • 陆地无线电信道
  • 卫星无线电信道

1.3 网络核心

分组交换

  • 端系统彼此交换报文(message)

  • 分组交换机(路由器、链路层交换器)

  • 存储转发传输:必须接收到整个分组,然后才能进行输出。 通过由$N$条速率均为$R$的链路组成的路径($N-1$台路由器),端到端时延是 $$d = N \dfrac{L}{R}$$

  • 排队时延:链路正忙于传输其他分组时,该到达分组必须在输出缓存中等待。

  • 分组丢失(丢包):缓存已被其他等待传输的分组充满,必须将当前分组或正在排队的一个分组丢弃。

  • 转发表:将目的地址(或目的地址的一部分)映射成为输出链路。

  • 路由选择协议:自动地设置转发表。

电路交换

当两台主机要通信时,该网络在两台主机之间建立一条专用的端到端连接(end-to-end connection)。

  • 复用:通过频分复用(FDM)、时分复用(TDM)实现电路。
  • 静默期(silent period)利用率不够高。

网络的网络

  • ISP、客户、提供商
  • 区域ISP、第一层ISP(tier-1 ISP)
  • 存在点、多宿(multi-home)、对等(peer)、因特网交换点(IXP)
  • 内容提供商网络(content provider network)

1.4 分组交换网中的时延、丢包和吞吐量

  • 节点处理时延
  • 排队时延
  • 传输时延(transmission delay):传输到链路上,$\frac{L}{R}$
  • 传播时延(propagation delay):链路上的传播,$\frac{d}{s}$

累加起来得到节点总时延。

排队时延和丢包

令$a$表示分组到达队列的平均速率(pkt/s),比率$\dfrac{La}{R}$被称为流量强度(traffic intensity)。要求$La / R$小于1。

端到端时延

$$d_{end-end} = N (d_{proc} + d_{trans} + d_{prop})$$

  • traceroute
  • 有意地延迟传输:分组化时延

吞吐量

在任何时间的瞬时吞吐量(instantaneous throughput)是主机接收到一个文件的速率(bps)。如果文件由$F$比特组成,主机接收到所有比特用去$T$秒,则文件传送的平均吞吐量(average throughput)是$F / T$ bps。

  • 瓶颈链路
  • 干扰流量

1.5 协议层次和服务类型

协议栈

  • 应用层:HTTP、SMTP、FTP……
  • 运输层:TCP、UDP
  • 网络层:IP
  • 链路层
  • 物理层

OSI参考模型额外包括表示层和会话层。

封装

  • 封装(encapsulation)
  • 报文、数据报、链路层帧(frame)、有效载荷字段(payload field)

1.6 面对攻击的网络

  • 恶意软件(malware)、僵尸网络、病毒、蠕虫
  • 拒绝服务攻击(DoS)
    • 弱点攻击
    • 带宽泛洪
    • 连接泛洪
  • 分组嗅探器
  • IP哄骗(IP spoofing)