学习笔记:计算机网络自顶向下方法
学习笔记：计算机⽹络⾃顶向下⽅法⽬录
1. 计算机⽹络与互联⽹
1.1 什么是互联⽹
终端系统通过通信连接(communication links)和包交换机(packet switches)连接在⼀起
包交换机的两种主要类型
路由器(routers)与链路层交换机(link-layer swtiches)
路由器应⽤于⽹络核⼼，链路层交换机⽤于接⼊层
transmission rate
packets = header bytes + data
通路
终端系统通过⽹络服务提供商(Internet Service Providers , ISPs)访问互联⽹
每个ISP⾃⾝都是包交换机和通信连接的⽹络
公务员考什么协议定义了两个或多个通信实体之间交换的消息的格式和顺序，以及在发送和/或接收消息或其他事件时所采取的操作。
1.2 ⽹络边缘
1.2.1 接⼊⽹
end systems = hosts
servers
clients
互联⽹中最常见的家庭访问⽅式
数字⽤户线(Digital Subscriber Line, DSL)，通常和电话线是⼀体的
数字⽤户线接⼊复⽤器(digital subscriber line access multiplexer, DSLAM)是⼈们进⾏数据交换的中⼼，位于运营商的本地
中⼼局。
DSL在不同频段上同时传输电话信号与⽹络信号
独占线路
电缆(cable)
电缆因特⽹接⼊(cable Internet access)利⽤了有线电视公司现有的有线电视基础设施。
光缆将电缆头端连接到地区枢纽，从这⾥使⽤传统的同轴电缆到达各家各户和公寓。
因为在这个系统中应⽤了光纤和同轴电缆，所以它经常被称为混合光纤同轴（Hybrid Fiber Coax, HFC)。
电缆调制解调器(cable modem)通常是⼀个外部设备，通过⼀个以太⽹端⼝连接到家庭PC。
在电缆头端，电缆调制解调器端接系统(Cable Modem Termination System, CMTS)起到如同DSL⽹络
的DSLAM 类似的功
能。
电缆因特⽹接⼊的⼀个重要特征是使⽤共享⼴播媒体（共享的上⾏与下⾏通道）
共享线路
光纤到户(Fiber to The Home, FTTH)
⼀对⼀直接⼊户
主动光纤⽹络(Active Optical Network, AON)
被动光纤⽹络(Passive Optical Network, PON)
每个家庭具有⼀个光纤⽹络端接器(Optical Network Terminator, ONT)，它由专门的光纤连接到邻近的分配器
（splitter)。在家庭中，⽤户将⼀台家庭路由器(通常是⽆线路由器)与 ONT 相连，并经过这台家庭路由器接⼊因特
⽹。
分配器把⼀些家庭(通常少于100个) 集结到⼀根共享的光纤，该光纤再连接到本地电话和公司的中⼼局中的光纤线路
端接器(Optical Line Terminator, OLT)。
所有从 OLT发送到分配器的包在分配器处复制。
共享线路
卫星链路
企业常⽤的互联⽹接⼊⽅式：以太⽹和WIFI
以太⽹
WIFI
按照⼊户顺序，分别为电缆调制解调器、路由器、⽆线通信，后两者往往封装在⼀起
⼴域⽆限接⼊：4G和LTE
1.2.2 物理媒体
对于每⼀个“传输--接收”对，每⼀个⽐特的信息以电磁波的形式通过物理媒体来传输。
物理媒体分为导引型媒体和⾮导引型媒体
双绞铜线
双绞铜线由两根塑胶封装的铜线呈螺旋状绞成。
许多双绞铜线对被捆扎在⼀起形成电缆，每对双绞铜线都构成⼀条通信线路
⽆屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair, UTP)常⽤在建筑物内的计算机⽹络中，即⽤于局域⽹(LAN)中。⽬前局域⽹中的双绞
电话线和拨号上⽹⽅式都是⽤双绞线。拨号调制解调器技术通过双绞线能以⾼达56 kbps 的速率接⼊。数字⽤户线(DSL)技术通过双绞线使住宅⽤户以超过数⼗ Mbps的速率接⼈因特⽹(当⽤户靠近ISP的调制解调器居住时)。
导引型独占媒体
同轴电缆
导引型共享媒体
电缆电视系统最近与电缆调制解调器结合起来，为住宅区⽤户提供数⼗Mbps速率的因特⽹接⼊
光纤
光纤是长途引导型传输媒体，特别是适合跨海链路。
极⾼的⽐特速率、低的信号衰减、难以被窃听
光线的相关设备成本⾼，如发射器、接收器以及交换机等
陆地⽆线电通道
⽆线电信道的特性极⼤地依赖于传播环境和传输信号的距离。
路径损耗和遮挡衰落：即当信号跨距离传播和绕过/通过阻碍物体时信号降低强度
多径衰落：由于⼲扰对象的信号反射
⼲扰：由于其他⽆线电信道或电磁信号
陆地⽆线电信道能够⼤致划分为三类
很短距离(如1⽶或2⽶)，如⽆线头戴式⽿机、键⿏、医疗设备等
另⼀类运⾏在局域，通常跨越数⼗到⼏百⽶，如⽆线LAN技术
第三类运⾏在⼴域，跨越数万⽶，如蜂窝接⼊技术
卫星⽆线电通道
同步卫星
36000 km的⾼度
280 ms 的延迟
⽤于提供 DSL 和电缆⽆法覆盖的区域的物联⽹接⼊
近地轨道卫星
需要放置多个才能够实现连续的覆盖
1.3 ⽹络核⼼
长夜难明结局大人物暗指1.3.1 包的交换
信息(message)、包(packet)
存储转发传输(store-and-forward transmission)
包交换机必须完全接受⼀个包后才能向后传输它
相隔 N 条链路（或说 N-1 个包交换机）传递P个包的延迟
\[D_{end-to-end} = (N+P-1)\frac{L}{R} \]
排队延时与丢包
转发表与路由选择协议
每台路由器具有⼀个转发表(forwarding table)，⽤于将⽬的地址(或⽬的地址的⼀部分)映射成为输出链路。
因特⽹具有⼀些特殊的路由选择协议(routing protocol)，⽤于⾃动地设置这些转发表。
例如，⼀个路由选择协议可以决定从每台路由器到每个⽬的地的最短路径，并使⽤这些最短路径结果来配置路由器中的转
电脑连接WIFI显示无INTERNET
发表。
鲸教学反思1.3.2 电路交换
通过⽹络链路和交换机移动数据有两种基本⽅法：电路交换（circuit switching）和分组交换(packet switching)。
⽤餐馆作⽐喻，电路交换是严格的预定式餐馆，⽽包交换则是⾮预定式的。在电路交换中，每个运⾏中的连接都是实际存在，并由路径上的交换机维护的。
口袋妖怪红宝石神兽
电路交换⽹络中的复⽤
频分复⽤
电话⽹络、⽆线电台
带宽（在电话⽹络中为4 kHz）
时分复⽤
帧
电路交换⽹络不像包交换⽹络的“存储转发传输”机制那样受到链路数量 N 的影响
分组交换与电路交换的对⽐
分组交换的批评者经常争辩说，分组交换不适合实时服务(例如，电话和视频会议)，因为它的端到端时延是可变的和不可预
测的(主要是因为排队时延的变动和不可预测所致)。
分组交换的⽀持者却争辩道:①它提供了⽐电路交换更好的带宽共享；②它⽐电路交换更简单，更有效，实现成本更低。
历史站在了分组交换这⼀边。今天许多电路交换电话⽹正在缓慢地向分组交换迁移。
1.3.3 ⽹络的⽹络
ISP提供⽤户接⼊互联⽹的服务。ISP不必是电信公司，也可以是学校、公司等拥有服务器的机构。为了让数量庞⼤的服务器相连，接⼊ISP本⾝也必须互联，即所谓“⽹络的⽹络”。
饮水思源的意思⽹络结构1
⼀个全球ISP作为供应商与其他所有客户ISP连接
⽹络结构2
多个全球ISP
⽹络结构3
增加区域ISP，形成三层结构
⽹络结构4
增加⼊⽹点(Point of Presence, PoP)、对等、多宿(multi-home)、因特⽹交换点(Internet exchange point, IXP)
⼊⽹点：单个ISP提供多个接⼊其⽹络的路由器或链路。ISP可以将PoP安装在电信公司所有的租⽤空间内进⾏租赁
对等：同级别的客户ISP可以直接建⽴⽹络进⾏数据传输。这样的好处是，不经过上级ISP传输，节省了付费流量。
多宿：⼀个客户ISP可以同时连接多个⾼级ISP。这样可以增加稳定性。
因特⽹交换点：提供集中的对等连接
⽹络结构5
增加了内容提供商⽹络(content provider network)
独⽴于公共因特⽹
1.4 分组交换⽹中的时延、丢包和吞吐量
在本节中，我们将开始研究和量化计算机⽹络中的时延、丢包和吞吐量等问题。
1.4.1 分组交换⽹中的时延概述
total nodal delay = nodal processing delay + queuing delay + transmission delay + propagation delay
transmission 传输
propagation 传播
时延的类型
处理时延
检查分组⾸部和决定将该分组导向何处
其他因素，如检查⽐特级别的差错
在⾼速路由器中，此时延为微秒级别
排队时延
分组在链路上等待传输
排队时延是流量强度和性质（周期性或突变性）的函数
毫秒到微秒级别
传输时延
路由器将数据推向链路所需的时间
L/R
毫秒到微秒级别
传播时延
d/s
s ≈光速
在⼴域⽹中，为毫秒级别
传输时延与传播时延
前者与包长度和链路传输速度有关，类似于⾼速公路上的收费站处理速度（ETC快于⼈⼯收费）
后者主要与路由器之间的距离有关，类似于⾼速公路上的⾏驶速度
常常出现的情况是传播时延⼩于传输时延，所以对于⼀个有多个分组的数据⽽⾔，可能第⼀个分组已经过传播达到接收路
由器了，但数据本⾝还未完成传输
1.4.2 排队时延和丢包
流量强度
\[traffic \ \ intensity = \frac{aL}{R} \]
a表⽰包达到队列的平均速率，L表⽰包的平均⽐特长度，R表⽰传输速率
流量强度⼀定不可以⼤于 1
当流量强度⼩于等于 1时
若包周期性达到，则不会排队
若包突变性到达，则可能排队，并且随着流量强度接近 1，队列的平均长度呈指数式增加
丢包
1.4.3 端到端时延
traceroute
Traceroute是⼀个简单的程序，它能够在任何因特⽹主机上运⾏。当⽤户指定⼀个⽬的主机名字时，源主机中的该程序朝着该⽬的地发送多个特殊的分组(拥有编号⽤于显⽰路径节点的顺序)。当这些分组向着⽬的地传送时，它们通过⼀系列路由器。当路由器接收到这些特殊分组之⼀时，它向源回送⼀个短报⽂。该报⽂包括该路由器名字和地址。
常常默认重复进⾏3次
端系统、应⽤程序和其他时延
协议中的有意延迟
Voice-over IP
语⾳信号在被发送之前还需要额外的处理，会有延迟
1.4.4 计算机⽹络中的吞吐量
瞬时吞吐量、平均吞吐量
瓶颈链路
串联中的最⼩值时瓶颈
共享链路可能成为瓶颈
1.5协议层次及其服务模型
1.5.1分层的体系结构
协议分层
互联⽹协议栈
应⽤层
应⽤层是⽹络应⽤程序及它们的应⽤层协议存留的地⽅
应⽤层协议分布在多个端系统上，端系统之间使⽤协议交换信息的分组。我们把这种位于应⽤层的信息分组称为报⽂
(message)
因特⽹的应⽤层包括许多协议
HTTP——提供 Web⽂档的请求和传送
SMTP——提供电⼦邮件报⽂的传输
FTP——提供两个端系统之间的⽂件传送
DNS——域名系统
运输层
运输层在应⽤程序端点之间传送应⽤层报⽂。
在因特⽹中，有两个运输协议，即TCP 和UDP。
TCP 向它的应⽤程序提供了⾯向连接的服务。这种服务确保有效的传递和并进⾏流量控制（即发送⽅/接收⽅速率匹配)。
TCP也将长报⽂划分为短报⽂，并提供拥塞控制机制，因此当⽹络拥塞时，源抑制其传输速率。

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