基础知识

因特网

• 因特网特指全球最大（世界范围）的计算机网络
• 因特网由端系统（主机）、通信链路和分组交换机构成，分组交换机分为路由器（实现第一层到第三层）和链路层交换机（实现第一次到第二层）
  图片来源：https://www.cnblogs.com/qishui/p/5428938.html
• 因特网服务提供商（Internet Service Provider，ISP）负责将端系统接入因特网，其由分组交换机和通信链路构成
• 因特网标准（Internet standard）由因特网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF）制定，IETF的标准文档被称为请求评论（Request For Comment，RFC）
• 专用网络常被称为内联网（只是名称不同于因特网这种互联网）
• 因特网是一种基础设施
• 因特网是网络的网络
• ISP层次结构
  • 边缘接入ISP处在最底层
  • 第一层ISP覆盖全球范围，与其他所有的第一层ISP相连，并与大量的第二层ISP和其他客户网络相连
  • 第二层ISP通常具有区域性或国家覆盖范围
    

其他

• 网络层以上的中继设备为网关；网络层的中继设备为路由器；数据链路层的中继设备为网桥；物理层的中继设备是中继器
• 分布式应用程序：涉及多台相互交换数据的端系统
• 应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）：规定了软件请求因特网基础设施向其他端系统上的软件交付数据的方式
• 协议三要素：
  1. 语法（Snytax）：数据与控制信息的结构形式、信号电平
  2. 语义（Semantics）：要发何种控制信息、完成何种动作或响应、差错控制
  3. 时序（Timing）：事件顺序、速度匹配
• 计算机网络结构（具体的描述）：
  • 网络边缘：端系统、网络应用
  • 接入网络、物理介质：有线或无线通信链路，将端系统接入到边缘路由器的网络
    • 分为：住宅接入（residential access）、公司接入（company access）、无线接入（wireless access）
    • 住宅接入方式：
      1. 使用拨号调制解调器（dial-up modem）与住宅ISP相连，通过模拟电话线传输
      2. 新型宽带接入技术：
      • 数字用户线（digital subscriber line，DSL）
        • 需要特殊的调制解调器
        • 上下行不对称：DSL在家庭和ISP之间将通信链路划分为3个互不重叠的频段：
          1. 高速下行信道：50kHz~1MHz
          2. 中速下行信道：4kHz~50kHz
          3. 普通的双向电话信道：0~4kHz
        • 限制用户和ISP调制解调器的距离，获得更高的传输速率
          传输速率高代表频率高，直射性强，但线缆感抗变大，线损变大，传输距离缩短
        • 用户与ISP之间的链路是专用的点对点连接
          
      • 混合光纤同轴电缆（hybrid fiber-coaxial cable，HFC）
        • 需要特殊的电缆调制解调器
        • 数个家庭共享广播媒体
          在用户错峰使用的时候，可以获得比DSL更大的带宽
          
      • 卫星接入
        • 在没有DSL和HFC基础设施的地段使用
    • 公司接入方式：局域网
      1. 共享以太网：端系统共享LAN的传输速率
      2. 交换以太网：允许每个端系统以LAN的全部速率同时发送和接收
    • 无线接入方式
      1. 无线局域网（wireless LAN）
      2. 广域无线局域网（wide-area wireless access network）
      3. 住宅接入将宽带技术和无线技术结合，形成下面所示的家庭网络：
      
  • 网络核心：互联的路由器（网络的网络）
• 主机分为客户机和服务器
• 应用程序分为客户机-服务器应用程序：端系统为纯服务器或纯客户端、对等（P2P）应用程序：端系统可以为服务器或客户端，通信双方是对称的
• 数据移动的三种形式：
  • 电路交换（circuit switching）：
    • 资源独占，先建电路再拆电路，预分配
    • 举例：电话网络
    • 结构：
      
    • 通信特点：
      • 在两台/多台主机之间建立专用的端到端连接
      • 模拟信号链路中的电路划分使用频分复用或波分复用实现；数字信号链路中的电路划分使用时分复用和码分复用实现
        • 模拟电话线传输模拟信号
        • 宽带网线传输数字信号
        • 数字信号延长的成本大，模拟信号抗干扰的成本大
      • 链路资源划分为“资源片”，“资源片”分配的过程叫“呼叫”
    • 缺点：“静默期”传输效率低下
  • 分组交换（packet switching）
    • 报文分组，按需共享电路（统计多路复用（statistical multiplexing）：自动按照发生的概率分配资源）
    • 采用存储-转发交换方式，只有接收到整个分组后才转发
      若两个主机间有Q条链路，则总时延为QL/R
    • 举例：因特网
  • 报文交换（message switching）
    • 整体传输，不分片，按需共享电路（统计多路复用）
    • 采用存储-转发交换方式，只有接收到整个报文后才转发
  • 电路交换和分组交换对比：
    • 并发用户较多时，两种性能几乎一致；并发用户很少时，电路交换浪费了很多带宽。因此分组交换适用于突发通信
    • 分组交换节省了呼叫建立的时间，但是引入了存储-转发时延和排队时延
    • 分组交换可能产生拥塞：分组延迟和丢失
  • 分组交换和报文交换对比：
    
• 分组交换网：
  • 节点总时延（total nodal delay） = 排队时延（queue delay）+ 节点处理时延（nodal processing delay）+ 传输时延（transmission delay）+ 传播时延（propagation delay）
    • 节点处理时延：差错检测和转发
    • 传播时延：信号在线路中的传播速度等于或略小于光速
      • 时延带宽积 = 传播时延 * R（bits）
        以比特位单位的链路长度
    • 排队时延：取决于流量到达队列的速率a pkt/s、链路的传输速率R bps/s、流量的性质（突发还是周期）
      • 流量强度（traffic intensity）：La / R
        若流量强度 > 1，则队列长度将无限增加。因此设计系统时不能让流量强度 > 1
        
  • 端到端时延（假设链路无拥塞，排队时延可忽略不计；端端之间有N-1台路由器）：
    • 端到端时延 = N *（节点处理时延 + 传输时延 + 传播时延）
  • 吞吐量
    • 瞬时吞吐量：主机B接收到文件的瞬时速率（下载文件时显示的均为瞬时速率）
    • 平均吞吐量：主机B接受F比特用了T秒，平均吞吐量 = F / T（bps）
  • 瓶颈链路（bottlenect link）：
    • 整条链路的传输速率取决于其中每段链路的最小传输速率
    • 目前，因特网的瓶颈主要在接入网
• 协议层次（从功能上抽象地描述网络体系结构）：
  • 分层的优点与缺点：
    • 结构清晰；便于更新、维护（各层解耦）；利于标准化
    • 降低了效率
  • 垂直为协议，水平为服务
  • 数据封装的目的：添加控制信息（地址、差错控制编码、协议控制信息），构造协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）：由首部字段和有效载荷字段构成
  • TCP/IP 协议栈
    • 应用层：信息分组为报文（message）
      • 帮助用户通过代理或网络接口使用网络；提供各种应用服务
    • 运输层：UDP数据报（datagram）：因为UDP协议不会将报文分段，所以叫datagram；TCP报文段（segment）：TCP协议会将数组分段
      • 负责进程之间完整报文的传输、分段与重组、SAP寻址、连接控制、流量控制、差错控制
    • 网络层：数据报（datagram）（TCP报文段在网络层不分片，UDP数据报在网络层要分片）
      • 负责源主机到目的主机数据分组的交付、逻辑寻址、路由、分组、转发
    • 数据链路层：帧（frame）
      • 负责节点之间的数据传输、组帧、物理寻址、流量控制、差错检测、接入访问控制
    • 物理层：
      • 将帧一个比特一个比特地发送给下一个节点
  • 开放系统互连（OSI）协议栈
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