计算机网络原理 笔记 1

网络原理 概要

考核

  • 随堂测 15%
  • 作业 25%
  • 期末考试 60%

Key problems

  • Multiple access control: MAC
  • rooting
  • naming: how to give each user a unique id
  • Congestion control（阻塞控制）
  • RDT: Reliable Data Transfrom

Protocol

协议：协议定义了网络实体之间发送和接收消息的格式、顺序，以及对消息传输、接收所采取的操作

网络核心

分组交换

  • 端系统（主机）之间交换报文，报文包含了通讯者需要的信息，并通过通信链路从源发送至目的地
  • 源会将长报文划分为较小的数据块，称为分组，通信链路上拥有分组交换机，以使得以链路允许的最大传输速率传输报文，分为路由器和链路层交换机两种
  • 存储转发传输：在链路发送信息时必须要整组发送，即需要等待源将一组信息完全发送至交换机才能发送至目的地
  • 端到端时延：通过NN条传输速率为RR的链路组成的路径，从源向目的地发送一个LL比特的分组，端到端时延（传输时延）为

    d=NLRd = N\frac{L}{R}

    发送PP个分组的时延为

    d=(N+P−1)LRd = (N+P-1)\frac{L}{R}

  • 排队时延与丢包：分组交换机拥有一个输出队列（缓存），当交换机的输出速率小于输入速率时，后进入的包会进入缓存中等待，这一种延迟称之为排队时延，主要取决于网络阻塞程度，当缓存被填满时，再次有包进入时会导致有的包（可能是新来的或队列中的）被丢弃，即为丢包
  • 转发表：路由器决定应该将信息往哪一条链路发送的方式，可以将目的地IP地址（或其一部分）映射到对应的输出链路，转发表通常会根据路由转移协议来自动设置

电路交换

与分组交换的最大区别在与：电路交换会提前预留端到端通信所需要的资源，包括缓存、链路传输数据等，每一条链接称为一条电路，因此其时延主要来自于建立电路与在电路上传播

  • 复用：分为频分复用与时分复用
    • 频分复用指一组连接共用一段频谱，每个连接有一个独享的频段。例如调频无线电台使用FDM共享88MHz-108MHz的频谱，每一个电台会被分配一个特定的频段（通常带宽为4MHz），使用完毕之后会被回收投入下一次使用
    • 时分复用指，将时间分割为固定的帧，每一帧被分割为固定量的时隙，每个时隙只传播一个连接的数据（类似并行的概念）
  • 电路交换会有静默期，也即建立了电路之后不传播信息，可能会引发资源浪费，但是电路交换的端到端时延与链路数量无关（在路由器处无需等待）
  • 通常情况下，分组交换的效率会优于电路交换

网络的网络

此节讨论我们怎么能够使用网络资源，也即因特网的结构（发展动力主要是商业竞争）

  • 网络结构11：一个单一的全球ISP互联所有接入ISP，所有的客户直接向该全球ISP付费
  • 网络结构22：多个全球ISP，全球ISP之间是互联的，用户可以向性价比最高的全球ISP付费
  • 网络结构33：有区域ISP，ISP按照层级高低分为接入、区域、第一层（全球传输），低层需要向直接连接的高层付费
  • 网络结构44：在结构33的基础上增加了PoP、多宿，对等与IXP
    • PoP：提供商网络中位于相同位置的一组路由器，客户ISP可以通过其与提供商ISP相连接
    • 多宿：任何非顶层ISP可以与多台上游ISP相连接
    • 对等：同层的相邻ISP之间直接连接，无需通过上游ISP进行中转，通常对等无需付费
    • IXP：可以使得多个ISP一起对等，类似于一个中转站
  • 网络结构55：在网络结构44的基础上增加了内容提供商网络，更多的用于直接与较低层的ISP互联，避免由于中间ISP的收费

时延、丢包与吞吐量

时延

delay=dproc+dqueue+dtrans+dpropdelay = d_{proc} + d_{queue} + d_{trans} + d_{prop}

  • 处理时延：检查数据是否有错，决定输出链路等，数量级为μs\mu s
  • 排队时延：在输出队列中等待的时间，取决于网络拥塞程度，数量级为ms−μsms-\mu s
  • 传输时延：将数据从路由器传输到链路的时间，数量级在ms−μsms-\mu s
  • 传播时延：数据在链路上传播的时间，通常很小（传播速率在108m/s10^8m/s量级），但是在长距离传播中需要考虑

排队时延和丢包

流量强度定义为

ti=LaRti=\frac{La}{R}

其中，aa代表数据到达队列的平均速率，LL代表分组的平均比特数，ti→0ti\rightarrow 0时排队时延很小，ti→1−ti\rightarrow 1^-时排队时延很大，ti>1ti>1的时候排队时延无界
当ti≤1ti\leq 1的时候，分组到达的方式（周期性或突发性等）将会影响排队时延
当路由器的输出队列已满时，新进入的分组会被丢弃，称为丢包

端到端时延

dend−end=N(dproc+dtrans+dprop)d_{end-end} = N(d_{proc} + d_{trans} + d_{prop})

其中

dtrans=LRd_{trans} = \frac{L}{R}

这个式子假设了网络是畅通的

吞吐量

定义：主机接受文件的速率，分为瞬间吞吐量与平均吞吐量

  • 瓶颈链路：指平均传输速率最小的一条链路，限制了整个网络的吞吐量
  • 上述的平均指的是，分配给每条链路的传输速率，例如一条速率为100Mbps的高速链路，需要同时承担10001000个客户-服务器的通信，那平均速率将会降至100kbps，有可能成为瓶颈链路

协议层次及其服务模型

分层的体系结构

协议分层

为了更好的结构化与模块化，网络以分层的方式组织协议与硬软件，每一层通过在该层中执行动作或使用直接下层的服务来提供服务。
各层的所有协议被称为协议栈，因特网的协议栈自顶向下为应用层，运输层，网络层，链路层，物理层

  • 应用层：网络应用程序以及其应用层协议存留的地方，其中的信息分组称为报文。应用层提供了许多协议，如：
    • HTTP：Web文档协议
    • SMTP：电子邮件报文协议
    • FTP：端系统协议
    • DNS：域名系统协议
  • 运输层：用于在应用程序端点之间传送应用层报文，有两种运输协议：TCP, UDP，其中TCP提供了截断机制与拥塞控制机制。运输层的分组称为报文段
  • 网络层：分组称为数据报，网络层负责将数据报从一台主机移动到另一台主机，网际协议包括IP，其定义了数据报中的各个字段以及端、路由器如何作用在这些字段上
  • 链路层：在节点之间传递数据，每个节点的网络层将数据下放给链路层，传递至下一个节点之后再上传至网络层。如以太网、WiFi、电缆接入网的DOCSIS协议，其中的分组称为帧
  • 物理层：在物理层面上将帧中的比特移到下一个节点，每一种链路层中包括很多物理层协议，与实际的物理媒介有关

OSI模型

77层分层，包括应用层、表示层、会话层、运输层、数据链路层、物理层。
表示层用于将交换的数据可以被应用程序解释，会话层提供了数据交换的定界和同步功能，包括检查与恢复等

封装

每一层会将来自上一层的数据进行封装，也即附加一些首部信息，包括一些权限信息以及检测信息等，引测，每一层的分组都有两种字段，首部字段和有效载荷字段

坏家伙

  • 危害终端设备
    坏家伙将恶意软件植入设备中，并利用僵尸网络（被控制的主机）展开攻击，从而实现自我复制。恶意软件分为病毒与蠕虫两类：
    • 病毒：需要用户交互来感染用户设备的恶意软件
    • 蠕虫：无需用户交互即可进入设备
  • 危害服务器和网络设施
    拒绝服务攻击，也即DoS, 包括以下三种：
    • 弱点攻击：攻击不完备的应用或操作系统
    • 带宽洪泛：往目标发送大量分组，例如DDoS通过大量源向目标发送分组造成目标瘫痪
    • 连接洪泛：在目标中创建大量的半开或全开TCP连接
  • 嗅探分组：在传输分组时，精心布置的被动接收机可以得到传输信息的副本，并且由于其不会注入信息，所以很难被检测出来，这种接收机被称为分组嗅探器
  • 身份伪装：通过IP哄骗，向目标发送具有恶意的信息
许可协议

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