计算机网络第一章概述

1.1 计算机网络构成及基本概念

基本概念
- 信息
- 数据
- 信号
- 信道（有线与无线）
  - 信号频率与信道带宽
  - 信噪比（信号平均功率和噪声平均功率之比）
  - 信道容量（传输速率）：香农定理
    $C=W*log(1+\frac{S}{N})(bit/s)$ ，W为带宽（Hz）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率
- 串行/并行传输
- 误码率、差错检测与纠正（CRC，汉明码）
- 网络协议与协议标准
- 协议数据单元
计算机连接的一般方法
- 共享式连接
- 交换式连接
类比电话交换机
- 电路交换电话交换机
- 分组交换交换机
扩展网络规模：网桥扩展、多交换机扩展
类比电话网络：电路交换、十分与频分多路复用；分组交换、统计多路复用

1.2 Internet发展历程

ARPANET 初始结构（使用分组交换技术）

TCP/IP 协议的设计与运用，实现异构网络互联
TCP/IP 协议基于开放的网络体系结构，开放性、兼容性
互联网管理——自治系统 Autonomous System
每个自治域分配一个自治域号
自治系统号码 http://bgp.he.net
网络服务提供商（ISP）及层次化结构
- Tier-1 ISP
  全球最高级别ISP，互不结算
  中国电信、中国联通、AT&T、Deutsche Telekom…
- Tier-2 ISP
  教育网、中国移动（往往需要像更高级别 ISP 交流量费）
- IXP 或 IX：互联网交换点

CERNET 结构 AS：4538

万维网问世：重要的里程碑

20 世纪 90 年代
IPv6 与 Internet 2：解决 IPv4 地址问题
- IPv4：32 位地址
- IPv6：128 位地址，更合理的地址层次化结构
无线接入（WiFi6/4G/5G），移动互联网及物联网的发展
- 接入设备数量迅速增加
- 移动应用非常丰富
Internet 的三个重要概念
- 开放理念
- 自组织理念
- 分享理念

互联网的标准化工作

互联网协会 ISOC

互联网体系结构研究委员会 IAB
互联网研究部 IRTF
互联网工程部 IETF

所有互联网标准都已 RFC 的形式在互联网上发表

标准需要经过二个阶段：建议标准、互联网标准

1.3 Internet的核心与边缘

互联网结构

网络边缘
- 主机：运行 TCP/IP 协议和应用的端系统，如 PC、云服务器、智能手机等
- 接入网络：端系统通过优先网络或无线网络接入到核心网
网络核心
- 由大量互联的路由器构成
- 运行 IP 协议和路由协议

网络核心

报文分组转发
将来自一个物理网络的报文分组转发到下一个物理网络
存储-转发式交换
路由器对到达的报文分组进行缓存，只有整个报文分组完全到达且下一个物理网络链路空闲，才能被转发出去

简单路由器模型

分组转发率（Packet Per Second）：路由器或交换机等网络设备以分组为单位的转发速率（分组/秒）

网络核心：比较电路交换

先呼叫建立连接，实现端到端的资源预留
- 预留的资源包括：链路带宽资源、交换机的交换能力
- 具有和专用链路类似的性能
- 资源专用，即使空闲也不与其他连接共享
频分多路复用（FDM），时分多路复用（TDM）
计算示例：主机A向主机B发送大小为640000bit的文件，计算所需的时间
- 链路传输速率为1.536Mbps
- 采用时分多路复用，24个共享连接
- 建立连接的时间为500ms
Rate 1.536Mpbs/24=64000bps
tot time 0.5s+640000/64000=10.5s

网络核心：报文分组交换

主机A和B的报文分组没有固定的到达模式，带宽按需共享，称为统计多路复用（statistical multiplexing）。

路由器的缓存可以临时缓存报文分组，输出链路不需要支持N-R速率
单数缓存大小有限，记为B，如果缓存满了，会丢弃报文分组

统计多路复用增益=2C/R

网络流量具有很强的突发性
每个独立的流的峰值可能出现在不同时间

结论：流越多，网络平均流量越平滑

网络核心：传输时延

报文长度P：单位bit
链路长度L：单位m
传输速率R：单位bit/s
传播时延PROP：电磁波在介质上的传输时间，单位s，PROP=L/C
传输时间TRANSP：发送长度为P的报文所用时间，TRANSP=P/R。
端到端时延Latency：发送端发送第一位到接收端接受最后一位的时间，单一链路上计算方法为Latency=PROP+TRANSP

问题：为什么不直接发送报文，而使用报文分组？

可以将报文分成报文段传输可以降低端端时延
可以避免某条链路或路由器缓存被一个报文长时间占用

问题：报文分组到达时，如果出口链路忙，报文分组需要在路由器缓存中排队等待，会引入排队时延。

在给定链路长度和传输速率的情况下，只有排队时延是变化量
排队时延对网络性能会产生较大的影响（拥塞控制）。
往返时延RTT（Round-Trip Time）
从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认经历的总时间。
时延带宽积
- 时延带宽积=传播时延带宽，按比特计数的链路长度
- 若发送端连续发送数据，则在发送的第一个bit即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个bit，这些bit都在链路上向前移动。
  只有链路管道都充满比特时，链路才得到了充分利用。
时延抖动
- 变化的时延称为抖动（Jitter）
- 时延抖动起源于网络的队列或缓冲，抖动难以精确预测
- 在语音、视频多媒体业务中，抖动往往会严重影响用户体验

接入网络

如何将端系统连接到边缘路由器

有限接入
- 用户数字线路（xDSL）
- 混合光纤同轴电缆（HFC）
- 光纤宽带（FTTH）
- 以太网（Ethernet）
无线接入
- 无线局域网（WiFi）
- 移动通信网（4G/5G）

注意：接入网速率、共享或专用

接入网络：DSL

使用电话线连接到中心局CO
DSL接入复用器分流数据和语音
非对称速率：最大19.2Mpbs上行，55Mpbs下行

接入网络：HFC

频分多路复用，数据和电视信号在不同频率上传输，数据通道是共享的
非对称：最大10Mpbs上行，30Mpbs下行

接入网络：其它有限接入

光纤宽带（FTTH）
- GPON：下行最大2.488Gbps，上行最大1.244Gbps
- EPON：下行最大1.25Gbps，上行最大1.25Gbps
以太网（Ethernet）
- 最广泛的接入方式（机构）
- 最大速率10Gbps（万兆以太）

接入网络：无线接入

无线局域网（WiFi）
- 802.11/a/b/g<54Mpbs
- 802.11n<600Mpvs
- 802.11ac<1Gbps
- 802.11ax(WiFi6)<9.6Gbps
移动通信网
- 3G CDMA 2000, TD-SCDMA, WCDMA
- 4G TD-LTE 100/50Mpbs
- 5G IMT-2020 20G/100Mpbs

接入网络：家庭网络、机构网络

1.4 TCP/IP 网络体系结构

ISO/OSI参考模型与TCP/IP体系结构

应用层（应用层、表示层、会话层）、传输层、网络层、接口层（数据链路层、物理层）

IETF定义应用层、传输层、网络层

IEEE、3GPP等定义接口层

TCP/IP体系结构

对等层通信，执行相关协议

TCP/IP协议集

网络协议需要规定

计网中各实体之间数据交换必须遵守实现约定好的规则，这些规则称为协议
协议组成
- 语法：数据与控制信息的结构或格式（协议数据单元PDU）
- 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种相应
- 时许：事件实现顺序的详细说明
对等性：通信的实体相同层次必须执行相同的协议

TCP/IP协议栈实现

应用层-操作系统用户空间

传输层和网络层-操作系统内核 TCP/IP协议栈

数据链路层、物理层-接口层驱动程序+网卡

1.5 Web服务器访问示例

应用编程接口应用请求与主机B建立连接
传输层
- 创建连接建立TCP段
- 调用IP层提供的服务，发送TCP段到主机B
网络层
- 创建IP数据包
- 调用接口层提供的服务，发送IP数据报到下一跳路由器
接口层
- 接受以太数据帧，判断地址、差错校验
- 如果正确，将IP数据包传给IP层
网络层
- 使用IP的目的地址确定下一跳路由器
- 请求接口层发送数据包

接口层

创建以太数据帧
请求物理层按位发送数据帧

……