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# 第一章：概述

# 1. 介绍

  • TCP：传输控制协议。提供面向连接的服务。基于 TCP 的传输可靠性高，能够传输准确、完整的信息，但是信息的实时性有失准确。

  • UDP：用户数据报协议。提供无连接的服务。基于 UDP 的传输能够传输实时信息，信息不会产生延迟，但是信息的可靠性不高。

  • 协议：对等层实体在通信过程中应该遵守的规则和集合，包括语法、语义和时序。控制接收、发送信息

  • ISP：网络服务提供商

  • 套接字接口 (Socket interface): 因特网发送程序必须遵守的规则集合。规定了两个不同端系统的两个程序在因特网基础设施交互数据的方式。

  • 互联网子系统：网络核心、网络边缘、网络的接入

  • 网络边缘由接入网连接到网络核心，从而能够完成不同端系统之间的信息交互，网络核心起到数据交换的作用。

# 2. 网络边缘

  • 端系统：通常把与因特网相连的计算机和其他设备被称为端系统，处于因特网边缘，被称为端系统，也称为主机，主机容纳 (运行) 应用程序。主机又被分为：客户端和服务器。

  • 网络边缘作用：运行应用程序。

  • 客户段 / 服务器（C/S）模式：客户向服务器请求、接收服务。资源全部储存在服务器中。

    • 服务器先运行，客户端后启动。客户端主动请求，服务器被动接收。
    • C/S 模式的可拓展性差，服务器达到一定阈值时，服务器性能断崖式下降，服务器接收不了请求。

  • 对等 (peer to peer (p2p)) 模式

    • 没有专门的服务器，每个节点既可以是客户端也可以是服务器，都统称为端系统
    • 在一个端系统需要资源时，向其他已经建立连接、且拥有所请求资源片段的端系统发送资源请求，再整合获取的资源片段从而获得完整的资源

  • 网络边缘：采用网络设施的面向连接服务

    • 目标：在端系统之间传输数据

    • 握手：在传输数据之前做好准备

      • 两个通信主机之间为连接建立状态

    • TCP (Transmission Control Protocol):Internet 上的面向连接服务

    • TCP 服务 (RFC 793)

      • 可靠地、按顺序地传送数据 —— 确认和重传
      • 流量控制 —— 发送不会淹没接收方
      • 拥塞控制 —— 当网络拥塞时，发送方降低发送速率

# 3. 网络核心：路由器的网状网络

# 1. 电路交换

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  • 主机之间通过信令系统在通信之前建立起一条专用的通信通道，其他主机无法使用，易造成资源浪费，且连接建立时间长

  • 电路交换不适用于计算机之间的通信

    • 连接建立时间长

    • 计算机之间的通信有突发性，如果使用线路交换，则浪费的片较多

      即使这个呼叫没有数据传递，其占据的片也不能够被别的呼叫使用

    • 可靠性不高

    电路交换中的复用

    1. 频分复用 (FDM)
      • 在两个主机的通信链路的有效通信频率范围内，将有效频段划分为多片小的频段，在通信时，每个主机在有效频率范围内，找到有空的一个频段。
    2. 时分复用 (TDM)
      • 将时间划分为固定时间的多个帧，再将每个帧划分为相同的固定数量的时隙。在进行连接时，网络为其连接在每个帧中指定一个时隙。
    3. 波分复用 (WDM): 用于光纤通信
      • 将主机通信之间的有效波段分为许多相同的更小的波段，每个用户使用其中的一个小波段
    4. 码分复用 (CDM)

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# 2. 分组交换

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  • 不会造成网络资源浪费，网络是共享的

  • 分组发送与接受时间相同，分组交换的时间只能用发送或接收其中一个来计算。

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  • 存储转发时延：分组在到达分组交换机时，在此分组前还存在其他的分组先到达分组交换机，此分组只有在其他分组存储转发之后，才能够被分组交换机存储转发。

  • 排队时延：分组交换机的到达速率 > 输出速率，分组将会进行排队等待传输，形成排队时延

  • 输出缓存 (输出队列): 分组交换机具有一个输出缓存，用于存储路由器准备发往下一条链路的分组

  • 分组丢失 (丢包)：输出缓存是有限的，当缓存被其他等待的分组充满时，将会出现分组被抛弃的情况，被称为分组丢失 (丢包)，到达的分组或在排队的分组之一将会被丢弃

  • 统计多路复用：主机之间的通信被分为多个片段，在不同的片段传输不同的分组，划分片段没有固定的模式

  • 分组交换网络：

    分组的存储转发一段一段从源端传到目标端，按照有无网络层的连接，分成：

    • 数据报网络

      • 主机之间的交换节点不需要建立通信状态，主机之间不需要握手
      • 每个分组携带了目标主机的完整地址
      • 每个分组都独立路由 (路径不一样，可能会失序)
      • 路由器根据分组的目标地址进行路由
      • 类似：问路
      • Internet
      • 面向无连接的

    • 虚电路网络

      • 主机之间握手，交换节点建立通信状态，建立起一条虚电路
      • 主机之间通过信令建立连接
      • 每个分组接待一个虚电路号
      • 每个分组按照虚电路号进行识别
      • 面向连接的

# 3. 网络核心的关键功能

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# 4. 分组交换 VS 电路交换

    1. 电路交换更具实时性
    2. 分组交换提供更好的带宽
    3. 分组交换更简单、更有效、成本更低

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  • 分组交换适合于突发式数据传输

    • 能够资源共享
    • 简单，不必建立呼叫

  • 分组交换过度使用造成网络拥塞：分组延时和丢失

    • 对可靠地数据传输需要协议来约束：拥塞控制

# 4. 接入网和物理媒介

  • 接入网：将端系统接入到网络核心，让不同端系统之间实现连接

# 1 . 住宅接入网络

# (1). modem
  • 将上网数据调制加载音频信号上，在电话线上传输，在局端将其中的数据调解出来；反之亦然；
    • 调频：不同频持续不同时间，代表 0 或 1
    • 调幅：音频的幅度
    • 调相位
    • 综合调剂
  • 拨号调制解调器 (modem)
    • 调制解调解器，是调制器和解调器的缩写 ，一种计算机硬件 ，它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的模拟信号，而这些模拟信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收，并译成计算机可懂的语言。这一简单过程完成了两台计算机间的通信。
    • 56Kbps 的速率直接接入路由器 (通常更低)
    • 不能同时上网和打电话，不能同时在线，带宽窄
# (2).DSL(Digital Subscriber Line)
  • <4KHz 以下用于语音的通讯，4KHz 以上较小部分为下行数据，较大部分为上行数据，用调制解调的方式控制上行数据和下行数据进行上网工作
    • 上行数据：从终端节点向网络传送的数据
    • 下行数据：从网络上向终端节点传送的数据
  • 采用现存到交换局 DSLAM 的电话线
    • DSL 线路上的数据被传到互联网
    • DSL 线路上的语音被传到电话网
  • <2.5 Mbps 上行传输速率 (typically < 1 Mbps)
  • <24 Mbps 下行传输速率 (typically < 10 Mbps)
  • 可以同时上网和通话
# (3). 线缆网络
  • 有线电视信号线缆双向改造
  • FDM：在不同频段传输不同信道的数据，数字电视和和上网数据 (上下行)
  • 一些带宽用于上行，一些用于上行，一些用于电话，一些用控制，一些用于数字广播
  • HFC：Hybrid Fiber Coax
    • 非对称：最高 30Mbps 的下行传输速率，2Mbps 上行传输速率
  • 线缆和光纤网络将每个家庭用户接入到 ISP 路由器
  • 各用户共享到线缆头端的接入网络
    • 与 DSL 不同，DSL 每个用户一个专用线路到 CO (Central Office)
# (4). 电缆接入
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# 2. 企业接入网络

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# 3. 无线接入网络

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# 4. 物理媒体

  • Bit：在传输 — 接收对间传播
  • 物理链路：在每个传输 — 接受对，跨越一种物理媒体
  • 导引型媒体：信号沿着固体媒介被导引：
    • 同轴电缆
    • 光纤
    • 双绞线
  • 非导引型媒体：信号自由传播
    • 如无线电
# (1). 双绞线 (TP)

  • 两根绝缘铜线

  • 5 类：100Mbps Enthernet、Gbps 、以太网

  • 6 类：10Gbps

# (2). 同轴电缆
  • 两根同心的铜导线
  • 双向
  • 亟待电缆
    • 电缆上一个单个信道
    • Ethernet
  • 宽带电缆
    • 电缆上有多个信道
    • HFC
# (3). 光纤和光缆
  • 光脉冲，每个脉冲表示一个 bit，在玻璃纤维中传输
  • 告诉
    • 点到点高速传输 (如 10Gps-100Gps 传输速率)
  • 低误码率：再来个那个中继器之间可以有很长的距离；不受电磁噪声的干扰
  • 安全
# (4). 无线链路

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# 5. Internet 和 ISP

# 1. 互联网结构：网络的网络

  • 端系统通过接入 ISP 连接到互联网

    • 住宅、公司和大学的 ISP

  • 接入的 ISP 必须时互联的

    • 因此任何 2 个端系统可相互发送分组到对方

  • 导致的 “网络的网络” 非常复杂

    • 发展和演化时通过经济的和国家的政策来驱动的

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# 2. ISP 之间的连接

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# 6. 分组延时、丢失和吞吐量

  • 分组丢失和延时如何发生

    在路由器缓冲区的分组队列：

    • 分组到达链路的速率超过了链路输出的能力
    • 分组等待排到队头、被传输
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# 1. 四种分组延时

  1. 节点处理延时

    • 检查 bit 级差错
    • 检查分组首部和决定将分组导向何处

  2. 排队延时

    • 在输出链路上等待传输的时间
    • 依赖于路由器的拥塞程度

  3. 传输延时

    • R = 链路带宽 (bps)
    • L = 分组长度 (bits)
    • 将分组发送到链路上的时间 =$$L/R$$
    • 存储转发延时

  4. 传播延时

    • d = 物理链路的长度
    • s = 在媒体上的传播速度 (~$$2*10^8 m/s$$)
    • 传播延时 = d/s

  5. 节点延时

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    • 因素

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# 2. 吞吐量

  • 在源端和目标端之间传输的有效数据量的速率 (数据量 / 单位时间)
    • 瞬间吞吐量：在一个时间点的速率
    • 平均吞吐量：在一个长时间内平均值
    • 瓶颈链路
      • 端到端路径上。限制端到端吞吐的链路

# 7. 协议层次和服务模型

# 1. 服务和服务点

  1. 服务 (Service)：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力
    • 服务用户 (service user)
    • 服务提供者 (service provider)
  2. 原语 (primitive)：上层使用下层服务的形式，高层使用低层提供的服务，以及低层向高层提供服务都是通过服务访问原语来进行交互的形式
  3. 服务访问点 SAP (Service Access Point)：使用下层提供的服务通过层间的接口 — 地点：
    • 例子：邮箱
    • 地址 (address)：下层的一个实体支撑着上层的多个实体，SAP 有标志不同上层实体的作用
    • 可以有不同的实现，队列
    • 例子：传输层的 SAP：端口 (port)

# 2. 服务类型

  1. 面向连接的服务
    • 连接 (Connection)：两个通信实体为进行通信而建立的一种结合
    • 面向连接的服务通信的过程：建立连接、通信、拆除连接
    • 面向连接的例子：网路层的连接被称为虚电路
    • 适用范围：对于打数据块要传输，不适合小的零星报文
    • 特点：保护
    • 服务类型
      • 可靠的信息流：传送页面 (可靠的获得，通过接收方的确认)
      • 可靠的字节流，远程登陆
      • 不可靠的连接，数字化声音
  2. 面向无连接的服务 (Connection Service)
    • 无连接服务：两个对等层实体在通信前不需要建立一个连接，不可预留资源；不需要通信双方都是活跃：(例：寄信)
    • 特点：不可靠、可能重复、可能失序
    • IP 分组，数据包
    • 适用范围：适合传输零星数据
    • 服务类型：
      • 不可靠的数据报，电子方式的函件
      • 有确认的数据报、挂号信
      • 请求回答、信息查询

# 3. 服务和协议

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  • 数据单元 (DU):image-20220328203928045

# 4. 分层对于复杂系统的好处

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# 5. Internet 协议栈

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# 6. 封装与解封装

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# 7. 各层次的数据单元

  • 应用层：报文 (Message)
  • 传输层：报文段 (Segment)：TCP 端、UDP 数据报
  • 网络层：分组 packet (无连接方式：数据报 datagram)
  • 数据链路层：帧 (frame)
  • 物理层：位 (bit)