网络概念
网络：由点和边构成的，与大小和形状无关的拓扑
计算机网络：
计算机网络中的点包括主机节点（各种设备）、数据交换节点（中继器、交换机、路由器等）
边称为通信链路，包括接入链路（access）：主机连接到互联网的链路；主干链路（backbone）：路由器间的链路
还包括协议，即计算机网络中的标准
互联网：以TCP/IP为主的一簇协议支撑的，应用最 的一种网络
- 端系统/主机：设备本身，操作系统，网络应用程序
- 分组交换设备：不同层次由不同设备负责（路由器-网络层，交换机-通信层）
- 通信链路
- 协议：对等层的实体进行通信时遵守的一系列规则（即控制发送接收消息的标准）
- 互联网是网络的网络：不同网络通过一系列网络交换节点相连
- Internet标准：以IETF（互联网工程任务组）发布的RFC（请求评述）文档形式
- 互联网还是为分布式应用提供通信接口的基础设施，将发送和接收数据的apps和互联网连接起来，并为app应用提供服务选择（TCP，UDP等）
网络结构
- 网络边缘：包括主机和应用程序
- 网络核心：由数据交换节点构成的网络，网络的网络
- 接入网：边缘接入核心的路径
网络边缘
网络边缘包括分布式应用以及为其提供通信服务的基础设施
可以将应用层下的所有部分看作基础设施
模式
客户端/服务器模式（C/S模式）：
客户端向服务器主动请求、接受服务，因此要求服务器先启动，客户端后启动
缺点：可扩展性、可靠性较差，随着请求负载增加，能力下降，当达到一定阈值时，会断崖式下降
对等模式（Peer2Peer模式）：
每个分布式应用进程从某些会话来看是客户端，从另一些会话来看是服务器，即分布式应用可以是客户端也可以是服务器
这样的去中心化使得当请求资源的节点变多时，提供资源的节点也在变多
如BitTorrent的原理，可以多片段同时下载，使得加载速度变快
提供通信服务的方式
面向连接的通信方式（TCP）：
两个通信主机在连接前要握手，即建立连接状态，做好准备
特性：
- 可靠的，按顺序的传送数据：包括确认和重传
- 流量控制：发送方不会淹没接收方
- 拥塞控制：网络拥塞时，发送方可以降低发送速率
应用：HTTP，FTP，SMTP等
无连接的通信方式（UDP）：
无连接服务，不需要确认，因此不可靠数据传输、无流量和拥塞控制
但是速度快，实时性强
应用：实时流媒体，远程会议，DNS等
网络核心
网络核心是实现数据交换的网状网络
电路交换
端到端的资源被分配给从源端到目标端的呼叫
实现通信需要通过信令系统，在网络中为两者分配一条独享线路
通过各种方式可将节点间的线路分成若干小片（piece），信令系统从两者间挑出空闲的若干片连接起来，分配方式包括频分、时分、波分、码分等
这样分配的线路可以保障性能
如果这样的通信没有数据发送，被分配的资源就会被浪费
注意：传输时需要时间，所以接受到的时间应该是发送时间+传输时间（发送的同时也可以接受，不需要算两遍）
通常被电话网络采用
缺点：不适合计算机之间的通信，建立连接时间长，浪费片会很多
分组交换
转发方式：
以分组（packet）为单位存储，网络带宽资源不再分为一片，传输时使用全部带宽；通过存储→转发的方式在每个交换节点之间进行数据交换，这一个过程称为一跳（hop）
转发之前，每个交换节点需要将分组完全存储下来，在空闲的时候转发到下一个节点，这样可以避免交换过程占用整条链路
但这种方法延迟要比电路交换更大，而且会有排队延迟（多个分组排队传输），例如在一个速率为R
bps的链路中，一个长度L bits分组的存储转发延时为
分类：
数据报回路
- 分组携带的目标地址决定下一跳
- 无需建立连接，有数据就可以传输
- 每个分组都独立路由
- 在不同阶段，路由可以改变
虚电路回路
- 每个分组带有标签
- 呼叫建立时通过信令决定路径（类似握手），整个呼叫中路径保持不变
- 路由器维持每个呼叫的状态信息
排队延迟：
如果到达速率大于链路的输出速率，分组就会开始排队传输
当排队的分组将路由器的缓存用完了，分组就会被丢弃
统计多路复用：
分组交换对多个输入采用的分配模式类似于TDM（时分），但分组交换的时间片划分方式不少固定的，是一种按需分配， 称为统计多路复用（Statistical TDM）
缺点：滥用可能导致网络拥塞
网络核心的功能
- 路由：查询路由表决定分组采用的源到目标的路径，使用了路由算法
- 转发： 将分组从路由器的输入链路转移到输出链路
接入网和物理媒体
接入网将边缘设备接入网络核心
接入网络方式
modem（调制解调器）
调制解调器可以将信号通过调频、调幅、调相等使得数据以音频载波等形式来传输，一侧调制后另一侧接受到可以解调
这样我们可以通过已有的电话线并接上猫就可以传输数据
缺点是带宽比较窄，且不能同时打电话和上网
DSL
仍然采用已有电话线，将频率分开，0-4kHz用于语音通讯传入电话网，4kHz以上，以非对称模式，一部分用于上行，另一部分用于下行（占比更多）传入互联网，这两部分仍然使用调制解调方式
若上行和下行带宽不对称，称为ADSL
线缆网络
将有线电视信号线缆双向改造，使用FDM（频分复用）技术在不同频段传输不同信道数据，如数字电视信号和上下行上网数据，用户通过Cable Modem接入互联网
采用HFC接入方式接入，也是非对称的，各个用户共享到线缆头端的接入网络，上网用户越多，每个用户实际带宽越窄
无线接入方式
将端系统通过基站（接入点）连接到路由器
- WLANs：一般在建筑物内部使用
- 广域无线接入：由移动蜂窝网络运营商提供，范围大
物理媒体
处于第零层，在发送-接受对之间传输bit用
分为
- 导引型介质：信号在有形的介质上传播
- 非导引型介质：信号在开放空间自由传播
导引型介质
- 双绞线：两根绝缘铜线拧在一起
- 同轴电缆：两根同心的铜导线，双向，宽带电缆上有多个信道，基带电缆上是单一信道
- 光纤/光缆：使用玻璃纤维传递光脉冲，每个脉冲传递1bit，高速点到点的传输带宽，有低误码率和安全性
非导引型介质
- 地面微波
- LAN（如WIFI）
- wide-area（如移动数据）
- 卫星
互联网结构和ISP
互联网结构
端系统是通过接入ISP（互联网服务提供商）连接到互联网，而接入ISP相应的必须是互联的，任何两个端系统可以相互发送分组到对方，这导致网络的网络变得复杂
若将每两个ISP相连，则可以达到
若将每个ISP接入全局ISP，则因为经济关系肯定会有竞争，产生多个全局ISP；多个ISP也可以产生合作，完成业务扩展；业务也可以细分，产生全球接入与区域接入
对于ICP（互联网内容提供商），若它依赖的ISP收费过高、质量不好等原因，它自己也可以实现通过全球建立DC（数据中心），铺设专门的线缆；且DC建立在ISP周围，用户可以通过ISP快速访问数据
因此互联网结构可以概括为：
- 以第一层ISP为中心，实现国家或国际覆盖，他们通过peer2peer或IXP直接与其他第一层ISP相连，向下与大量第二层ISP和其他客户网络相连
- 第二层ISP通常是区域性的，他们与一个或多个第一层ISP，也可能与其他第二层ISP互联
- 第三层ISP或Local ISP将终端接入网
ISP的连接
- POP：高层ISP面向客户网络的接入点，如一个底层ISP接入多个高层ISP，涉及费用结算
- 对等接入：两个ISP对等互联，不涉及费用结算
- IXP：多个对等ISP互联互通之处，不涉及费用结算
- ICP专网，同时和各级ISP互联
分组延时、丢失和吞吐量
产生原因
路由器缓冲区存在一个分组队列，当有其他分组正在传输，当前分组需要排在这个分组队列中，等待它前面的释放完毕再输出
队列容量是有限的，若队列溢出，当前分组就会被丢弃掉，这就是分组延迟和丢失的原理
延迟类型
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
排队延时：
- 输出链路上等待传输的时间
- 依赖于流量强度
，其中分组长度为L bits，传输带宽为R bps，分组到达队列的平均速率a - 流量强度I处于0到1之间，趋近于1时，排队延迟趋近于无穷大，因此设计系统时流量强度不能大于等于1
传输延时：
若分组长度为L bits，传输带宽为R bps，则传输需要的时间为
传播延时：
若物理链路长度为d，在媒体上的传播速度为s，则传播延时为
总的节点延时是上面的数据之和
Traceroute
互联网的延时和路由可以通过Traceroute诊断程序测试，它提供从源端经过路由器到目的的延时测量
- 对于从源到目标的第i个路由器，发送三个测量分组
- 路由器将数据包返回给发送者
- 发送者测量从传输和回复之间的时间间隔
原理：利用了ICMP（互联网控制报文）协议，每个IP的header中有一个TTL（生存时间）字段，当到达一个路由器时，TTL-1，若到某个路由器，TTL减为0，则该分组抛掉，并通过ICMP告诉源主机
执行Traceroute的时候，将第i个分组的TTL字段设置为i，当分组被第i个路由器抛掉后，会向源主机通知其IP，这样源主机就可以知道分组来回的时间（称为RTT）；当分组达到目标主机，让分组对应的上传的端口没有应用守护，使得目标端口不可达，通知源主机，这样源主机就能知道结束
吞吐量
在源和目标端之间传输的速率（数据量除以单位时间）
分为：
- 瞬间吞吐量：在一个时间点的速率
- 平均吞吐量：在一个长时间内的平均值
多个链路不同吞吐量遵循短板效应，其中限制端到端吞吐量的路径上的某条链路称为瓶颈链路
若第i跳通过的链路中，有n个连接在使用，则每个连接占用的带宽是
协议层次和服务模型
协议层次
网络是一个很复杂的系统，由各种元素和设备组成，这么复杂的网络功能是通过层次化来实现的：
- 将网络复杂的功能，分成一层层功能明确的层次，每一层实现一种一个或一组功能，功能中有其上层可以使用的服务
- 对等层通过协议实体相互交互，为了实现本层功能，通过接口更好为上层提供服务
- 实现本层协议时直接利用了下层的服务
服务
服务是底层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力：分为服务用户和服务提供者
原语
是上层使用下层服务的形式，高层使用底层的服务，底层向高层提供服务都是通过服务访问原语来交互的
服务访问点（SAP）
接口上的具体位置，用于区分不同上层用户，如传输层的SAP端口
类型
面向连接的服务：
两个通信实体为了进行通信而建立一种结合，为通信做好准备，表现在资源准备和控制变量置位，服务过程包括建立连接，通信，拆除。这种服务通常是可靠的
无连接的服务：
两个对等层实体通信前不需要建立一个连接，不预留资源，通信发起时不知道对方是否活跃，是不可靠的服务
服务与协议
- 服务是低层实体向上层实体提供它们之间的通信能力，是通过原语操作的，传输方向是垂直的
- 协议是对等层实体之间再相互通信的过程中，需要遵循的规则集合，传输方向是水平的
- 本层协议的实现要靠下层提供的服务来实现
- 本层实体通过协议为上层提供更高级的服务
数据单元
数据单元用于层间传输数据：
- 上层传来SDU（服务器数据单元），SDU加入一些接口信息，形成IDU以便穿过接口
- 本层拿到SDU后，会加上本层需要的附加信息（Header），形成本层的PDU（协议数据单元）
- 对等层协议实体之间交换都是通过本层的PDU实现交换的
当SDU过大时，会将SDU分为多块，每块都会加上Header作为PDU
当SDU过小时，会把若干SDU合在一起，加上Header作为PDU
Internet协议栈
互联网分为五个层次，自下而上分别是：
物理层
负责传输比特数据
发送端负责将上层传下来的帧以比特换为物理信号，通过介质传输给对方
接收端负责将介质中的物理信号还原为原来的数据
链路层
在物理层提供的服务的基础上，在相邻两点之间传输以帧为单位的数据
负责的是将若干比特按一定规律组合为一帧，实现的是点到点之间的传输
包括PPP，以太网，WLAN协议
网络层
实现源主机到目标主机之间的数据报传输
实现的是端到端之间的传输，且传输不可靠
包括IP和路由协议
传输层
实现主机之间的数据传输，在网络层提供的端到端通信基础上细分为进程到进程
通过TCP/UDP将不可靠的通信变为可靠的通信
应用层
为用户或其他应用进程提供网络应用服务
包括很多协议，如FTP，SMTP，HTTP，DNS等
ISO/OSI参考模型
这种模型多了两层：
- 表示层：允许应用解释传输的数据
- 会话层：数据交换的同步，检查点，恢复
互联网协议栈这两层靠应用层自己实现
各个层次的协议数据单元
- 应用层：报文
- 传输层：报文段：TCP段、UDP数据报
- 网络层：分组packet（若无连接方式：数据报datagram）
- 数据链路层：帧
- 物理层：位
封装与解封装
- 传输层：使用传输层报头
Ht封装应用层报文M，以创建报文段，Ht用于传输层协议实现其服务 - 网络层：用网络层报头
Hn封装传输层报文段，以创建数据报，Hn用于网络层协议实现其服务 - 链路层：使用链路层报头
Hl创建链路层帧，封装网络数据报
其中，中间经过交换机还需要两层封装解封装，经过路由器需要三层封装解封装
