计算机 络——chapter 1 计算机 络和因特

第一章 计算机 络和因特

1.1 什么是因特

1.1.1 具体构成描述

• 主机(host)/端系统(end system)通过通信链路(communication link)和分组交换机(packet switch)连接到一起。
• 分组(packet)：发送端系统将数据分段，为每段加上首字节形成数据包。
• 两种最著名的分组交换机为：路由器(router)（常用于 络核心）和链路层交换机(link-layer switch)（常用于接入 ）。
• 路径(route/path)：一个分组所经历的一系列通信链路和分组交换机
• 因特 服务提供商(Internet Service Provider,ISP)：由多个分组交换机和多段通信链路组成的 络，各ISP为端系统提供了各种不同类型的 络接入。
• 因特 两个最为重要的协议：TCP(Transmisson Control Protocol,传输控制协议)和IP(Internet Protocol, 际协议)
• IP协议定义了在路由器和端系统之间发送和接收的分组格式。

1.1.2 服务描述

• 分布式应用程序(distrubuted application)：电子邮件、即时讯息、 交 络等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)：规定运行在一个端系统上的软件请求因特 基础设施向运行在另一个端系统上的特定目的地软件交付数据的方式。

1.1.3 什么是协议

• 协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的 文格式和次序，以及 文发送或接收等事件所采取的动作。

1.2 络边缘

1.2.1 接入

• 边缘路由器(edge router)：端系统到任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器。
• 接入 (access network)：指将端系统连接到其边缘路由器的物理链路。
• 家庭接入：DSL、电缆、FTTH、拨 和卫星
  • 宽带住宅接入两种最流行的类型：**数字用户线(Digital Subscriber Line，DSL)**和电缆
  • DSL
    • 每个用户的DSL调制解调器使用现有电话线与位于本地电话公司的本地中心局(CO)中的数字用户接入复用器(DSLAM)来交换数据。
    • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-lwRd4mwJ-1654657320185)(C:UsersDAYUPDAYTOYAppDataRoamingTyporatypora-user-imagesimage-20220531204513144.png)]
    • 电话线同时承载了数据和传统的电话信 ，编码为不同的频率，这种方法使一个电话呼叫和一个因特 连接能够同时共享DSL线路。
  • 电缆因特 接入(cable Inter access)
    • 住宅从提供有线电视的公司获得电缆因特 接入
    • 混合光纤同轴(Hybrid Fiber Coax，HFC)：光纤和同轴电缆混合应用
    • 电缆调制解调器(cable modem)：外部设备，通过一个以太 端口连接到家庭PC
    • 电缆调制解调器端接系统(Cable Modem Termination System，CMTS)：将来自许多下行家庭中的电缆调制解调器发送的模拟信 转换回数字形式。
    • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-qerfPxHf-1654657320186)(C:UsersDAYUPDAYTOYAppDataRoamingTyporatypora-user-imagesimage-20220531210636599.png)]
  • 光纤到户(Fiber To The Home，FTTH)
    • 从本地中心局直接到家庭提供了一条光纤路径。
    • 两种竞争性的光纤分布体系结构：主动光纤 络(Active Optical )和被动光纤 络(Passive Optical NEtwork，PON)，AON基本上是交换因特 。
    • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-yZdscVpM-1654657320188)(C:UsersDAYUPDAYTOYAppDataRoamingTyporatypora-user-imagesimage-20220602094835108.png)]
    • 每个家庭有一个光纤 络端接器(Optical Network Terminator，ONT)，它由专门的光纤连接到邻近的分配器(splitter)。该分配器把一些家庭（通常少于100个）集结到一根共享光纤，再连接到本地电话和公司的中心局中的光纤线路端接器(Optical Line Ternimator，OLT)。OLT提供光信 和电信 之间的转换，经过本地电话公司路由器和因特 相连。
• 企业（和家庭）接入：以太 和WiFi
  • 通常用局域 （LAN）将端用户连接到边缘路由器。
  • 以太 目前是最流行的接入技术。
  • 以太 用户通常以100Mbps速率接入以太 交换机，而服务器可能具有1Gbps甚至10Gbps
  • [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-63UTKhan-1654657320189)(C:UsersDAYUPDAYTOYAppDataRoamingTyporatypora-user-imagesimage-20220603092901810.png)]
• 广域无线接入：3G和LTE
  • 通过蜂窝 提供商运营的基站来发送接收分组，与WiFi不同，一个用户仅需要位于基站的数万米（而不是几十米）范围内。

1.2.2 物理媒体(pyhsical medium)

• 物理媒体分为两类：导引型媒体(guided media)和非导引型媒体(unguided media)
• 导引型媒体电波沿着固体媒体前行，如光缆、双绞铜线、同轴电缆
• 非导引型媒体电波在空间或外层空间中传播，如无线局域 、数字卫星频道

1. 双绞铜线

   • 最便宜且使用最为普遍的引导型媒体
   • 两根铜线绞合起来以减少来自邻近类似的双绞线的电气干扰
   • **无屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair,UTP)**常用在局域 (LAN)中
   • 所能达到的数据传输速率取决于线的粗细以及传输方和接收方之间的距离。

2. 同轴电缆

   • 由两个铜导体组成，以同心而不是并行的方式，借助这种结构及特殊的绝缘体和保护层，同轴电缆能达到较高的数据传输速率
   • 在电缆电视系统中常见
   • 能被用作导引型共享媒体，许多端系统能直接与该电缆相连，每个端系统能接收由其他端系统发送的东西。

3. 光纤

   • 能够导引光脉冲的媒体，每个脉冲表示一个比特
   • 一根光纤高达数十甚至数百Gbps，不受电磁干扰，长达100km的光缆信 衰减极低，并且很难窃听
   • 光纤广泛应用于因特 的主干和长途电话 络

4. 陆地无线电信道

   • 承载电磁频谱中的信 ，不需要安装物理线路
   • 极大依赖传播环境和传输信 的距离（路径损耗、遮挡衰落等）

5. 卫星无线电信道

   • 同步卫星(geostationary satelite)和近地轨道(Low-Earth Orbiting,LEO)卫星
   • 同步卫星永久停留在地球表面上方36000km的轨道上相同点
   • 近地轨道卫星非常靠近地球，围绕地球旋转。

1.3 络核心

• 络核心，即由互联因特 端系统的分组交换机和链路构成的 状 络。

1.3.1 分组交换（packet switch）

• 端系统彼此交换 文(message)；源端系统将长 文划分为较小的数据块，称之为分组(packet)；在源和目的之间，每个分组都通过通信链路和分组交换机(packet switch)（主要是路由器和链路层交换机）传送。
• 若某源端系统或分组交换机经过一条链路发送一个L比特的分组，链路传输速率为R比特/秒，则传输该分组的时间为L/R秒

1. 存储转发传输
   • 多数分组交换机在链路的输入端使用**存储转发传输(store-and-forward transmisson)**机制：交换机开始向输出链路传输该分组的第一个比特之前，必须接收到整个分组。
   • 通过由N条速率均为R的链路组成的路径（N-1台路由器），则发送一个分组的端到端时延是：N*(L/R)
   • P个分组经过N条链路序列的时延：N*(L/R)+(P-1)(L/R)=(N+P-1)(L/R)
2. 排队时延和分组丢失
   • 每个分组交换机连接多条链路，对于每条相连的链路，该分组交换机具有一个输出缓存(output buffer)，用于存储路由器准备发往那条链路的分组。
   • 如果到达的分组发现要传输的链路忙于传输其他分组，该到达分组必须在该输出缓存中等待，因此分组还存在排队时延(queue delay)。
   • 当一个到达的分组发现缓存已被其他等待传输的分组充满的情况下，将出现分组丢失（丢包）(packet lost)
3. 转发表和路由选择协议
   • 每台路由器具有一个转发表(forwarding table)，用于将目的地址映射为输出链路。
   • 因特 具有特殊的路由选择协议(routing protocol)，用于自动地设置转发表

1.3.2 电路交换（circuit switching）

• 在电话交换 络中，端系统通信会话期间，预留了端系统间通信沿路径所需要的资源（缓存，链路传输速率）。

• 在发送方发送信息之前，该 络必须在发送方和接收方之间建立一条连接，此时路径上的交换机都将为该连接维护连接状态。该连接称为一条电路。

• – 每条链路有四条电路，能够支持4条并行的连接。 – 当两台主机要通信时，该 络在其之间创建一条专用的**端到端连接(end-to-end connection)**。 – 因为每条链路具有4条电路，对于由端到端连接所使用的每条链路而言，该连接在连接期间获得链路带宽的1/4部分。

• 链路中的电路通过**频分复用(Frequency-Division Multiplexing，FDM)或时分复用(Time-Division Multiplexing，TDM)**来实现。

• 电路交换不考虑需求，预先分配传输链路的使用，是的已分配而并不需要的链路时间未被利用；分组交换按需分配链路使用，链路传输能力在所有用户之间逐分组地被共享。

1.3.3 络的 络

• 络结构1：用单一的全球承载ISP互联所有接入ISP
• 络结构2：由数十万接入ISP和多个全球承载ISP组成
• 络结构3：每个城市有接入ISP，与省级ISP连接，省级ISP又与国家级ISP连接，国家ISP最终与第一层ISP连接
• 络结构4：由接入ISP、区域ISP、第一层ISP、PoP（存在点Point of Presence）、多宿（multi-home）、**对等（peer）和IXP（因特 交换点 Internet Exchange Point）**组成的生态系统。
• 络结构5：通过在 络结构4顶部增加**内容提供商 络(content provider network)**构建而成。

1.4 分组交换 中的时延、丢包和吞吐量

1.4.1 分组交换 中的时延概述

• 处理时延(processing delay)：检查分组首部、决定导向和检查比特差错等的时间
• 排队时延(queuing delay)：在队列中分组在链路上等待传输的时间
• 传输时延(transmission delay)：仅当所有到达的分组被传输后才能传输刚到达的分组。用L比特表示该分组的长度，Rbps表示从路由器A到B的链路传输速率，则传输时延是L/R
• 传播时延(propagation delay)：从一条链路的起点到终点传播所需要的时间，d表示路由器A到B的距离，s是传播速率，则传播时延是d/s
• 传输时延是将分组推出所需要的时间，传播时延是一个比特从一个路由器向另一台路由器传播所需时间
• 总时延=d(proc)+d(queue)+d(trans)+d(prop)

1.4.2 排队时延和丢包

• 与其他三项时延不同，排队时延对不同的分组可能是不同的，因此常用平均排队时延、排队时延的方差和排队时延超过特定值的概率。
• 路由器的排队容量有限，到达的分组发现队列满了会被路由器丢弃（drop），即该分组丢失（lost）

1.4.3 端到端时延

• 源主机和目的主机间有N-1台路由器，假设 络无拥塞（排队时延不计），则端到端时延：d(end-end)=N(d-proc+d-trans+d-prop)
• Traceroute：源主机中的该程序朝着该目的地发送多个特殊的分组，它们通过一系列路由器。当路由器接收到这些特殊分组之一时，它向源回送一个短 文，包括该路由器名字和地址。
• 端系统中还有其他时延，如IP语音（VoIP）应用中的媒体分组化时延。

1.4.4 计算机 络中的吞吐量

• 考虑主机A到主机B跨 传送一个大文件：
  • 在任何时间瞬间的瞬时吞吐量(instantaneous throughput)是主机B接收到该文件的速率。
  • 如果该文件为F比特，主机B接收所有F比特用去T秒，则文件传送的平均吞吐量（average throughput）是F/T bps
• 因特 中对吞吐量的限制因素通常是接入
• 吞吐量取决于数据流过的链路的传输速率和干扰流量

1.5 协议层次及其服务模型

1.5.1 分层的体系结构

• 五层因特 协议栈	七层开发系统互联(OSI)参考模型
  应用层—— 文(message)	应用层
  运输层—— 文段(segment)	表示层(通信的应用程序解释交换数据的含义)
  络层——数据 (datagram)	会话层(提供了数据交换定界和同步功能)
  链路层——帧(frame)	运输层
  物理层	络层
  	链路层
  	物理层

1.5.2 封装(encapsulation)

• 链路层交换机实现第一层和第二层，能够识别第二层地址，如以太 地址

• 路由器实现第一层到第三层，能够实现IP协议

• 在每一层，一个分组具有两种类型字段：首部字段和有效载荷字段(payload field，通常来自上一层的分组)

• 应用层 文	application-layer message	disstributed application
  运输层 文段	transport-layer segment	process-to-process
  络层数据	network-layer datagram	host-to-host
  链路层帧	link-layer frame	neighboring

1.6 面对 络的攻击

文章知识点与官方知识档案匹配，可进一步学习相关知识 络技能树认识身边的计算机 络常见的 络设备22412 人正在系统学习中