第一章——综述

大大源码 • 2023年3月28日 pm11:02 • 其他

文章目录

一、什么是因特网
二、网络边缘
三、接入网
四、网络核心
五、分组交换中的时延、丢包和吞吐量
六、协议层次及服务模型

一、什么是因特网

（一）若干角度看互联网

1、具体构成角度：

因特网由主机、通信链路、分组交换机组成。

2、服务角度：

因特网由分布式应用和为分布式应用提供服务的基础设施组成。

3、从网络角度看因特网：

网络由节点和边组成，因特网的节点和边是什么呢？
(为了”维持“因特网，在节点和边的基础上，需要增加协议)
节点：
①主机(端系统)
②分组交换机
边：
①接入网链路：位于接入网的链路
②网络核心链路：位于网络核心的链路
协议：
控制网络信息传输的规则

4、从网络的网络的角度看因特网：

ISP是网络，因特网是ISP构成的网络，所以因特网是网络的网络。

（二）若干概念解释

主机：运行网络应用的设备，也称为端系统。
分组交换机：由入链路接收数据，向出链路发送数据的设备。
通信链路：传输数据的链路。
链路的传输速率：以比特/秒度量。

分组交换机包括路由器和链路交换机。
其区别是路由器位于网络核心，而链路交换机位于接入网。

路径：数据经过的一系列通信链路和分组交换机称为路径。

因特网服务提供商(ISP)：由一个或多个分组交换机和多条通信链路构成的网络。
内容提供者：提供互联网的内容的人，如Web站点。
网络服务提供商为端系统和内容提供者提供接入服务。
接入服务分为不同种类型，之后详细介绍。
因特网将端系统彼此互联，因为将端系统接入网络的ISP也必须互联构成网络，因而因特网也称为网络的网络。
底层ISP通过高层ISP互联。

因特网工程组(IETF)通过发布请求评论(RFC)指定互联网协议。

分布式应用：运行在端系统上的应用，涉及多台端系统之间的数据交换。
注意，分布式应用运行在端系统上，不运行在分组交换机上；分组交换机只用于数据交换。

运行在一个端系统上的应用怎么向另一个端系统上的应用传输数据？
端系统提供了应用程序接口(API)，该API规定了/运行在一个端系统上的应用/请求/因特网基础设施/向运行在另一个端系统上的特定应用/交付数据的方式。

协议定义了两个或多个通信实体交换的报文的格式、次序以及(交换报文时)应采取的动作。
凡是因特网之间的通信，都必须受协议的制约。
不同的协议用于完成不同的任务。

二、网络边缘

概括：
网络可以按照逻辑位置分为以下3部分，并给出其功能。
网络边缘：运行应用
接入网：将网络边缘接入网络核心
网络核心：将节点连接起来交换数据

为什么运行网络应用的设备叫做"端系统"？
因为他们位于网络的边缘，以端点的身份位于网络中。
端系统一般包含桌面计算机、移动计算机、服务器等等。

端系统也称为主机，因为他们运行程序。

主机分为客户和服务器。

三、接入网

接入网：将端系统连接到边缘路由器的物理链路
边缘路由器：端系统到另一个端系统路径上经过的第一台路由器

（一）家庭接入

①数字用户线(DSL)
②电缆
③光纤到户(FTTH)
④拨号和卫星

（二）企业(和家庭)接入

一个较大范围的用户通常使用局域网(LAN)将端用户接入互联网
①以太网
②Wifi(无线局域网)

（三）广域无线接入

①3G、4G
②LTE

（四）物理媒体

需要跨越物理媒体传播电磁波或者光脉冲发送比特
物理媒体的分类：
导引型媒体：数据沿着固体媒体前行，如光缆、双绞铜线、同轴电缆。
非导引型媒体：数据在空气或外层空间传播，如无线局域网、卫星。
区分：一个看得见摸得着；一个看不见摸不着。
注意，这里说的是传输数据的媒体“看得见摸得着”，而不是数据本身……

四、网络核心

网络核心：由分组交换机和链路构成的网络
网络核心的功能是将节点连接起来并交换数据，接下来介绍交换数据的两种主要方式——分组交换和电路交换。

（一）分组交换

端系统彼此交换报文；
报文中包含数据或者用于执行控制功能的数据；
源将长报文划分成较小的数据块，称为分组；
每个分组通过通信链路和分组交换机传输；
分组以链路的最大传输速率通过通信链路；
传输速率单位一般为比特/秒，注意单位换算。

正确理解传输速率与传播速率(这对电路交换同样适用)：
传输速率也称为发送速率，不懂为什么书上偏要叫做链路的传输速率。
链路的传输速率是指主机、分组交换机推送数据出去的速率；所谓的“以链路的最大传输速率”本质上讲是“以主机、分组交换机的最大推送速率”；与主机、分组交换机有关而与链路距离无关。
而传播速率是指数据在链路上传播的速率；与链路之间的距离有关而与主机、分组交换机无关。
之后的时延讨论中，我们会有更多的讨论……

1、存储转发机制

存储转发机制：
分组交换机在链路的输入端采用存储转发机制——输入链路完整接收分组数据后再开始向输出链路传输数据。

基于存储转发机制，我们考虑N条传输速率均为R比特/秒的链路，从源主机向目的地发送1个长度为L比特的分组，传输所需要的传输时延。
在这里插入图片描述
计算方式：
我们仍以发送速率的角度看待问题，N条链路，意味着有N-1台路由器，但是不要忘记源主机，因而总共有N台机器传输分组，每台机器的发送速率为R。在t=0时刻，源主机开始发送分组；在t=L/R时刻，第一台路由器完整接收分组并开始转发；在t=2L/R时刻，第二台路由器完整接受分组并开始转发……发现规律，即n台机器参与发送分组，传输时间总共为nL/R，即答案。

我们用一张图来理解这个题目，虽然有点大材小用，但是这对我们之后的理解很有帮助，之后的时延题目都可以用这样的模型解决。
模型构建：
图中的每一条实线都代表了数据的传输，以横轴表示数据传输的距离，以纵轴表示数据传输的时间。
（本题中不考虑传播时延，因而我们的距离会相对于时间产生突跃。
在这里插入图片描述

如果上述题目中不采用存储转发机制，所需传输时延为多少？
总传输时延永远为L/R，而与多少链路没有关系。因为第一台路由器接收数据就将其转发，其他路由器同理，在忽略其他时延的条件下，目的地接收的数据的时刻与源主机发送数据的时刻相同，因而只要源主机完整发送分组，目的地就会完整接收分组。
在这里插入图片描述

好的，我们来看一个稍微有点难度的问题：
仍然以存储转发机制，将上题目中的1个分组换成k个分组，所需的传输时延又是多少呢？
首先：源主机源源不断地发送分组，发送完某个分组后会立即发送之后的分组。
其次：多个分组的传输时间问题，转换为1个分组的传输时间问题 + 其余分组相对于第1个分组滞后时间的问题。
对于本题，第1个分组传输时间为NL/R，第2个分组相对于第1个分组滞后L/R，第3个分组相对于第2个分组滞后L/R……因为第k个分组相对于第1个分组滞后(k-1)L/R，所以总共的传输时延为NL/R+(k-1)L/R = (N+k-1)L/R。
在这里插入图片描述

2、排队时延和分组丢失

每个分组交换机与多条链路相连，对于每条链路，分组交换机有一个输出缓存(也成为输出队列)，用于存放即将发往这条链路的分组，显然一个分组交换机有多个输出缓存。
输出缓存是有限的，当缓存被充满时，缓存中的分组或者新到的分组之一会被丢失，这就是分组丢失。
如果一条链路正在传输分组，那么输出缓存中的其他分组必须等待，等待传输的时延称为排队时延。
排队时延是变化的，取决于网络的拥塞程度。
为什么要设计输出缓存，因为一般而言，到达分组交换机的分组速率比离开分组交换机的分组速率更快。

3、转发表和路由选择协议

IP地址指明了数据的目的地，IP地址具有等级结构。
每台路由器都有转发表用于将IP地址映射为输出链路。
路由选择协议会计算源主机到目的地的最短路径，并根据最短路径自动设置路由器的转发表。

（二）电路交换

电路交换

两个端系统通信期间，电路交换网络预留了该通信沿路径所需的资源，这些资源被该通信独享，后果是必须其他用户等待接入通信线路。

所谓的“预留”，实际上是指在两个端系统之间建立了一条连接，路径上的所有交换机都要维持这条连接。

电路交换网络为连接预留了恒定的传输速率(每条链路的一部分)，并且能确保这个速率。

静默期：建立连接但是没有使用。
因为静默期，电路交换资源利用率低

电路(连接) 是独享的，但是链路是共享的；链路通过时分复用、频分复用被多条电路共享。

链路支持的连接最大数目是固定的，当链路的传输速率固定时，单个连接的传输速率固定不变，而与当前连接数目无关。
例如(在连接平均分配链路速率的条件下)链路速率1Mbps，链路最多支持4条连接，那么每条连接的速率都是250kbps。
需要注意的是，不管当前建立了1条连接还是4条连接，连接的速率都是250kbps，不会因为现有连接数目的变化而变化。
换言之，连接的速率只与链路的速率和链路支持的最大连接数目有关。

1、电路交换中的复用

频分复用(FDM)
链路的频谱由所有连接共享，每个连接专用一个频段。

时分复用(TDM)
时间被划为固定区间的帧(可以理解为周期)，每帧划分为固定数量的时隙，每个连接专用一个时隙。
传输速率 = 帧速率 * 一个时隙传输的比特数

对于FDM，每个用户连续地得到部分带宽；
对于TDM，每个用户间断地得到全部带宽；
从这个角度上看，TDM和分组交换有一点点类似，都是间断地得到全部带宽。

2、电路交换和分组交换对比

分组交换无需建立连接，使用存储转发机制，端到端时延不可预测，不适用于实时通信，更容易实现，共享链路资源，按需分配，利用率高；
电路交换需要建立连接，不使用存储转发，端到端时延可预测，适用于实时通信，不容易实现，(单个连接)独享连接资源，预先分配，利用率低。
大趋势是电路交换—>分组交换。

关于端到端时延的对比：
电路交换有建立连接所需的时间，而没有存储转发机制带来的时延，因为电路交换的时延与链路数目无关。

（三）网络的网络

端系统通过ISP连入因特网，为实现端系统互联，ISP自身必须互联。
设想：每个ISP直接与其他所有ISP互联。
但是不可行，因为复杂度太高并且可扩展性差。
于是慢慢引出了之后的5种网络结构……
演化的规律：
①提供服务可以挣钱，请求服务需要花钱
②提供服务需要准备各种设施等等，需要成本
③有合作也有竞争
④体量太大的可以自己单干

1、网络结构1

用单一的全球承载ISP连接接入ISP

2、网络结构2

用多个全球承载ISP连接接入ISP；
两层结构——全球承载ISP互联，位于顶层；接入ISP位于底层。

3、网络结构3

多层次的网络结构
相比于网络结构2，增加了区域ISP。
多个底层ISP可以形成区域ISP，多个区域ISP可能形成更大的区域ISP
区域ISP可以连入顶层ISP或者更大的区域ISP

4、网络结构4

相比于3，增加了存在点、多宿、对等、因特网交换点。
存在点：高层的ISP，为低层ISP提供接入服务(所以存在点不包含接入ISP)
多宿：一个低层ISP可以接入多个高层ISP
对等：两个ISP层次相同时，互相接入，彼此不收费
因特网交换点：多个对等ISP的汇合之处

5、网络结构5

相比于4，在网络顶部增加了内容提供商网络，如谷歌数据中心
其特点是，提供商不用向顶层ISP付费；用户的网速更快。
ISP互联

五、分组交换中的时延、丢包和吞吐量

（一）单个节点的时延

节点总时延= 节点处理时延 + 排队时延 + 传输时延 + 传播时延

1、节点处理时延

①检查分组首部并决定将分组导向哪条链路
②检查比特级的错误
路由器的最大吞吐量：一台路由器能够转发分组的最大速率。
节点处理时延影响了路由器的最大吞吐量

2、排队时延

分组等待传输所需要的时延
详解见下

3、传输时延

将所有分组的比特推向链路所需要的时间。
传输时延取决于传输速率和比特数目

4、传播时延

分组在两地传播所需要的时间。
传播时延取决于两地距离

（二）排队时延和丢包

1、排队时延的表示

相同的路径，相同的分组仅排队时延可能不同，其它的时延必定相同。
那么我们用什么物理量来表示排队时延呢？
通常使用平均排队时延，排队时延方差，排队时延超过某特定值的概率来表征排队时延。

2、排队时延的影响因素

①分组到达该队列的速率
②链路的传输速率
③达到流量的性质(周期性到达还是突发式到达)

定义流量强度：
假设分组长度都为L比特，链路速率R bps，分组到达队列的平均速率a(单位分组/秒)，排队队列无限大；那么流量强度为La/R，即每秒到达的比特与每秒离开的比特的比值。

如果流量强度大于1，那么排队队列将趋近无穷，排队时延也将趋近无穷。
所以流量强度必须小于等于1，当然可以看到即使是接近1也不行。

考虑流量的性质：
假设初始排队队列为空，分组一个一个地周期性到达，每L/R秒到达一个分组，显然平均排队时延为0。
假设初始排队队列为空，分组突发式一组一组地周期性到达，每(L/R)N秒到达N个分组，求平均排队时延？
第一个分组排队时延为0，第二个分组的排队时延为L/R，以此类推……
t = (0+1+2+…+N-1) * (L/R) / N = [(N-1)/2] * (L/R)
所以，越是突发式到达分组，排队时延越长。
注意，实际中分组都是随机到达的。

3、丢包

实际中的排队队列是有限长的，因而随着流量强度趋近于1，排队时延不会趋近于无限大。
当分组到达一个满的队列时，路由器将会丢弃该分组，该分组将会丢失。
丢失包的数量随着流量强度的增加而增加。
丢失的包绝不会被传输到目的地。
为了数据的传输，丢失的包的数据，可能会形成新的包再次从端系统向端系统传输。

（三）端到端时延

假设有N条链路，忽略排队时延：
1个包的端到端时延 = N * 单个节点时延。
单个节点时延即(一)所说的3部分(去掉了排队时延)。

n个相同大小的包的端到端时延 = 1个包的端到端时延 + (n-1) * 单个节点的传输时延

具体见之前的题目。

（四）端到端吞吐量

1、定义

端到端吞吐量是指接收方的接收速率，包括瞬时吞吐量和平均吞吐量。
端到端吞吐量有时简称为吞吐量。
与路由器吞吐量对比，路由器吞吐量指路由器转发分组的最大速率。

2、影响因素

(端到端)吞吐量取决于数据流过链路的速率，根据木桶效应取最小。
情况一：当干扰流量很少(路径经过的网络核心的链路有很少的人用)或者网络核心链路速率很快时，吞吐量取决于接入网的速率，并取接入网中的最小链路速率。
情况二：当干扰流量多或者网络核心链路速率较慢时，吞吐量既取决于网络核心速率又取决于接入网速率，综合考虑取最小。

实际中，以情况一居多。

示例一：

吞吐量 = min{Rs,Rc}