网络实例

互联网的构成

  • 网络边缘
    • 端系统：位于互联网边缘与互联网相连的计算机和其他设备
    • 端系统由各类主机(host)构成：桌面计算机、移动计算机、服务器、其他智能终端设备
  • 网络核心
    • 由互联端系统的分组交换设备和通信链路构成的网状网络
      • 分组交换设备(路由器、链路层交换机)
      • 连接分组交换设备的通信链路(光纤、铜缆、无线电、激光链路)

按照网络范围来分

  • 个域网PAN (Personal Area Network)
    • 能在便携式消费电器与通信设备之间进行短距离通信的网络
    • 覆盖范围一般在10米半径以内，如蓝牙耳机等
  • 局域网LAN(Local Area Network)
    • 局部地区形成的区域网络，如企业网络
    • 分布地区范围有限，可大可小，大到一栋建筑、小到办公室内的组网
    • 电脑WLAN接入，打印机共享等等
  • 城域网MAN(Metropolitan Area Network )
    • 范围覆盖一个城市的网络
  • 广域网WAN(Wide Area Network)
    • 覆盖很大地理区域，乃至覆盖地区和国家

按照ISP类型来分

  • Tier-1 ISP
    • 全球最高级别ISP，互不结算
    • 比如中国电信、美国AT&T
  • Tier-2 ISP
    • 如教育网
    • 需要向更高级别的ISP交流量费

Internet：特指遵循 TCP/IP 标准、利用路由器将各种计算机网络互连起来而形成的、覆盖全球的、特定的互连网，是一个专有名词。

网络边缘

主机包括

  • 客户端：便携机、智能手机、平板电脑，智能手环等各类智能终端(都需要连入网络)
  • 服务器：(服务器通常位于数据中心)

主机的功能主要是运行应用程序、产生和接受信息。

接入网概述

接入网的目标是将主机连接到边缘路由器上(边缘路由器是端系统Host去往任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器)

接入网有有线接入和无线接入的方式。

  • 光纤到户FTTH：带宽大，线路稳定，在我国广泛使用
    • 分为有源光纤网络AON和无源光纤网络PON
    • PON中包括OLT(局部的光线路终端)和ONU光网络单元(如光猫ONT)，光猫ONT通过一个或多个无源分光器，连接到局端的光线路终端OLT
  • 数字用户线DSL(Digital Subscriber Line)
    • 复用之前的电话线，使用的是双绞线，成本低(国外使用广泛)
    • 上下行速率不对称
  • 同轴电缆
    • 复用有线电视线，多个家庭共享有线电视的头端
  • 无线局域网(WLAN)
    • 通常在建筑物内或者周围
  • 广域蜂窝接入网
    • 由移动蜂窝运营商提供

物理介质

  • 引导型介质：信号在固体介质中传播，例如铜、光纤、同轴电缆
  • 非引导型介质：信号自由传播，例如无线电(陆地无线电、卫星无线电信道)

主要的物理介质介绍：

  • 光纤：玻璃纤维携带光脉冲，每个脉冲一位；高速运行；低错误率
  • 双绞线：两根绝缘铜线互相缠绕为一对
    • 电话线为1对双绞线；网线为4对双绞线，广泛用于计算机网络(以太网)双向传输
    • 第5类：100 Mbps~1 Gbps；第6类：10Gbps
  • 同轴电缆：两根同心铜导线，双向传输
  • 无线电：电磁频谱中各种“波段”携带的信号，半双工(发送方到接收方)
    • 无线局域网(WiFi)10-100 Mbps；10米
    • 广域(如3/4/5G蜂窝)，在~10公里范围内
    • 蓝牙：短距离，有限速率
    • 地面微波：点对点；45 Mbps
    • 卫星
      • 同步卫星：36000km高空， 280毫秒的往返时延
      • 低轨卫星：近地，但围绕地球高速运动，需要大量卫星才能覆盖地球(采用低轨卫星降低通信时延)

网络核心

  • 目标：将海量的端系统互联起来
  • 由各类交换机(路由器)和链路，构成的网状网络

网络核心的两大功能：

  • 路由(全局操作)：确定数据分组从源到目标所使用的路径，需要路由协议和路由算法产生路由表
  • 转发(本地操作)：路由器或交换机将接收到的数据分组转发出去(即移动到该设备的某个输出接口)。根据从“入接口”收到分组头中的目的地址，查找本地路由表，确定“出接口”。

分组交换

  • 分组交换(packet switching)：通信双方以分组为单位、使用存储-转发机制，实现数据交互的通信方式
    • 每个分组的首部都含有地址(目的地址和源地址)等控制信息
    • 每个分组在互联网中独立地选择传输路径，因此一个报文可以被拆成分组之后通过不同路径到达目的地。
    • 支持灵活的统计多路复用

存储转发技术：路由器需要接收到完整的整个数据分组以后，才能开始下一跳发送
统计多路复用(statistical multiplexing)：主机A和B的报文分组按需共享带宽，

电路交换

面向连接的方式

先呼叫建立连接，实现端到端的资源(链路带宽资源、交换机的交换能力)预留，物理通路被通信双方独占，资源专用，即使空闲也不与其他连接共享。

  • 优点：由于建立连接并预留资源，因此传输性能好；
  • 缺点：但如果传输中发生设备故障，则传输被中断。同时资源独占比较浪费。

电路交换的多路复用：

  • 频分多路复用FDM(按照频段高低不同)
  • 时分多路复用TDM(按照时间切片)

报文交换

与分组交换类似，采用存储转发方式，但不将应用的大报文拆分成多个分组

几种交换方式的比较

网络协议

网络协议是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。通信双方需要共同遵守，互相理解。

网络协议三要素

  • 语法：规定传输数据的格式(如何讲)
  • 语义：规定所要完成的功能(讲什么)
  • 时序：规定各种操作的顺序(双方讲话的顺序)

协议层次结构

  • 层次栈
    • 为了降低网络设计的复杂性，大部分网络都组成一个层次栈，每一层都建立在其下一层的基础上
  • 对等实体
    • 不同机器上构成相应层次的实体成为对等实体
  • 接口
    • 在每一对相邻层次之间的是接口；接口定义了下层向上层提供哪些原语操作与服务
  • 网络体系结构
    • 层和协议的集合为网络体系结构，一个特定的系统所使用的一组协议，即每层的协议，称为协议栈

服务原语

服务分类

  • 面向连接：按照电话系统模型建立的
  • 无连接：按照邮政系统模型建立的

服务由一组可用于用户进程以访问服务的原语(操作)形式指定，原语告诉服务执行某些操作或报告对等实体所采取的操作

面向连接服务的核心服务原语：

服务与协议的关系

  • 协议是“水平”的，服务是“垂直”的
  • 实体使用协议来实现其定义的服务
  • 上层实体通过接口使用下层实体的服务

参考模型

参考模型的必要性

分层结构、统一标准、模块独立，能够满足计算机网络的复杂和异构，以及技术快速更新迭代的问题。

OSI参考模型

物理层(Physical Layer)

  • 定义如何在信道上传输0、1：Bits on the wire
  • 机械接口(Mechanical)：网线接口大小形状、线缆排列等
  • 电子信号(Electronic)：电压、电流等
  • 时序接口(Timing)：采样频率、波特率、比特率等
  • 介质(Medium)：各种线缆、无线频谱等
  • 实现相邻(Neighboring)网络实体间的数据传输
  • 成帧(Framing)：从物理层的比特流中提取出完整的帧。形成帧有利于帮助数据的校验和纠错，为提供可靠数据通信提供可能
  • 为设备提供物理地址(MAC address)：48位，设备的唯一网络标识，烧录在网卡，能够提供厂商信息。
  • 提供流量控制，避免“淹没”(overwhelming):当快速的发送端遇上慢速的接收端，接收端缓存溢出
  • 局域网共享信道上的访问控制(MAC)：同一个信道，同时传输信号，因此需要控制让信道满足多个设备的需求。

网络层 (Network Layer)

  • 将数据包跨越网络从源设备发送到目的设备(host to host)
  • 使用IP地址，包含区域信息，便于查找
  • 路由(Routing)：在网络中选取从源端到目的端转发路径，常常会根据网络可达性动态选取最佳路径，也可以使用静态路由
  • 路由协议：路由器之间交互路由信息所遵循的协议规范，使得单个路由器能够获取网络的可达性等信息
  • 服务质量(QoS)控制：处理网络拥塞、负载均衡、准入控制、保障延迟
  • 异构网络互联：在异构编址和异构网络中路由寻址和转发

传输层 (Transport Layer)

  • 将数据从源端口发送到目的端口(进程到进程)
  • 网络层的控制主要面向运营商，传输层为终端用户提供端到端的数据传输控制
  • 两类模式：可靠的传输模式(如TCP)，或不可靠传输模式(如UDP)
    • 可靠传输：可靠的端到端数据传输，适合于对通信质量有要求的应用场景，如文件传输等
    • 不可靠传输：更快捷、更轻量的端到端数据传输，适合于对通信质量要求不高，对通信响应速度要求高的应用场景，如语音对话、视频会议等

会话层 (Session Layer)

  • 利用传输层提供的服务，在应用程序之间建立和维持会话，并能使会话获得同步

表示层(Presentation Layer)

  • 关注所传递信息的语法和语义，管理数据的表示方法，传输的数据结构

应用层(Application Layer)

  • 通过应用层协议，提供应用程序便捷的网络服务调用

TCP/IP参考模型

  • 链路层(Link Layer)
    • 描述了为满足无连接的互联网络层需求，链路必须具备的功能
  • 互联网层(Internet Layer)
    • 允许主机将数据包注入网络，让这些数据包独立的传输至目的地，并定义了数据包格式和协议(IPv4协议和IPv6协议)
  • 传输层(Transport Layer)
    • 允许源主机与目标主机上的对等实体，进行端到端的数据传输：TCP，UDP
  • 应用层(Application Layer)
    • 传输层之上的所有高层协议：DNS、HTTP、FTP、SMTP…

先有TCP/IP协议栈，然后有TCP/IP参考模型，参考模型只是用来描述协议栈的

IP分组交换的特点

  • 可在各种底层物理网络上运行(IP over everything)
  • 可支持各类上层应用(Everything over IP)
  • 每个IP分组携带各自的目的地址，网络核心功能简单(通过路由表转发分组)，适应爆炸性增长

TCP/IP沙漏模型：

分层模型与网络实例

分层模型与网络实例：

不同层对应不同的协议数据单元(PDU Protocol Data Unit)

计算机网络度量单位

  • 比特率(bit rate)：主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据率，单位是b/s(比特每秒)，也可以写为bps，(bit per second)，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s等
  • 带宽：网络中某通道传送数据的能力，即单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”，单位是 bit/s，即 “比特每秒”
  • 包转发率(PPS)
    • 全称是Packet Per Second(包/秒)，表示交换机或路由器等网络设备以包为单位的转发速率
    • 线速转发：交换机端口在满负载的情况下，对帧进行转发时能够达到该端口线路的最高速度
  • 时延(Delay)：时延 (delay 或 latency) 是指数据(一个报文或分组)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间，也称为延迟或迟延
    • 传输时延(transmission delay)：数据从结点进入到传输媒体介质所需要的时间，传输时延又称为发送时延
    • 传播时延(propagation delay)：电磁波在信道中需要传播一定距离而花费的时间
    • 处理时延(processing delay)：主机或路由器在收到分组时，为处理分组(例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由)所花费的时间
    • 排队时延(queueing delay)：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延

      总时延 dtotal=dproc+dqueue+dtrans+dpropd_{total}=d_{proc}+d_{queue}+d_{trans}+d_{prop}
  • 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 = 传播时延 ×\times 带宽，即按比特计数的链路长度。可以理解为需要多少个bit才能把传播的链路塞满(可以把链路想象成水管，时延带宽积就是水管的体积)
  • 吞吐量 (throughput)
    • 单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量，单位是 b/s
  • 有效吞吐量(goodput)
    • 单位时间内，目的地正确接收到的有用信息的数目（以 bit 为单位）
  • 利用率
    • 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的
    • 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值
  • 丢包率
    • 所丢失数据包的数量占所发送数据包的比率
  • 时延抖动：变化的时延称为抖动（Jitter）
    • 时延抖动起源于网络中的队列或缓冲，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的体验