第一章、介绍introduction

术语terms

TCP: Transmission Control Protocol

UDP: User Datagram Protocol

ISP: Internet Service Provider

LAN: Local Area Network

WAN: Wide Area Network

FDM: Frequency Division Multiplexing

TDM: Time Division Multiplexing

1.1 what’s the Internet

定义：

连通性connected和共享性sharing，是基本功能
计算机网络：一般地说，将分散的多台计算机、终端和外部设备用通信线路互联起来，彼此间实现互相通信，并且计算机的硬件、软件和数据资源大家都可以共同使用，实现资源共享的整个系统就叫做计算机网络。

计算机网络连接两台或多台自主计算机。
计算机可以位于地理位置上的任何位置。
如果两台计算机能够交换信息，则称它们相互连接。
网络有多种规模size、形状shape和形式form。

自动计算机Autonomous computer 由软件和硬件组成，可以独立实现各种功能。
与通信模型和接口互连。
计算机网络连接在一起，组成更大的网络。
互联网：网络网络中最广为人知的例子。

• Hardware

  • End Systems终端: Host, PC, Mainframe(大型机), Client, Workstation, Server
  • Intermediate Systems中间系统: Communications: Switch, Router
  • Interface接口: Network interface card(NIC), Modem
  • Medium: Twisted pair, Coaxial cable, Fiber, Wireless

• Software

  • Protocol: CSMA/CD, TCP/IP, UDP, PPP, ATM
  • Applications: HTTP, SMTP, FTP, Telnet

Applications of Networks

• Resource Sharing

  • Hardware (computing resources, disks, printers)
  • Software (application software)

• Information Sharing

  • Easy accessibility from anywhere (files, databases)
  • Search Capability (WWW)

• Communication

  • Email
  • Message broadcast

• Ubiquitous computing(普适计算)

• Mobile Users

  • 802.11 hotspot, 3G and 4G, wearable computer

Category of Computer Networks分类

• Classified by Topology根据拓扑结构分类

  • Bus Topology总线拓扑

    • 通常称为线性总线，总线拓扑上的所有设备都通过一根电缆连接。

  • Star & Tree Topology星形或树形拓扑

    • 星形拓扑是Enternet LAN 中最常用的架构。
    • 安装后，星形拓扑类似于自行车车轮中的辐条spokes。
    • 较大的网络使用扩展的星形拓扑，也称为树形拓扑。当与筛选帧或数据包的网络设备（如网桥、交换机和路由器）一起使用时，此拓扑仅将数据包发送到目标主机的线路，从而显著减少线路上的流量。

  • Ring Topology环形拓扑

    • 帧围绕环行进，在每个节点处停止。如果节点想要传输数据，它会将数据以及目标地址添加到帧中。

    • 然后，帧继续围绕环，直到找到目标节点，这会将数据从帧中取出。

      • 单环 – 网络上的所有设备共享一根电缆
      • 双环 – 双环拓扑允许数据在两个方向上发送。

• Classified by scale根据规模进行分类

  • LAN(MAN)

    • 在小地理small geographic区域内共享公共通信线路或无线链路的计算机和相关设备。

  • WAN

    • 广域网 （WAN） 是地理位置分散的电信网络。该术语将更广泛的电信结构与局域网（LAN）区分开来。

  • Internet

    • 一个全球性的计算机网络系统 - 一个网络网络，其中任何一台计算机的用户都可以在获得许可的情况下，从任何其他计算机获取信息，甚至可以使用远程计算机。

• Classified by boundary按边界分类

  • Intranet （Private Networks）内网（专用网络）

    • 内部网是包含在企业中的专用网络。它可以由许多相互连接的局域网组成，也可以在广域网中使用租用线路。

  • Extranet （Public Networks）外联网（公共网络）

    • 外联网是一种专用网络，它使用互联网技术和公共电信系统与供应商、销售商、合作伙伴、客户或其他企业安全地共享部分企业信息或运营。可以将 Extranet 视为公司 Intranet 的一部分，该 Intranet 扩展到公司外部的用户。它也被描述为一种“心态”，在这种状态下，互联网被视为与其他公司开展业务以及向客户销售产品的一种方式。

What’s the Internet?

• “nuts and bolts” view

  • 数十亿计的，互联的计算设备：主机 = 终端系统hosts = end systems

    • 运行网络应用network apps

  • 通信链接communication links

    • 光纤fiber、铜缆copper、无线电radio、卫星satellite
    • 传输速率 = 带宽bandwidth(bps)

  • 路由器routers：转发数据包（数据块chunks of data）

  • nuts and bolts螺母和螺栓

    通信链路：同轴电缆、铜线、光纤、无线电频谱，不同速率传输数据。传输速率bps。

    分组交换机：路由器和链路层交换机。向目的地转发分组。分组经历的通信链路和分组交换机成为路径。承载运输车辆的运输网络，一堆货物，首先分成几份，装车。桥和路口可以看做是分组交换机，路牌可以看做转发表，目的地卸下货物，重新堆放在一起。

    • 协议控制消息的发送、接收

      • 例如，TCP，IP，HTTP，FTP，PPP

    • 互联网：“网络中的网络”

      • 松散的层次结构loosely hierarchical
      • 公共互联网public Internet与私有内联网private intranet

    • 互联网标准

      • RFC：征求意见
      • IETF：互联网工程任务组

network structure网络结构：

• network edge网络边缘：应用程序和主机

• access networks, physical media接入网、物理介质：有线、无线通信链路

• network core网络核心:

  • interconnected 互连路由器
  • 网络中的网络

What’s the Internet: a service view

• 通信基础(communication infrastructure)设施支持分布式应用程序：

  • 网络、电子邮件、游戏、电子商务(e-commerce)、文件共享

• 提供给应用程序的通信服务communication services provided to apps:

  • 无连接不可靠
  • 面向连接可靠

1.2 what’s aprotocol

协议定义网络实体之间发送和接收的msgs的格式，顺序，以及对msg传输，接收执行的操作

protocols define format, order of msgs sent and received among network entities, and actions taken on msg transmission, receipt

1.3 network edge

端系统（主机）：

• 运行应用程序

  • 如Web、email

• 在 “网络的边缘”

客户/服务器模式client/server model

• 客户端向服务器请求、接收服务
• 如Web浏览器/服务器；email客户端/服务器

对等（peer-peer ）模式

• 很少（甚至没有）专门的dedicated服务器
• 如 Gnutella、KaZaA、Emule

面向连接的服务connection-oriented service

• 端点上的设备使用协议在发送任何数据之前建立端到端的逻辑或物理连接。面向连接的协议在以下三个步骤或过程中提供服务：握手Handshaking、数据传输Data Transfer、连接终止Connection Termination。

• 目标：终端系统之间的数据传输

• 握手：提前设置（准备）数据传输

  • 在两个通信主机中设置“状态”

• TCP - Transmission Control Protocol 传输控制协议

  • 互联网的连接导向型服务

• TCP 服务 [RFC 793]

  • 可靠、有序的字节流数据传输

    • 丢失：确认acknowledgements和转播retransmissions

• flow control（流控制）

  • 发送方不会压倒overwhelm接收方

• congestion control: （拥塞控制）

  • 发件人在网络拥塞时“降低发送速率”

• 应用程序

  • HTTP (Web), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP (email)

无连接服务connectionless service

• 一种服务，其中不需要在设备之间建立连接来传输数据。
  每当设备有要发送的数据时，它就会将数据发送到另一个设备。
  此服务不提供可靠的接送服务。

• 目标：终端系统之间的数据传输

• UDP - User Datagram Protocol 用户数据报协议 [RFC 768]：

  • 无连接
  • 不可靠的数据传输
  • 无流量控制
  • 无拥塞控制

• 应用程序

  • streaming media, teleconferencing, DNS, Internet telephony
    QQ

1.4 network core

network structure

路由器的网状网络Mesh

基本问题：数据如何通过网络传输？

• 电路交换circuit switching：

  • 每次呼叫专用电路：电话网

• 分组交换packet-switching：

  • 通过网络以离散(discrete)“块chunks”形式发送的数据

端到端的资源被分配给从源端

到目标端的呼叫 “call”：

circuit switching电路交换

• 链路带宽、交换机容量

• 专用dedicated资源：无共享

• 类似电路（保证）的性能

• 需要呼叫设置

• 面向连接的服务

• 电路保证信道的全部带宽，并在通信会话期间保持连接

• 网络资源（例如带宽）分为“pieces”

  • pieces被分配给调用

  • frequency division频分

    • FDM

  • time division时分

    • TDM

  • code division代码划分

    • CDMA

  • 计算的例子：P53、54

• 资源段空闲idle，如果未由拥有调用使用（无共享）

• 电路交换不适合计算机之间的通信

  • 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，其所占据的片也不能够被别的呼叫使用

Packet switching分组交换

• 每个端到端数据流划分为数据包

  • 用户 A、B 数据包共享网络资源
  • 每个数据包使用全链路带宽
  • 根据需要使用的资源

• 资源争用：

  • 资源需求总量可能超过可用量

  • 拥塞：数据包队列，等待链路使用

  • 存储和转发：数据包一次移动一个跃点hop

    • 节点在转发之前接收完整的数据包

• Statistical Multiplexing统计多路复用

  • A和B数据包的序列没有固定的模式，按需共享统计多路复用。
  • TDM：每个主机在旋转TDM帧中获得相同的时间间隔slot。
  • 为了提高TDM系统的利用率,可以使用按需分配的技术,即根据用户需求动态分配时隙,以避免每帧中出现空闲的时隙.此时复用器传输的数据只来自正在工作的设备,这种动态分配时隙的工作方式称为统计时分复用(Statistical Time Division Multiplexing,STDM).

• store-and-forward存储转发

  • 被传输到下一个链路之前，整个分组必须到达路由器：存储-转发
  • 在一个速率为R bps的链路，一个长度为L bits 的分组的存储转发延时： L/R s（此处忽略）

• forwarding转发

  • 目标：通过路由器将数据包从源移动到目标

  • 数据报网络datagram network：

    • 数据包中的目标地址确定下一跃点
    • 路由在会话期间可能会更改

  • 虚拟电路网络virtual circuit network：

    • 每个数据包携带标签（虚拟电路ID），标签tag决定下一跃点hop
    • 在呼叫建立时确定的固定路径，通过呼叫保持固定
    • 路由器维护每个呼叫状态

分组交换与电路交换对比

• 分组交换没有：

  • 带宽划分为“块”
  • 专用分配
  • 资源预留

• 分组交换让更多用户使用网络

• 分组交换非常适合突发数据

  • 资源共享
  • 更简单，无需呼叫设置

• 分组交换过度拥塞：数据包延迟和丢失

  • 可靠数据传输、拥塞控制所需的协议

网络分类

数据报网络既不面向连接 或无连接。
互联网提供面向连接的（TCP）和 到应用的无连接服务 （UDP）。

-

1.5 access net, physical media接入网络和物理媒体

怎样将端系统和边缘路由器连接？

• residential access nets住宅接入网络

  • point to point access

    • 拨号调制解调器Dialup via modem
    • 高达 56Kbps 的直接访问路由器（通常更少）
    • 不能同时上网和打电话：不能“始终在线”

  • 非对称数字用户专线Asymmetric Digital Subscriber Line（ADSL）

  • cable modems电缆调制解调器

    • 光纤将电缆头端连接到邻域级结点。
    • 然后使用传统的同轴电缆到达单独的房屋和公寓。

  • Cable Network Architecture有线网络架构

    • HFC：混合光纤同轴电缆

      • 非对称：高达30Mbps的下行传输速率，2 Mbps的上行传输速率

    • 电缆网络，光纤将家庭连接到ISP路由器

      • 家庭共享接入网络到电缆头端
      • 与DSL不同，DSL具有对中央办公室的专用访问权限

• institutional access networks (school, company)单位接入网络

  • 企业接入网络(Ethernet)

    • 经常被企业或者大学等机构采用
    • 10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps传输率
    • 现在，端系统经常直接接到以太网络交换机上

• mobile access networks无线接入网络

  • 各无线端系统共享无线接入网络（端系统到无线路由器）

    • 通过基站或者叫接入点

  • 无线LANs:

    • 建筑物内部 (100 ft)
    • 802.11b/g (WiFi): 11, 54Mbps 传输速率

  • 广域无线接入

    • 由电信运营商提供 (cellular) ,10’s km
    • 1 到 10 Mbps
    • 3G, 4G: LTE

Physical Media物理媒体

• Bit: 在发送-接收对间传播

• 物理链路：连接每个发送-接收对之间的物理媒体

• 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：

  • 开放的空间传输电磁波或者光信号，在电磁或者光信号中承载数字数据

• Twisted Pair 双绞线 (TP)
  P83-90

  • 两根绝缘铜导线拧合
  • 3类：传统电话线，10 Mbps以太网
  • 5类：100Mbps 以太网，Gbps 千兆位以太网
  • 6类：10Gbps万兆以太网

• 同轴电缆Coaxial cable：

  • 两根同轴concentric的铜copper导线conductors

  • 双向bidirectional

  • 基带baseband：

    • 电缆上一个单个信道
    • Ethernet

  • 宽带broadband：

    • 电缆上有多个信道
    • HFC

• 光纤和光缆Fiber optic cable：

  • 光脉冲，每个脉冲表示一个bit，在玻璃纤维中传输

  • 高速：

    • 点到点的高速传输（如10 Gps-100Gbps传输速率 ）

  • 低误码率：在两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

• 无线链路radio

  • 开放空间传输电磁波，携带要传输的数据

  • 无需物理“线缆”

  • 双向

  • 传播环境效应：

    • 反射reflection
    • 吸收Obstruction by objects
    • 干扰Interference

  • 无线链路类型:

    • terrestrial microwave地面微波
    • LAN (e.g., WiFi)
    • wide-area (e.g., 蜂窝)
    • 卫星satellite

1.6 Internet/ ISP structure

Internet structure: network of networks

• 大致分层

• 在中心：“Tier-1”ISP（例如，MCI，Sprint，AT&T，Cable and Wireless），全国national/国际international覆盖coverage

  • 平等相待

• “Tier-2”ISP：较小的（通常是区域性的）ISP

  • 连接到一个或多个第 1 层 ISP，可能还有其他第 2 层 ISP

• “Tier-3”ISP 和本地 ISP

  • 最后一跳（“访问”）网络（最接近终端系统）

1.7 Delay & loss in packet-switched networks分组延时、丢失和吞吐量

计算机网络性能Performance of Computer network

• Data rate(数据率)：计算机网络上的主机在数字信道上的传送数据的速率。

  • 100M Ethernet

• Bandwidth(带宽）

  • Frequency
  • Transmission rate

• Throughput(吞吐量)

  • rate (bits/time unit) at which bits transferred between sender/receiver
  • Restricted by rated speed(额定速率)

Communication channel沟通频道

• 连接到物理传输介质（如导线），或连接到多路复用介质（如无线电信道）上的逻辑连接。

  • 将信息信号从一个或多个发送器（或发射器）传送到一个或多个接收器
  • 传输信息的能力 - 以Hz为单位的带宽或其以比特/秒为单位的数据速率

• 单向通信One-way communication：

  • 从一个点传输到另一个点或同时传输到多个点。
  • 在发送点不接收信息，也不从接收点传输信息。

• 半双工Half-duplex

  • 双向沟通，但一次只能沟通一个方向

• 全双工Full-duplex

  • 允许双向通信

丢失和时延发生原因：数据包在路由器缓冲区中排队

• 链路的数据包到达率超过输出链路容量
• 数据包队列，等待轮次

delay时延

• 四个分组时延的来源

  • nodal processing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

  • queueing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

  • Transmission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

  • Propagation传播延时:

    • d = 物理链路的长度
    • s = 在媒体上的传播速度(~2x108 m/sec)
    • 传播延时 = d/s
  • • 一个栗子：P110

  • 节点延时计算：

• Queueing delay(revisited)排队延时

  R=link bandwidth (bps)
  L=packet length (bits)
  a=average packet arrival rate

  traffic intensity = La/R

  La/R ~ 0: average queueing delay small
  La/R -> 1: delays become large
  La/R > 1: more “work” arriving than can be serviced, average delay infinite!

• Internet的延时和路由

  • Internet 的延时和路由是什么样的呢?

  • Traceroute program诊断程序: 提供从源端，经过路由器，到目的的延时测量

    • For all i:
      沿着目的的路径，向每个路由器发送3个探测分组
      路由器 i 将向发送方返回一个分组
      发送方对发送和回复之间间隔计时

分组丢失loss

• 链路的队列缓冲区容量有限
• 当分组到达一个满的队列时，该分组将会丢失
• 丢失的分组可能会被前一个节点或源端系统重传，或根本不重传
• 吞吐量Throughput

1.8 Protocol layers, service models

1.9 Network Security

​ 因为知识点很多，这部分的笔记最开始是用思维导图记的，但是图片都不能导出，xmind格式的到百度网盘自行下载或者联系我私发叭，笔记效果如下（也不是那么好看，建议还是看PPT或者自己整理效率较高，我的笔记整理效果稍稍欠缺）：