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第1章思维导图文字版
文章目录
- 第1章 计算机网络和因特网
- 1.1什么是因特网
- 1.1.1具体构成描述
- 分组
- 通信链路
- 分组交换机
- 其他因特网组成
- ISP
- 1.1.2服务描述
- API
- 1.1.3什么是协议
- 协议
- eg.计算机网络协议
- 1.2网络边缘
- 1.2.1客户机和服务器程序
- 1.2.2接入网
- 住宅接入
- 公司接入
- 无线接入
- 1.2.3物理媒体
- 1.3网络核心
- 1.3.1电路交换和分组交换
- 电路交换
- 电路交换网络中的频分多路复用
- 分组交换
- 分组交换与电路交换对比:统计多路复用
- 1.3.2分组是怎样通过分组交换网形成其通路的
- 1.3.3ISP和因特网主干
- 1.4分组交换网中的时延、丢包和吞吐量
- 1.4.1分组交换网中的时延概述
- 时延的类型
- 1.4.2排队时延和丢包
- 排队时延
- 丢包
- 1.4.3端到端时延
- 1.4.4计算机网络中的吞吐量
- 1.5协议层次和它们的服务模型
- 1.5.1分层的体系结构(协议分层)
- 应用层
- 运输层
- 网络层
- 链路层
- 物理层
- ISO模型
- 1.5.2报文、报文段、数据报和帧
- 1.6攻击威胁下的网络
- 1.7计算机网络和因特网的历史
第1章 计算机网络和因特网
1.1什么是因特网
1.1.1具体构成描述
-
公共因特网
-
内联网
- 专用网络:公司和政府的网络
- 网络内的主机不能与专用网络外部的主机交换信息
- 但是和公共因特网采用同样类型的主机、路由器、链路和协议
分组
- 定义:发送端系统将数据分段,并为每段加上首部字节
- 一个分组所经历的一系列通信链路和分组交换机称为通过该网络的路径
通信链路
-
由不同类型的物理媒体组成
-
不同链路的传输速率不同,以bps度量
分组交换机
- 用于接收和转发分组
- 著名的类型
- 路由器
- 链路层交换机
其他因特网组成
- 端系统(end system)
- 服务器
- 移动式通信设备
- 调制解调器
- 基站
- 蜂窝电话
- 蜂窝电话塔
ISP
- 全称:因特网服务提供商(Internet Service Provider)
- 端系统通过ISP接入因特网
- 每个ISP是一个由多个分组交换机和多段通信链路组成的网络
- 分为低层ISP和高层ISP
- 每个ISP都是独立管理的,运行IP协议,遵从一定的命名和地址习惯
1.1.2服务描述
- 为应用程序提供基础设施的角度来描述因特网
- 分布式应用程序,涉及多台相互交换数据的端系统,并不在分组交换机之中
- 分组交换机的网络核心,但它们并不关心作为数据的源或宿的应用程序
API
- 全称:应用程序编程接口(Application Programming Interface)
- API规定了运行在一个段系统上的软件请求因特网基础设施向另一个端系统上的特定目的软件交付数据的方式
- 因特网具有一个发送软件必须遵循的规则集合(API),才能使得因特网向目的地软件交付数据。
1.1.3什么是协议
- 为了完成一项工作,要求两个(或多个)通信实体运行相同的协议
- 不同的协议用于完成不同的通信任务
协议
- 定义了两个或多个通信实体之间交换报文的格式和次序
- 也定义了在报文传输/接收或其他事件方面所采取的动作
eg.计算机网络协议
- 计算机将向web服务器发送一条“连接请求”的报文,并等待回答
- web服务器最终将能接收到该连接请求报文,并返回一条“连接响应”报文
- 得知请求该web文档正常以后,计算机则在一条“GET”报文中发送要从这台web服务器上取回的网页的名字
- 最后,web服务器向该计算机返回该web网页
1.2网络边缘
- 端系统包括哪些?
- 桌面计算机(eg.桌面PC,Mac,和基于Linux的工作站)
- 服务器(eg.web和电子邮件服务器)
- 移动计算机(eg.便携式计算机、PDA和采用无线因特网链接的电话)
- 端系统也称为主机
- 主机分类?
- 客户机≈桌面PC,移动PC和PDA
- 服务器≈更强大的机器,用于存储和发布web页面,流视频以及转发电子邮件等
1.2.1客户机和服务器程序
- 客户机-服务器因特网应用程序是分布式应用程序
- 今天的因特网应用程序并非全都是由与纯服务器程序交互的纯客户机程序组成的
- P2P:用户端系统中的程序起着客户机程序和服务器程序的双重作用
1.2.2接入网
- 定义:将端系统连接到其边缘路由器的物理链路
住宅接入
- 定义:将家庭端系统(PC或家庭网络)与边缘路由器相连接
- 方式
- 调制解调器
- 数字信号—>模拟信号—电话线—模拟信号—>数字信号
- 由于双绞线质量较低,许多用户获得的有效速率大大低于56kbps
- 上网冲浪和用该电话线打电话或听电话 不能同时进行
- 宽带住宅区接入
- 数字用户线
- 混合光纤同轴电缆
- DSL接入
- 概念上类似拨号调制解调器
- 但是限制用户和ISP调制解调器之间的距离,DSL传输和接收速率大大提高,超过6Mbps
- 速率不对称:路由器到家庭>家庭到路由器
- 频段
- 高速下行信道,位于50kHz到1MHz频段
- 中速上行信道,位于4kHz到50kHz频段
- 普通的双向电话信道,位于0到4kHz频段
- 因此,一个电话呼叫和一个因特网连接能够同时共享DSL链路
- HFC接入
- 扩展了当前用于广播电缆电视的电缆网络
- 电缆调制解调器
- 提供电缆因特网接入的公司要求其用户购买或租用一个电缆调至解调器
- 是一种外部设备,通过一个以太网端口与家庭PC相连
- 划分为下行信道和上行信道
- 下行信道分配了更大的带宽,因而有更快的传输速率
- 调制解调器
- DSL、HFC和卫星接入的一个吸引人之处是服务总是在线,计算机一直与ISP保持连接,并能够同时拨打和接收普通电话
公司接入
- 在公司和大学校园,局域网通常被用于连接端用户与边缘路由器
- 到目前为止,以太网技术是当前公司网络中最为流行的接入技术
无线接入
- 无线局域网
- 广域无线接入网
1.2.3物理媒体
-
- 导引型媒体:电波沿着固体媒体(如光缆、双绞铜线或同轴电缆)被吸引
- 非导引型媒体:电波在空气或外层空间(例如,在无线局域网或数字卫星频道)中传播
- 双绞铜线
- 最便宜
- 从电话机到本地电话交换机有99%以上的连线使用的是双绞铜线
- 非屏蔽双绞线常用在局域网中
- 目前局域网中双绞线的数据传输速率10Mbps到1Gbps
- 所能达到的数据传输速率取决于线的厚度以及传输方和接收方之间的距离
- 双绞线最终已经作为高速LAN连网的主要方式
- 同轴电缆
- 由两个铜导体组成,但这两根导体是同心的而不是并行的
- 能被用作导引式共享媒体
- 许多端系统能够直接与该电缆相连,而且所有端系统都能接收由其他端系统发送的东西
- 光缆
- 是细而柔软,能够导引光脉冲的媒体
- 每个脉冲表示一个比特
- 长途导引型传输媒体,特别是跨海链路首选媒体
- 陆地无线电信道
- 不需要安装物理线路
- 极大依赖于传播环境和传输信号的距离
- 分类
- 本地区域,通常跨越数十到百米(eg.无线LAN技术使用了局与无线电信道)
- 广域,跨越数万米(eg.蜂窝接入技术使用了广域无线电信道)
- 卫星无线电信道
- 一颗通信卫星连接两个或多个位于地球的微波发射方/接收方
- 接收和发送信号的频段不同
- 分类
- 同步卫星
- 永久停留在地球上方相同的点(距地球表面36000km的轨道上)
- 能以数百Mbps速率运行的卫星链路,经常用于电话网和因特网的主干
- 低地球轨道卫星
- 它们围绕地球旋转,彼此通信
- 为了提供对一个区域的连续覆盖,需要在轨道上放置许多卫星
- 同步卫星
1.3网络核心
1.3.1电路交换和分组交换
电路交换
- 为端系统之间通信所提供的的资源(缓存、链路传输速率)在通信会话期间会被预留
- eg.无处不在的电话交换网络
- 每条链路具有n条电路,每条链路由端到端连接使用,该连接在连接期间获得该链路带宽的1/n部分
电路交换网络中的频分多路复用
- 频分多路复用(FDM)
- 链路的频谱由跨越链路创建的所有连接共享
- 该链路在连接期间为每条连接专用一个频段
- 时分多路复用(TDM)
- 时间被划分为固定区间的帧
- 每帧又被划分为固定数量的时隙
- 网络在每个帧中为该连接指定一个时隙
- 这些时隙专门由该连接单独使用,一个时隙可用于传输该连接(在每个帧内)的数据
分组交换
- 资源不被预留,会话的报文按需使用这些资源,这将导致可能不得不等待(即排队)接入通信线路
- eg.今天的因特网
- 分组以该链路的最大传输速率在通信链路上传输
- 分组交换机在链路的输入端使用存储转发传输机制
- 存储转发式分组交换机沿着该分组的路径在每条链路的输入端引入了存储转发机制
- 对于每条相连的链路,该分组交换机具有一个输出缓存,用于存储路由器准备发往那条链路的分组
- 分组也同样要承受输出缓存的排队时延
- 当一个到达的分组发现该缓存被等待传输的分组完全充满了,将出现分组丢失或丢包
分组交换与电路交换对比:统计多路复用
- 分组的缺点
- 端到端时延是变动的和不可预测性的
- 不适合实时服务(电话和视频会议)
- 分组的优点
- 提供了比电路交换更好的带宽共享
- 比电路交换更简单、更有效,呈现成本更低
- 性能优于电路交换的性能
- 分组交换这样的按需(而不是预分配)共享资源有时被称为资源的统计多路复用
- 电话网经常在电话昂贵的海外电话部分使用分组交换
1.3.2分组是怎样通过分组交换网形成其通路的
- 在因特网中,每个通过该网络传输的分组在它的首部包含了其目的地址。
- 当分组到达网络中的一台路由器时,该路由器检查分组目的地址的一部分,并向相邻路由器转发该分组
- 每台路由器具有一个转发表,用于将目的地址映射到输出链路
- 因为王具有一些特殊的选路协议,用于自动地设置转发表
1.3.3ISP和因特网主干
- 因特网是网络的网络
- 第一层ISP
- 特性
- 直接与其他每个第一层ISP相连
- 与大量的第二层ISP和其他客户网络相连
- 覆盖国际区域
- 也称为因特网主干网络
- 特性
- 第二层ISP
- 通常具有区域性或国家性覆盖规模
- 仅与少数第一层ISP相连接
- 第二层ISP被称为它所连接的第一层ISP的客户,第一层ISP相对该客户而言是提供商
1.4分组交换网中的时延、丢包和吞吐量
1.4.1分组交换网中的时延概述
时延的类型
- 处理时延
- 检查分组首部和决定该分组导向何处所需的时间
- 检查比特级差错所需的时间
- 排队时延
- 取决于先期到达的、正在排队等待向链路传输的分组的数量
- 到达组的分组数量是到达该队列的流量的强度和性质的函数
- 实际的排队时延通常在毫秒到微秒级
- 传输时延
- 分组交换网最常见的方式——先到先服务
- 实际的传输时延通常在毫秒到微秒级
- 传播时延
- 等于两台路由器之间的距离除以传播速率
- 传播速率取决于该链路的物理媒体(即光纤、双绞铜线等)
- 在广域网中,传播时延在毫秒的量级
- 传输时延和传播时延的比较
- 传输时延
- 是路由器将分组推出所需要的的时间
- 是分组长度和链路传输速率的函数
- 而与两台路由器之间的距离无关
- 传播时延
- 是一个比特从一台路由器向另一台路由器传播所需要的时间
- 是两台路由器之间距离的函数
- 但与分组的长度或链路的传输速率无关
- 传输时延
1.4.2排队时延和丢包
排队时延
- 取决于流量到达该队列的速率、链路的传输速率和到达流量的性质(即流量是周期性到达还是以突发形式到达)
- 流量强度=比特到达队列的平均速度/传输速率=La/R
- 流量工程中的一条金科玉律:设计系统时流量强度不能大于1
- 流量性质对排队时延的影响
- 周期性到达,不会有排队时延
- 突发形式到达,有很大的平均排队时延
- 到达队列的过程通常是随机的,并不遵循任何模式到达
丢包
- 排在一条链路前的队列只有有限的容量
- 流量强度接近于1时,路由器将丢弃到达的分组,即该分组将会丢失
- 从端系统的角度看,一个分组已经传输到网络核心,但它绝不会出现在目的地
- 丢失分组的数量随着流量强度的增加而增加
- 节点的性能不仅根据时延来度量,也要根据分组丢失的概率来度量
- 丢失的分组可能要基于端到端的原则重传,以确保所有的数据最终从源传送到了目的地
1.4.3端到端时延
- 除了处理时延、传输时延和传播时延外,端系统中还有一些其他重要的时延。
- 拨号调至解调器引入的调制/编码时延
- 向共享媒体传输分组的端系统可以将有意地延迟传输作为其协议的一部分,以便于其他端系统共享媒体
- 媒体分组化时延,这出现在IP话音(VoIP)应用中
1.4.4计算机网络中的吞吐量
- 除了时延和丢包外,计算机网络中另一个必不可少的性能测度是端到端的吞吐量。
- 任何瞬间的瞬时吞吐量是接收方收到文件的速率
- 平均吞吐量是总比特数/总时间
- 对于某些应用程序(如因特网电话),希望它们具有低时延,并保持高于某阈值的一致的吞吐量
- 对于其他应用程序,时延不是至关重要的,但是希望它们具有尽可能高的吞吐量
- eg.服务器和客户机之间具有N条链路的网络,传输文件的总吞吐量是N条链路的每条传输速率中的最小值
- 目前,因特网中对吞吐量的限制因素通常是接入网
- 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协议层次和它们的服务模型
1.5.1分层的体系结构(协议分层)
应用层
- 是网络应用程序及其应用层协议存留的地方
- eg.HTTP(web文档)、SMTP(电子邮件)、FTP(端系统之间)
- 应用层协议分布在多个端系统上
- 将这种位于应用层的信息分组称为报文
运输层
- 提供了在应用程序端点之间传送应用层报文的服务
- 因特网中,有两个运输层协议:TCP和UDP
- TCP
- 向它的应用程序提供了面向连接的服务
- 包括了应用层报文向目的地的确保传递和流量控制(即发送方/接收方速率匹配)
- 将长报文划分为短报文,提供拥塞控制机制
- UDP
- 向它的应用程序提供无连接服务
- 不提供不必要服务的服务
- 不提供可靠性
- 没有流量控制
- 也没有拥塞控制
- 将运输层分组称为报文段
网络层
- 将称为数据报的网络层分组从一台主机移动到另一台主机
- 源主机中的因特网运输层协议(TCP或UDP)向网络层递交运输层报文段和目的地址
- 网络层包括注明的IP协议和一些选路协议
- IP协议定义了数据报中各个字段以及端系统和路由器如何作用于这些字段
链路层
- 网络层是通过一系列路由器在源和目的地之间发送分组
- 为了将分组从一个节点(主机或路由器)移动到路径上的下一个节点,网络层必须依靠链路层的服务
- 链路层提供的服务取决于该链路的特定链路层协议
- 将链路层分组称为帧
物理层
- 链路层的任务是将整个帧从一个网络元素移动到邻近的网络元素
- 而物理层的任务是将该帧中的一个一个比特从一个节点移动到下一个节点
- 物理层中的协议仍然是链路相关的,并且进一步与链路(比如,双绞铜线、单模光纤)的实际传输媒体相关。
ISO模型
- 因特网协议栈并不是唯一的协议栈
- ISO参考模型:应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、链路层和物理层
- 表示层
- 使通信的应用程序能够解释交换数据的意义
- 提供的服务包括数据压缩、数据加密、数据描述
- 会话层提供数据交换的定界和同步功能,包括建立检查点和恢复方案的方法
1.5.2报文、报文段、数据报和帧
- 封装!!
- 在发送主机,应用层报文被传送给运输层
- 应用层报文和运输层首部信息共同构成了运输层报文段,段递给了网络层
- 运输层报文段和网络层首部信息形成了网络层数据报,传递给链路层
- 网络层数据报和链路层首部信息创建了链路层帧
- 在每一次,分组具有两种类型字段:首部字段和有效载荷字段,后者通常来自上一层的分组
1.6攻击威胁下的网络
- 将恶意软件放入计算机
- 攻击服务器和网络基础设施
- 弱点攻击
- 带宽洪泛
- 连接洪泛
- 嗅探分组
- 伪装成信任的源地址——IP哄骗
- 修改或删除报文
1.7计算机网络和因特网的历史
- 分组交换的发展:1961-1972
- 专用网络和网络互联:1972-1980
- 网络的激增:1980-1990
- 因特网爆炸:20世纪90年代
- 计算机网络中的变革是持续不断的
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