概念和功能

参考：Computer Networking: A Top-Down Approach 配套网课, 考研计网

概念：计算机网络是互联的、自治的计算机集合。

功能：包括数据通信和资源共享等。

组成及分类

组成

硬件、软件和协议

不同工作方式

以下各工作方式都属于边缘部分。除了边缘部分外，核心部分用于为边缘部分提供服务。简单来说就是提供接口实现。

C/S 方式

（Client and Server）. 客户端与服务端的端到端服务方式。服务端处理/响应客户端发送的请求。

P2P 方式

（Peer to Peer）. P2P 方式下不存在专门的服务机，所有端系统既是客户又是服务器。和 C/S 方式相反，请求的主机越多响应越快。

B/S 方式

（Browser and Server）. 浏览器到服务器的服务方式。

功能组成

通信子网

一般包括网络层、数据链路层和物理层（OSI）

资源子网

包括应用层、表示层、会话层和传输层（OSI）

计算机网络的分类

  1. 按分布范围分类

    广域网WAN（交换技术）、城域网MAN、局域网LAN（广播技术）、个人区域网PAN。应该按最大通信距离和实现技术分类，而不是主机距离。

  2. 按使用者分类

    公用网和专用网

  3. 按交换技术分类

    电路交换、报文交换和分组交换

    其中报文交换和分组交换使用存储转发技术。

  4. 按拓扑结构分类

    星型、环型、网状型、总线型。。

  5. 按传输技术分类

    广播网络：共享公共通信信道

    点对点网络：使用存储转发和路由选择机制

计算机网络标准化

为了实现不同厂商软硬件连通，计算机网络必须遵从统一的标准。

目前流行的标准为 TCP/IP. 也有权威机构制定的法定标准 OSI。

标准化审批流程：

因特网草案->建议标准（RFC 文档）->（草案标准->）因特网标准

相关组织：

ISO、ITU、IEEE、IETF

性能指标

速度相关指标

  1. 速率

    每单位时间传输的数据量。

  2. 带宽

    单位时间内从某一点到另一点能通过的最高数据率。（发送速率）

  3. 吞吐量

    单位时间内通过某个网络的数据量。

时间相关指标

  1. 时延

    分为发送时延（传输时延）、传播时延、排队时延和处理时延。

    发送时延：将数据从机器内部推送到信道上的时间。

    传播时延：在信道上传播的时间。取决于电磁波传播速度和链路长度。

    排队时延：等待输出/输入链路可用的时间。

    处理时延：寻找合适的出口信道以及检错的时间。

  2. 时延带宽积

    传播时延和带宽的乘积。单位一般为 bit.

    感觉可以理解为信息通量（？），可以描述某段链路现在有多少正在传播的比特。

  3. 往返时延 RTT

    从发送数据开始，到发送方收到接收方的确认总共经过的时延。

    RTT越大，在收到确认之前可以发送的数据越多。（废话）

    有时候也会忽略末端处理时间。

  4. 利用率

    1） 信道利用率

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    2）网络利用率

体系结构和参考模型

OSI

应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

TCP/IP

应用层、传输层、网际层、网络接口层。

要注意 OSI 的网络层是无连接和面向连接都有，而 TCP/IP 的网络层是无连接；OSI 的传输层是面向连接的，而 TCP/IP 的传输层是无连接+面向连接。

TCP/IP 协议栈

应用层包括 HTTP、FTP、DNS 等协议。

传输层包括 TCP、UDP 等协议。

网际层为 IP 协议。

网络接口层包括 Ethernet、ATM、Frame Relay 等。

5层模型

放一张图看一下数据封装与解封装。

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应用层

C/S 通信方式

服务端特点：

  • 主机永远在线
  • 有固定 IP

客户端特点：

  • 与服务端连接
  • 连接非长时间，通常是间歇连接
  • 不与其他客户端通信
  • 动态 IP

C/S 实例：HTTP

客户端 -> web browser，服务端 -> web server

P2P 通信方式

特点：

  • 没有 always-on server
  • 任意 peer 可以向其他 peer 提供服务，或接受服务
  • peers 直接 communicate
  • 与 C/S 中的客户端一样，非长时间连接，且动态 IP

P2P 实例：P2P 文件共享

多主机进程间通信

单一主机内进程间通信：defined by OS

多主机间进程：exchanging message

  • 客户端进程初始化本次通话（communication），服务端进程等待连接。

  • 使用传输层创建的 socket 进行通信。

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  • 每个对话中，2 sockets are involved. 每端各一个。

定址

每个进程需要一个 identifier. 我们给每个主机设置一个独有的 32 位 IP 地址。然后，再设置一个端口。端口指向我们具体的进程。

应用层协议

  • 定义 exchanged message 的类型（request，respone）
  • 定义 message 的语法。
  • 定义 message 语义。
  • 定义 rules. 在发送或接收信息后进行什么动作。

open protocols

  • 在 RFC 中定义。所有人都可以查看协议内容
  • allows for interoperability
  • 实例：HTTP、SMTP
  • 独立于系统平台。不受主机影响

HTTP

Web

一个 web page 包含各种各样的对象。包括 html 文件、jpg 图像、等等。每个对象都有自己的 URL. HTTP 使用的是 C/S 模式。

特点

  • 使用 TCP 传输协议。port 80.
  • HTTP 是无状态协议。

non-persistent HTTP

  • 最多只有一个 Web 对象发送 TCP 连接请求。传输多个对象就需要建立多个连接。
  • 第一步（1）：HTTP 客户端初始化一个指向 HTTP 服务端的 TCP 连接。
  • 第一步（2）： HTTP 服务端接收连接，完成连接后通知服务端。
  • 第二步：客户端将 HTTP request message 息发送至 TCP 套接字（Socket）。消息包括客户端希望获得的单个对象。
  • 第三步：HTTP 服务端接收消息后，将 response message 发送至它的 TCP 套接字。
  • 第四步：HTTP 服务端关闭 TCP 连接
  • 第五步：HTTP 客户端接收到 response message，然后显示对应的 html file.
  • 第六步：假如解析 html 后，其中又有许多 referenced objects，那么又需要重复 1-5 步来获取这些对象的内容。

问题：一次单对象的 non-persistent HTTP 传输需要多长时间：

答：2 个 RTT + 传输文件所需时间（time to trasmit file）

persistent HTTP

persistent HTTP 可以将传输时间从 2 rtts + trasmit time 缩减到 1 rtt + transmit time. 因为传输多个对象只需要初始化一次了。

  • TCP 连接建立后，多个对象都可以向单一 TCP 连接进行串行传输。
  • 和 non-persisent HTTP 不同，在发送 response message 后不会立即关闭连接，而是保持开启。

HTTP 格式

  1. request message

    • request line. 请求方法+URL+其他（HTTP 协议版本）。例： GET xxx.com/index.html HTTP/1.1\r\h。除了 GET 方法外，还有 POST, HEAD, PUT 等。

    • header lines. 包括发出请求的主机名称、浏览器类型、对象类型、首选语言、连接是否 keep-alive 等附加信息。

    • body. 并不是必要。用于发送其他附加信息。

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  2. response message

    • status line. 版本号+状态码+短消息。e.g. HTTP/1.1 200 OK
    • header lines. 包括时间、服务端类型等附加信息。
    • body. 包括需要传输的对象本身。

Cookies 技术

cookies 用于维护用户和服务器的状态。

包括四个组件：

  1. cookie header line of HTTP response message
  2. cookie header line in next HTTP request message
  3. cooke file kept on user’s host
  4. back-end database at Website

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传输层

应用层对传输协议的要求

  • 数据完整性（文件传输，网上交易）
  • 时效性（多媒体通话，在线游戏）
  • 吞吐量（Live）
  • 安全性

TCP

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UDP

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为什么 UDP 什么也不保证，也有使用 UDP 的：

答：可以在应用层 build 追加 service 来确保这些要求。

物理层

物理层用于解决传输比特流的方法。

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的特性、标准

通信基础

经典数据通信模型：

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通信方式

  1. 单工通信。单方交互，只需要一条信道。
  2. 半双工。两边都可以发送或接收，但不能同时发送和接收。需要两条信道。
  3. 全双工。可以同时发送和接收。需要两条信道。

数据传输方式

  1. 串行传输。例如将一个字节的 8 个 bit 由低位到高位按顺序依次发送。

  2. 并行传输。例如将 8 个 bit 同时通过 8 条信道发送。相比于串行传输速度更快，费用更高。适合近距离传输。

  3. 同步传输（区块传输）。数据以一个数据区块为单位传输。传送时，先送出同步字符，再送出整批数据。

  4. 异步传输。数据以比特或者小组为单位传输。传送数据时要加起始位和终止位。

其他概念

码元：指一个固定时长的信号波形或数字脉冲。作为数字信号计量单位。码元宽度指时长。有 $x$ 个状态的码元被称为 $x$ 进制码元。

码元传输速率：单位时间内传输的码元量。与进制无关， 只与码元宽度有关。

波特：码元传输速率的单位。1 波特表示每秒传输一个码元。如果一个码元携带 $n\ {\rm bit}$ 信息量，则 $M\ {\rm Baud}$ 的码元传输速率对应每秒能传输 $Mn\ {\rm bit}$ 信息。

带宽（模拟信号）：单位为 Hz. 最高频率和最低频率之间的差值。

带宽（数字设备）：单位为 bit/s. 前面提到过。链路最高数据传输能力。

通信定理

前置概念：

失真：带宽受限、有噪声、干扰导致的波形磨损。影响因素：码元传输速率，过快容易受磨损；信号传输距离；噪声干扰；传输媒体质量。

码间串扰： 频率过高，导致接收端收到的波形失去了码元之间的清晰界限。

奈氏准则

理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，如果要避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W Baud. 其中 W 为信道带宽，单位 Hz.

则极限数据传输速率

$V$ 指有几种码元（码元离散电平数目）。

香农定理

在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息数据传输存在上限。

信噪比：信号平均功率/噪声平均功率 $S/N$（单位 dB），或者用如下公式表示：

香农定理公式：

编码和调制

信道分类：模拟信道与数字信道（按传输的信号分），无线信号和有线信号（传输介质）