计算机网络自顶向下学习摘要

第一章

计算机网络和因特网摘要

1.1.3什么是协议

为了完成一项工作，要求两个通信实体运行相同的协议。
在因特网中,涉及两个或多个远程通信实体的所有活动都受协议的制约。例如，在两台物理上连接的计算机中，硬件实现的协议控制了在两块网络接口卡间的”线上”的比特流；
协议(protocol)定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文的格式和顺序，以及报文发送和/或接收一个报文或其他事件所采取的动作。

1.2.1接入网

1.家庭接入：DSL、电缆、FTTH、拨号、和卫星。
DSL
今天，宽带住宅接入有两种最流行的类型：数字用户线(DSL)和电缆。住户通常从提供提供本地电话接入的本地电话公司处获得DSL因特网接入。因此，当使用DSL时，用户的本地电话公司也是它的ISP。每个用户的DSL调制解调器使用现有的电话线(即双绞线)与位于电话公司的本地中心局（CO）中的数字用户线接入复用器（DSLAM）交换数据。家庭的DSL调制解调器得到数字数据后将其转换为高频音，以通过电话线传输给本地中心局；来自许多家庭的模拟信号在DSLAM处被转换回数字形式。
家庭电话线同时承载了数据和传统的电话信号，它们用不同的频率进行编码：

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
这种方法使单根DSL线路看起来就像有3根单独的线路一样，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。（频分复用）.
在用户一侧，一个分配器把到达家庭的数据信号和电话信号分隔开，并将数据信号转发给DSL调制解调器。在本地中心局中，DSLAM把数据和电信号分隔开，并将数据送往因特网

电缆英特接入网(cable Internet access)
DSL利用电话公司现有的本地电话基础设施，而电缆英特接入利用了有线电视公司现有的有线电视基础设施。住宅从提供有线电视的公司获得了电缆因特网接入。光缆将电缆头端连接到地区枢纽，从这里使用传统的同轴电缆到达各家各户和公寓。每个地区枢纽通常支持500-5000个家庭。因为在这个系统中应用了光纤和同轴电缆，所以它经常被称为混合光纤同轴(HFC)系统。

电缆因特网接入需要特殊的调制解调器，这种调制解调器称为电缆调制解调器（cable modem）。如同DSL调制解调器，电缆调制解调器通常是一个外部设备，通过一个以太网端口连接到家庭PC，接入通常是不对称的，下行信道分配的传输速率通常比上行信道的高。

电缆因特网接人的一个重要特征是共享广播媒体。特别是，由头端发送的每个分组向下行经每段链路到每个家庭;每个家庭发送的每个分组经上行信道向头端传输。因此，如果几个用户同时经下行信道下载一个视频文件，每个用户接收视频文件的实际速率将大大低于电缆总计的下行速率。而另一方面，如果仅有很少的活跃用户在进行Web冲浪，则每个用户都可以以全部的下行速率接收 Web网页，因为用户们很少在完全相同的时刻请求网页。因为上行信道也是共享的，需要一个分布式多路访问协议来协调传输和避免碰撞。(我们将在第6章中更为详细地讨论碰撞问题。

FTTH（光纤到户）
从本地中心局到家庭有几种有竞争性的光纤分布方案。最简单的光纤分布网络称为直
接光纤，从本地中心局到每户设置一根光纤,更为一般的是，从中心局出来的每根光纤实
际上由许多家庭共享，直到相对接近这些家庭的位置，该光纤才分成每户一根光纤。进行这种分配有两种有竞争性的光纤分布体系结吉构:主动光纤网络(Active Optical Network AON)和被动光纤网络(Passive Optical Net work，PON)。AON 本质上就是交换因特网我们将在第6章讨论它)

这里，我们简要讨论一下PON，该技术用于Verizon的FIOS服务中。图1-7显示了使用PON分布体系结构的FTTH。每个家庭具有一个光纤网络端接器(Optical Network Termi- nator，ONT)，它由专门的光纤连接到邻近的分配器(splitter)。该分配器把一些家庭(通常少于100 个)集结到一根共享的光纤，该光纤再连接到本地电话和公司的中心局中的光纤线路端接器(Optical Line Terminator，OLT)。该 OLT 提供了光信号和电信号之间的转换，经过本地电话公司路由器与因特网相连。在家庭中，用户将一台家庭路由器(通常是无线路由器)与ONT相连，并经过这台家庭路由器接人因特网。在PON 体系结构中，所有从OLT发送到分配器的分组在分配器(类似于一个电缆头端)处复制。

企业和家庭接入：以太网和WIFI
省略

1.2.2 物理媒体

为了定义物理媒体所表示的内容，我们仔细思考一下一个比特的短暂历程。考虑一个比特从一个端系统开始传输，通过一系列链路和路由器，到达另一个端系统。这个比特被漫不经心地传输了许许多多次!源端系统首先发射这个比特，不久后其中的第一台路由器接收该比特;第一台路由器发射该比特，接着不久后第二台路由器接收该比特;等等。因此，这个比特当从源到目的地传输时，通过一系列“发射器一接收器”对。对于每个发射器-接收器对，通过跨越一种物理媒体(physical medium)传播电磁波或光脉冲来发送该比特。该物理媒体可具有多种形状和形式，并且对沿途的每个发射器一接收器对而言不必具有相同的类型。物理媒体的例子包括双绞铜线、同轴电缆、多模光纤缆、陆地无线电频谱和卫星无线电频谱。物理媒体分成两种类型:导引型媒体(guided media)和非导引型媒体(anguided media)。对于导引型媒体，电波沿着固体媒体前行，如光缆、双绞铜线或同轴电缆。对于非导引型媒体，电波在空气或外层空间中传播，例如在无线局域网或数字卫星频道中。

1. 双绞铜线
事实上，从电话机到本地电话交换机的连线超过99%使用的是双绞铜线。我们多数人在自已家中和工作环境中已经看到过双绞线。双绞线由两根绝缘的铜线组成，每根大约1mm粗，以规则的螺旋状排列着。这两根线被绞合起来，以减少邻近类似的双绞线的电气干扰。通常许多双绞线捆扎在一起形成一根电缆，并在这些双绞线外面覆盖上保护性防护层。一对电线构成了一个通信链路。无屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair,UTP)常用在建筑物内的计算机网络中，即用于局域网(LAN)中。目前局域网中的双绞线的数据速率从10Mbps到10Gbps。所能达到的数据传输速率取决于线的粗细以及传输方和接收方之间的距离。
20世纪80年代出现光纤技术时，许多人因为双绞线比特速率低而轻视它，某些人甚至认为光纤技术将完全代替双绞线。但双绞线不是那么容易被抛弃的。现代的双绞线技例如6a类电缆能够达到10Gbps的数据传输速率，距离长达100m。双绞线最终已经作高速LAN联网的主导性解决方案。

2.同轴电缆
同轴电缆与双绞线类似，同轴电缆由两个铜导体组成，但是这两个导体是同心的面不是并行的。借助于这种结构及特殊的绝缘体和保护层，同轴电缆能够达到较高的数据传输速率。同轴电缆在电缆电视系统中相当普遍。我们前面已经看到，电缆电视系统最近与电缆调制解调器结合起来，为住宅用户提供数十Mbps速率的因特网接入。在电缆电视和电缆因特网接入中，发送设备将数字信号调制到某个特定的频段，产生的模拟信号从发送设备传送到一个或多个接收方。同轴电缆能被用作导引型共享媒体(shared medium特别是，许多端系统能够直接与该电缆相连，每个端系统都能接收由其他端系统发送内容。

3.光纤

1.3.1分组交换

1.存储转发
多数分组交换机在链路的输入端使用存储转发传输机制。
存储转发传输是指在交换机能够开始向输出链路传输该分组的第一个比特之前，必须接受到整个分组。

2.排队时延和分组丢失
每台分组交换机有多条链路与之相连。对于每条相连的链路，该分组交换机具有一个输出缓存(outputbuffer，也称为输出队列(c utput queue))，它用于存储路由器准备发往那条链路的分组。该输出缓存在分组交换中起着重要的作用。如果到达的分组需要传输到某条链路，但发现该链路正忙于传输其他分组，该到达分组必须在输出缓存中等待。因此，除了存储转发时延以外，分组还要承受输出缓存的排队时延(queuing delay)。这些时延是变化的，变化的程度取决于网络的拥塞程度。因为缓存空间的大小是有限的，一个到达的分组可能发现该缓存已被其他等待传输的分组完全充满了。在此情况下，将出现分组丢失(丢包)(packet loss)，到达的分组或已经排队的分组之一将被丢弃。

3.转发表和路由选择协议
每台路由器具有一个转发表，用于将目的地址映射称为输出链路。当某分组到达一台路由器时，路由器检查该地址(最高地址匹配)，并用这个目的地址搜索其转发表，以发现适当的出链路。路由器则将分组导向该出链路。
路由选择协议用于自动地设置这些转发表。例如，一个路由选择协议可以决定从每台路由器到每个目的地的最短路径，并使用这些最短路径结果来配置路由器中的转发表。

1.3.2电路交换

通过网络链路和交换机移动数据有两种基本方法:电路交换(电话业务，有线电视业务)和分组交换（以太网和光纤）。
在电路交换网络中，在端系统间通信会话期间，预留了端系统间沿路径通信所需要的资源(缓存，链路传输速率)。在分组交换网络中，这些资源不是预留的；

传统的电话网络是电路交换网络的例子。考虑当一个人通过电话网向另一个人发送信息(语音或传真)时所发生的情况。在发送方能句够发送信息之前，该网络必须在发送方和接收方之间建立一条连接。这是一个名副其实的连接，因为此时沿着发送方和接收方之间路径上的交换机都将为该连接维护连接状态。用电话的术语来说，该连接被称为一条电路(circuit)。当网络创建这种电路时，它也在连接期间在该网络链路上预留了恒定的传输速率(表示为每条链路传输容量的一部分)。既然已经为该发送方-接收方连接预留了带宽则发送方能够以确保的恒定速率向接收方传送数据。

该网络在两台主机之间创建一条专用的端到端连接。因此，主机A为了向主机B发送报文，网络必须在两条链路的每条上先预留一条电路。在这个例子中，这条专用的端到端连接使用第一条链路的第二条电路和第二条链路中的第四条电路。因此，该连接在连接期间获得链路总传输容量的1/4。

1.电路交换网络中的复用
链路中的电路是通过(Frequency-Division MultiplexingFDM)或时分复用(Time-Division Multiplexing,M)来实现的。对于FDM，链路的频谱由跨越链路创建的所有连接共享。特别是，在连接期间链路为每条连接专用一个频段。在电话网络中，这个频段的宽度通常为4kHz(即每秒4000周期)。毫无疑问，该频段的宽度称为带宽(band- width)。调频无线电台也使用FDM来共享88MHz~108MHz的频谱，其中每个电台被分配一个特定的频段。
对于一条TDM链路，时间被划分为固定期间的帧，并且每个帧又被划分为固定数量的时隙。当网络跨越一条链路创建一条连接时，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(在每个帧内)可用于传输该连接的数据。
图 1-14 显示了一个支持多达4条电路的特定网络链路的FDM 和TDM。对于FDM，其频率域被分割为4个频段，每个频段的带宽是4kHz。对于TDM，其时域被分割为帧，在每个帧中具有4个时隙，在循环的TDM帧中每条电路被分配相同的专用时隙。对于TDM一条电路的传输速率等于帧速率乘以一个时隙中的比特数量。例如，如果链路每秒传输8000个帧，每个时隙由8个比特组成，则每条电路的传输速率是64kbps。

2. 分组交换与电路交换对比
朝着分组交换方向发展

1.3.3 网络的网络

年复一年，构成因特网的“网络的网络“已经演化到成为一个非常复杂的结构。这种演化很大部分是由经济和国家策略驱动的，而不是由性能考虑驱动的。

我们的第一个网络结构即网络结构1，用单一的全球传输ISP互联所有接人ISP。我们假想的全球传输ISP是一个由路由器和通信链路构成的网络，该网络不仅跨越全球，而且
至少具有一台路由器靠近数十万接人ISP中的每一个。当然，对于全球传输ISP，建造这
样一个大规模的网络将耗资巨大。为了有利可图，自然要要向每个连接的接入ISP收费，其价格反映(并不一定正比于)一个接入ISP经过全球IS P交换的流量大小。因为接人ISP向全球传输ISP付费，故接人ISP被认为是客户(custom her)，而全球传输ISP被认为是提供商(provider)。

如果某个公司建立并运营一个可赢利的全球传输ISP，其他公司建立自已的全球传输 ISP 并与最初的全球传输ISP竞争则是一件自然的事。这导致了网络结构2，它由数十万接入ISP 和多个全球传输ISP组成。接入ISP无疑喜欢网络结构2胜过喜欢网络结构1，因为它们现在能够根据价格和服务因素在多个竞争的全球传输提供商之间进行选择。然而，值得注意的是，这些全球传输ISP之间必须是互联的;不然的话，与某个全球传输ISP连接的接人ISP将不能与连接到其他全球传输ISP的接人ISP进行通信。

*再来讨论这个网络的网络，不仅有多个竞争的第一层 ISP，而且在一个区域可能有多个竞争的区域ISP。在这样的等级结构中，每个接入ISP向其连接的区域ISP支付费用并且每个区域ISP向它连接的第一层ISP支付费用。(一个接入ISP也能直接与第一层ISP连接，这样它就向第一层ISP付费。)因此，在这个等级结构的每一层，都有客户-提供商关系。值得注意的是，第一层ISP不向任何人付费，因因为它们位于该等级结构的顶部
更为复杂的情况是，在某些区域，可能有较大的区域ISI (可能跨越整个国家)，该区域
中较小的区域ISP与之相连，较大的区域ISP则与第一层层ISP连接。例如，在中国，每个城市有接入ISP，它们与省级ISP连接，省级ISP 又与国家级ISP连接，国家级ISP最终与第一层ISP连接[Tian2012]。这个多层等级结构仍然仅仅是今天因特网的粗略近似，我们称它为网络结构3。
第三方公司能够创建一个因特网交换点（IXP），IXP是一个汇合点，多个ISP能够在这里对等，网络结构4
最终达到了网络结构5，它描述了今天的因特网。它通过网络结构4顶部增加内容提供商构建而成。

1.5.1分层的体系结构

改变服务的实现而不影响该系统其他组件是分层的另一个重要有点。
各层的所有协议被称为协议栈。因特网协议栈由5个层次组成：物理层、链路层、网络层、运输层、和应用层。