计算机网络和因特网

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互联网基本概念与问题

什么是网络和互联网

网络是一种通过「链路」将「节点」连接起来，以在节点之间传输「信息」的系统。虽然定义较为宽泛，但其核心在于节点（node）和链路（link）的交互。

不同类型的网络：

  • 互联网（Internet）
  • 电话网络
  • 无线网络
  • 光纤网络
  • 数据中心网络
  • 交通网络
  • 社交网络

本课程主要聚焦于互联网。

互联网是全球互联的大型主机、个人计算机和无线网络系统，使用 TCP/IP 协议族来连接数十亿设备。它由数百万个私有、公共、学术、企业和政府网络组成，范围从局域到全球，通过多种电子、无线和光纤技术连接。

基本问题：

  1. 互联网由什么组成？
  2. 如何接入互联网？
  3. 数据如何在网络中传输？

互联网的组成部分

互联网的组件（component）视图

  • 计算设备（computing devices）：数百万台连接的计算设备（主机 Hosts = 终端系统 End systems），运行网络应用程序。
  • 通信链路（communication links）：光纤、铜线、无线电、卫星等物理媒介，构建物理网络。
  • 路由器（routers）：在物理网络之间转发数据包（chunks of data）。

互联网的服务（service）视图：

  • 互联网作为通信基础设施，支持分布式应用，例如：
    • Web、VoIP、电子邮件、在线游戏、电子商务、文件共享等。
  • 提供的通信服务包括：
    • 可靠的数据传输（从源到目的地）。
    • 「尽力而为」（不可靠）的数据传输。
    • 保证延迟和吞吐量。

网络协议

协议

协议（Protocol）是控制消息发送和接收的规则集合。

例如：

  • HTTP(HyperText Transfer Protocol)：Web 页面传输协议。
  • Skype
  • TCP(Transmission Control Protocol)：提供可靠的数据传输。
  • IP(Internet Protocol)：定义了数据包的格式和路由规则。
  • PPP(Point-to-Point Protocol)：在两个节点之间建立连接。
  • 以太网

互联网标准由 IETF(Internet Engineering Task Force) 制定，并通过 RFC(Request for Comments) 发布。

协议定义了网络实体之间发送和接收的消息的格式和顺序，以及在消息传输和接收时采取的操作。

接入互联网

接入网络的方式：

  • 网络边缘（Network Edge）
    • 应用和主机
  • 接入网络（Access Network）
    • 物理媒体
    • 有线和无线通信链路
  • 网络核心（Network Core）
    • 互联的路由器网络
    • 网络的网络

网络边缘

  • 终端系统（End systems, hosts）：运行应用程序（如 Web 浏览器、电子邮件客户端）。
  • 客户端/服务器模型：
    • 客户端请求并接收来自始终在线的服务器的服务。
  • 对等模型（Peer-to-Peer, P2P）：
    • 几乎不使用专用服务器（如 Skype、BitTorrent）。

接入网络

接入网络的方式包括：

  • 家庭接入：DSL(Digital Subscriber Line)、电缆调制解调器、光纤等。
  • 机构接入：学校或公司局域网（LAN, Local Area Network）。
  • 移动接入：蜂窝网络（3G、4G、5G）。

家庭接入网络

  • 拨号（Dial-up modem）：通过调制解调器
    • 最高 56 Kbps 直接接入路由器
  • DSL（Digital Subscriber Line）：数字用户线路
    • 部署：电话公司
    • 上行高达 1 Mbps，下行 8 Mbps
    • 到电话总局的专用物理线路
  • HFC（Hybrid Fiber Coax）：混合光纤同轴电缆
    • 非对称：下行高达 30 Mbps，上行 2 Mbps
    • 家庭共享接入 ISP 路由器
    • 部署：有线电视公司

物理介质

物理介质

物理介质是信号传播的载体，分为有导向介质（guided media）和无导向介质（unguided media）。

  • 有导向介质：信号在固体介质中传播，如铜线、光纤、同轴电缆。
  • 无导向介质：信号自由传播，如无线电波。

常见物理介质：

  • 双绞线（Twisted Pair, TP）
    • 由两根绝缘铜线组成。
    • Category 5：支持 100 Mbps 或 1 Gbps 的以太网传输。
    • Category 6：支持 10 Gbps 的高速传输。
  • 同轴电缆（Coaxial Cable）
    • 包含两层同心铜导体，支持双向通信。
    • 特点：宽带传输（multiple channels on cable）。
  • 光纤（Fiber Optic Cable）
    • 利用玻璃纤维传输光脉冲，每个脉冲代表一个比特。
    • 优点：
      • 高速传输（如 10~100 Gbps）。
      • 低误码率（immune to electromagnetic noise）。
      • 中继器间距远。
  • 无线电波（Radio）
    • 信号通过电磁频谱传播，无需物理连接。
    • 特点：双向通信，但受环境影响（如反射、障碍物阻挡、干扰）。
    • 常见类型：
      • 地面微波（terrestrial microwave）：速率可达 45 Mbps。
      • 局域网（LAN，如 WiFi）：速率 11 Mbps 或 54 Mbps。
      • 广域网（如蜂窝网络）：3G 蜂窝网络约 1 Mbps。
      • 卫星通信：延迟约 270 毫秒。

网络核心

网络核心

网络核心是由互联路由器组成的网格，负责数据在网络中的传输。

数据传输方式

电路交换（Circuit Switching）

  • 原理：为每次通信建立专用电路（dedicated circuit），例如传统电话网络。
  • 过程：
    1. 源节点发送预留请求到目标节点。
    2. 交换机完成电路建立（admission control）。
    3. 数据传输。
    4. 发送拆除请求释放电路。
  • 优点：性能可预测，切换简单快速。
  • 缺点：资源独占导致效率低下（尤其在突发流量时），电路建立增加延迟。

分组交换（Packet Switching）

  • 原理：主机将应用层消息拆分为分组（packet），逐跳转发至目标。
  • 特点：
    • 每个分组包含目标地址。
    • 使用缓冲区应对瞬时过载。
  • 优点：资源利用率高，实现简单，鲁棒性强（可绕过故障）。
  • 缺点：性能不可预测，需要缓冲管理与拥塞控制。

网络性能

网络性能

网络性能是衡量数据传输效率的关键指标，主要包括延迟（delay）、吞吐量（throughput）和丢包率（loss）。

延迟（Delay）

延迟由以下四个部分组成：

  • 传输时延（Transmission Delay）
    • 公式：传输时延=分组大小链路传输速率\text{传输时延} = \dfrac{\text{分组大小}}{\text{链路传输速率}}
    • 示例：1000 bits/100 Mbps=10−5 秒\pu{1000 bits} / \pu{100 Mbps} = \pu{10^{-5} \text{秒}}
  • 传播时延（Propagation Delay）
    • 公式：传播时延=链路长度传播速度\text{传播时延} = \dfrac{\text{链路长度}}{\text{传播速度}}
    • 示例：30 km/3×108 m/s=10−4 秒\pu{30 km} / \pu{3 x 10^8 m/s} = \pu{10^{-4} \text{秒}}
  • 排队时延（Queuing Delay）
    • 受流量混合和交换机内部特性影响，通常用统计方法描述（如平均值、方差）。
    • 瞬时过载是常见现象，可能导致队列增长。
  • 处理时延（Processing Delay）
    • 交换机处理分组所需时间，通常可忽略。

未过载时的排队时延示意图：

过载时的排队时延示意图：

过载丢包示意图：

端对端延迟：

吞吐量（Throughput）

传输速率为 R bit / sec\pu{\mathit{R} bit/sec}，文件大小为 F bit\pu{\mathit{F} bit}，分组大小为 L bit\pu{\mathit{L} bit}，则传输时间 T=F/R+传播时延T = F / R + \text{传播时延}，平均吞吐量 =F/T≈R = F / T \approx R。

端对端吞吐量：

协议分层与服务模型

协议分层

协议分层是将网络功能划分为多个层次，每层实现特定服务并依赖下层提供的服务。

OSI 模型

OSI(Open Systems Interconnection) 模型是国际标准化组织（ISO）定义的网络协议体系结构，用于指导网络协议设计。

OSI 模型分为七层，从下到上依次为：

  • 物理层（Physical Layer）：定义物理链路的电气、机械特性（如电缆、插头）。
  • 数据链路层（Data Link Layer）：将比特分组为帧（frame），提供错误检测与重传。
  • 网络层（Network Layer）：负责跨多链路的数据包传输，包括路由（routing）和转发（forwarding）。
  • 传输层（Transport Layer）：提供端到端可靠数据传输（如 TCP、UDP）。
  • 会话层（Session Layer）：控制应用程序间的对话。
  • 表示层（Presentation Layer）：处理数据格式与编码。
  • 应用层（Application Layer）：为应用程序提供网络接口（如 HTTP、FTP）。

TCP/IP 模型

TCP/IP 模型是互联网广泛使用的协议架构，分为四层：

  • 应用层（Application Layer）：支持网络应用（如 HTTP、SMTP）。
  • 传输层（Transport Layer）：提供进程间数据传输（如 TCP、UDP）。
  • 网络层（Internet Layer）：负责跨网络的数据报路由（如 IP）。
  • 链路层（Link Layer）：实现相邻节点间的数据传输（如 Ethernet）。

分层模型的优点：

  • 降低复杂性
  • 提高灵活性

缺点：

  • 增加开销
  • 往往要求跨层协作