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NotesComputer Networking

自顶向下的计算机网络笔记，覆盖应用层、传输层与网络基础。

第一章：计算机网络和因特网 ​

1.1 什么是因特网？ ​

1.1.1 “螺母和螺栓”视角 (Nuts and Bolts view) ​

  • 节点 (Nodes): 数十亿台互联的计算设备，称为主机 (hosts) 或终端系统 (end systems)。
  • 通信链路 (Communication links): 光纤、铜线、无线电、卫星等。
    • 传输速率: 链路的带宽 (bandwidth)，衡量比特传输的速度。
  • 分组交换 (Packet switching): 转发数据包（data packets）的设备。
    • 路由器 (Routers) 和 交换机 (Switches)。
  • 协议 (Protocols): 控制消息的发送与接收。例如：HTTP, TCP, IP, WiFi, 4G, Ethernet。
  • 因特网标准:
    • IETF (Internet Engineering Task Force): 互联网工程任务组。
    • RFC (Request for Comments): 请求评议文档。

1.1.2 “服务”视角 (Service view) ​

  • 为应用程序提供服务的基础设施: Web, 流媒体视频, 电子邮件, 游戏, 电子商务, 社交媒体等。
  • 为分布式应用程序提供编程接口 (API): 允许应用程序“连接”到互联网传输服务，类似于邮政服务。

1.1.3 什么是协议？ ​

  • 定义: 协议定义了两个或多个通信实体之间交换报文的格式、顺序，以及在报文传输/接收或其他事件方面所采取的行动。

1.2 网络边缘 (Network Edge) ​

  • 端系统 (End Systems): 运行应用程序的主机（如客户端、服务器）。服务器通常位于大型数据中心中。
  • 接入网络 (Access Networks): 将端系统连接到其边缘路由器 (edge router) 的物理链路。
    • 住宅接入: DSL (数字用户线), 电缆 (HFC), FTTP (光纤到户)。
    • 机构接入 (学校、公司): 以太网 (Ethernet)。
    • 移动接入: WiFi, 4G/5G。

1.2.1 物理介质 (Physical Media) ​

  • 引导型介质 (Guided media): 信号沿固体介质传播（双绞线、同轴电缆、光纤）。
  • 非引导型介质 (Unguided media): 信号在空间中自由传播（无线电、卫星）。

1.3 网络核心 (Network Core) ​

网络核心是由互联路由组成的网状网。其主要功能是分组交换。

1.3.1 分组交换 (Packet Switching) ​

  • 存储转发 (Store-and-forward): 路由器必须在转发某个分组的第一个比特之前，完整地接收该分组。
    • 传输延迟: 发送一个 L 位的分组，链路速率为 R bps，则传输延迟时间为 L/R。
  • 排队延迟与丢包: 如果分组到达速率超过链路输出速率，分组将进入队列等待。如果路由器缓冲区已满，则会发生丢包 (packet loss)。

1.3.2 转发 vs. 路由 ​

  • 转发 (Forwarding): 将分组从路由器的输入链路转移到适当的输出链路（本地动作）。
  • 路由 (Routing): 确定分组从源到目的地的路径（全局动作，由路由算法决定）。

1.3.3 电路交换 (Circuit Switching) ​

  • 端到端资源被分配给源和目的地之间的通信，资源是独占的。
  • 方法: 频分复用 (FDM) 或 时分复用 (TDM)。
  • 对比: 分组交换允许更多用户使用网络，更适合突发数据，但可能产生拥塞。

1.4 分组交换网中的延迟、丢包和吞吐量 ​

1.4.1 四种延迟来源 ​

  1. 节点处理时延 (Nodal Processing Delay): 检查位错误、确定输出链路，通常 <μs。
  2. 排队时延 (Queueing Delay): 在输出链路等待传输的时间，取决于拥塞程度。
  3. 传输时延 (Transmission Delay): dtrans=L/R (L: 分组长度, R: 链路带宽)。
  4. 传播时延 (Propagation Delay): dprop=d/s (d: 链路距离, s: 传播速度 ≈2×108m/s)。

1.4.2 流量强度 (Traffic Intensity) ​

  • 流量强度 I=La/R (a: 分组到达率)。
    • I≈0: 平均排队时延小。
    • I→1: 排队时延迅速增大。
    • I>1: 缓冲区溢出，延迟趋于无穷大，发生丢包。

1.5 协议层及其服务模型 ​

1.5.1 分层架构 ​

协议分层允许识别系统各部分之间的关系，并简化维护。

TCP/IP 协议栈 (5层模型) ​

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graph TD
    A[应用层 - Application] -->|HTTP, SMTP, DNS| B[传输层 - Transport]
    B -->|TCP, UDP| C[网络层 - Network]
    C -->|IP, 路由协议| D[链路层 - Link]
    D -->|Ethernet, WiFi, PPP| E[物理层 - Physical]
  1. 应用层 (Application): 支持网络应用 (HTTP, SMTP, DNS)。
  2. 传输层 (Transport): 进程间的数据传输 (TCP, UDP)。
  3. 网络层 (Network): 数据报的路由 (IP, 路由协议)。
  4. 链路层 (Link): 相邻网络单元之间的数据传输 (Ethernet, WiFi, PPP)。
  5. 物理层 (Physical): 在链路上通过物理信号传输比特。

ISO/OSI 参考模型 (7层模型) ​

  • 比特流通过物理信号传输。
  • 比 TCP/IP 多出：表示层 (加密、压缩、数据解释) 和 会话层 (同步、检查点)。

1.5.2 封装 (Encapsulation) ​

在数据向下传输的过程中，每一层都会添加特定的头部信息（Header）：

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sequenceDiagram
    participant App as "应用层 (Message M)"
    participant Trans as "传输层 (Segment Ht|M)"
    participant Net as "网络层 (Datagram Hn|Ht|M)"
    participant Link as "链路层 (Frame Hl|Hn|Ht|M)"
    participant Phys as "物理层 (Bits)"

    App->>Trans: 封装
    Trans->>Net: 封装
    Net->>Link: 封装
    Link->>Phys: 转换成比特流
  • 应用层报文 (Message) → 传输层报文段 (Segment) → 网络层数据报 (Datagram) → 链路层帧 (Frame)。

1.6 网络安全 ​

  • 安全威胁: 分组嗅探 (Sniffing), IP 欺骗 (Spoofing), 拒绝服务攻击 (DoS)。
  • 防御机制: 身份验证、机密性（加密）、完整性检查、防火墙。

1.7 互联网发展史 ​

  • 1961-1972: 早期分组交换原理研究 (ARPAnet)。
  • 1972-1980: 网络互联 (TCP/IP 诞生)。
  • 1980-1990: 新协议出现 (SMTP, DNS, FTP, TCP拥塞控制)。
  • 1990-2000s: 商业化、Web出现。
  • 2005-至今: 宽带普及、移动网络 (4G/5G)、云计算、SDN。
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