1.计算机网络概述

1、什么是Internet?

1.1 从具体构成角度

零件的角度

节点
- 主机及其上运行的应用程序
- 路由器、交换机等网络交换设备
边：通信链路
- 接入网链路：主机连接到互联网的链路
- 主干链路：路由器间的链路
协议

1.2 从网络互联设备的角度

协议控制发送、接收消息
- 如TCP、IP、HTTP、FTP、PPP
Internet:"网络的网络“
- 松散的层次结构，互联的ISP
- 公共的Internet VS 专用的intranet
Internet 标准
- RFC: Request for comments
- IETF: Internet Engineering Task Force

1.3 协议

定义了在两个或多个通信实体（对等层的实体）之间交换的报文格式和次序，以及在报文传输和/或接受或其他事件方面所采取的动作；

1.4 从服务的角度

使用通信设施进行通信的分布式应用
- Web、VoIP、email、分布式游戏、电子商务、社交平台……
通信基础设施为apps提供编程接口（通信服务）
- 将发送和接收数据的apps与互联网连接起来
- 为app应用提供服务类型、类似于邮政服务
  - 无连接不可靠服务
  - 面向连接的可靠服务

2、网络边缘

2.1 补充

网络结构
- 主机
- 应用程序
网络核心
- 互连着的路由器
- 网络的网络
接入网、物理媒体
- 有线或者无线通信链路

2.2 网络边缘

端系统(主机)
- 运行应用程序
- 如Web、email
- 在“网络的边缘”
客户/服务器模式
- 客户端向服务器请求、接受服务
- 如Web浏览器 / 服务器：email客户端 / 服务器
对等(peer-peer) 模式
- 很少（甚至没有）专门的服务器
- 如 Gnutella、KaZaA,Emule
- 每个节点既是服务器也是客户端，互相请求、分布式系统，无客户 / 服务器模式的缺陷如迅雷等。

2.3 网络边缘：采用网络设施的面向连接服务

目标：在端系统之间传输数据
握手：在数据传输之前做好准备
- 人类协议中：你好、你好
- 两个通信主机为连接建立状态
TCP-传输控制协议（Transmission Control Protocol）
- Internet上面面向连接的服务

TCP服务

可靠的、按顺序地传送数据

确认和重传

流量控制

发送方不会淹没接收方

拥塞控制

当网络拥塞时，发送方降低发送速率

2.4 网络边缘：采用基础设施地无连接服务

目标：在端系统之间传输数据
1. 无连接服务
UDP-用户数据报协议（User Datagram Protocol)
- 无连接
- 不可靠数据传输
- 无流量控制
- 无拥塞控制
使用TCP的应用
- HTTP(Web)，FTP(文件传送)，Telnet(远程登陆)，SMTP(email)
使用UDP的应用
- 流媒体、远程会议、DNS、Internet电话

3、网络核心

3.1 网络核心

网络核心
基本问题：数据怎样通过网络进行传输
1. 电路交换
2. 分组交换
  - 将要传送的数据分成一个个单位：分组（pocket)
  - 将分组从一个路由器传到相邻路由器（hop），一段段最终从源端传送到目标端
  - 每段：采用链路的最大传输能力（带宽）

3.2 网络核心：电路交换

端到端的资源被分配给从源端到目标端的呼叫叫"call"

独享资源：不同享
- 每个呼叫一旦建立起来就能够保证性能
如果呼叫没有数据发送，被分配的资源就会被浪费
通常被传统电话网络采用

3.3 网络核心：电路交换

为呼叫预留端-端资源

链路带宽、交换能力
专用资源：不共享
保证性能
要求建立呼叫连接
网络资源（如带宽）被分成片
- 为呼叫分配片
- 如果某个呼叫没有数据，则其资源片处于空闲状态（不共享)
- 将带宽分成片
  - 频分
  - 时分
  - 波分

3.4 电路交换不适合计算机之间的通信

连接建立时间长
计算机之间的通信有突发性，如果使用线路交换，则浪费的片较多
- 即使这个呼叫没有数据传输，其所占据的片也不能被别的呼叫使用
可靠性不高？

3.5 网络核心：分组交换

以分组为单位存储-转发方式 + 网络带宽资源不再分为一个个片，传输时使用全部带宽 + 主机之间传输的数据被分成一个个分组
资源共享、按需使用
- 存储-转发：分组每次移动一跳（hop)
  - 在转发之前，节点必须收到整个分组
  - 延迟比线路交换要大
  - 排队时间

3.6 分组交换：存储-转发

被传输到下一个链路之前，整个分组必须到达路由器：存储-转发
在一个速率为R bps的链路，一个长度为L bits的分组的存储延时：L/R s

3.7 分组交换：排队延迟和丢失

如果到达速率>链路的输出速率
- 分组将会排队，等待传输
- 如果路由器的缓存用完了，分组将会被抛弃

3.8 网络核心的关键功能

路由：决定分组采用的源到目标的路径
- 路由算法
转发：将分组从路由器的输入链路转移到输出链路

3.9 分组交换 VS 电路交换

同样的网络资源，分组交换允许更多用户使用网络！

分组交换是“突发数据的胜利者？”

适合于对突发式数据传输
- 资源共享
- 简单，不比建立呼叫
过度使用会造成网络拥塞：分组延时和丢失
- 对可靠的数据传输需要协议来约束：拥塞控制

3.10 分组交换网络：存储-转发

分组交换：分组的存储转发一段一段从源端传到目标端，按照有无网络层的连接，分为：
1. 数据报网络：
  - 分组的目标地址决定下一跳
  - 在不同的阶段，路由可以改变
  - 类似：问路
  - Internet
2. 虚电路网络
  - 每个分组都带标签（虚电路标识VCID），标签决定下一跳
  - 在呼叫建立时决定路径，在整个呼叫中路径保持不变
  - 路由器维持每个呼叫的状态信息
  - X.25和ATM

3.11 数据报（datagram）的工作原理

在通信之前，无需建立起一个连接，有数据就传输
每一个分组都独立路由（路径不一样，可能会失序）
路由器根据分组的目标地址进行路由

3.12 总结

数据报是按地址找人，不事先确定路好不好走；

虚电路是先去一次，熟悉一下路线，再进行发送

4、接入网和物理媒体

4.1 Q:怎样将端系统和边缘路由器连接？

住宅接入网络
单位接入网络（学校、公司）
无线接入网络
注意：
- 接入网络的带宽（bits per second）
- 共享/专用

4.2 住宅接入：modern

将上网数据==调制==加载音频信号上，在电话线上传输，在局端将其中的数据==解调==出来；反之亦然
- 调频
- 调幅
- 调相位
- 综合调制
==拨号调制解调器==
- 56Kbps的速率直接接入路由器（通常更低）
- 不能同时上网和打电话；不能总是在线

4.3 接入网：digital subscriber line(DSL)

采用==现存的==到交换局DSLAM的电话线
- DSL线路上的数据被传到互联网
- DSL线路上的语音被传到电话网
<2.5 Mbps上行传输速率（typically<1 Mbps）
<24 Mbps下行传输速率（typically<10 Mbps）

4.4 接入网:线缆网络

有线电视信号线缆双向改造

FDM:在不同频段传输不同信道的数据，数字电视和上网数据（上下行）

HFC:hybird fiber coax
- 非对称：最高30Mbps的下行传输速率，2 Mbps上行传输速率
==线缆和光纤网络==将每个家庭用户接入到 ISP 路由器
各用户==共享==到线缆头端的接入网络
- 与DSL不同，DSL每个用户一个专用线路到CO（central office)

4.5 住宅接入：电缆模式

4.6 接入网：家庭网络

4.7 企业接入网路

经常被企业或者大学等机构采用
- 10 Mbps,100 Mbps,1Gbps,10Gbps传输率
- 现在，端系统经常直接接到以太网交换机上

4.8 无线接入网络

各无线端系统共享无线接入网络（端系统到无线路由器）
- 通过基站或者接入点

4.9 物理媒体

Bit:在发送-接收时间传播
物理链路：连接每个发送-接收对之间的物理媒体
导引型媒体：
- 信号沿着固体媒介被导引：同轴电缆、光纤、双绞线
非导引型媒体
- 开放的空间传输电磁波或者光信号，在电磁或者光信号中承载数字数据
双绞线（TP）
- 两根绝缘铜导线拧合

4.10 物理媒体：同轴电缆、光纤

同轴电缆：
- 两根同轴的铜导线
- 双向
- 基带电缆
- 宽带电缆
光纤和光缆
- 光脉冲，每个脉冲表示一个bit，在玻璃纤维中传输
- 高速：点到点的高速传输（如10Gbps-100Gbps传输速率）
- 低误码率：在两个中继器之间可以有很长的距离，不受电磁噪声的干扰
- 安全

4.11 物理媒介：无线链路

开放空间传输电磁波，携带要传输的数据
无需物理：”线缆“
双向
传播环境效应’
- 反射
- 吸收
- 干扰
无线链路类型‘
- 地面微波
- LAN
- wide-area
- 卫星

5、Internet结构和ISP

5.1 互联网络结构：网络的网络

端系统通过==接入ISPs==(Internet Service Providers)连接到互联网
- 住宅，公司和大学的ISPs
接入ISPs相应的必须是互联的
- 因此任何2个端系统可互相发送分组到对方
导致的“网络的网路”非常复杂
- 发展和演化是通过==经济的==和==国家的==政策来驱动
竞争：如果全局ISP是有利可为的业务，那会有竞争者
合作：通过ISP之间的合作可以完成业务的扩展，肯定会有互联，对等互联的结算关系
然后业务会细分（全球接入和区域接入），区域网络将出现，用于将接入ISPs连接到全局ISPs

然后==内容提供商网络（Internet Content Providers==,e.g.,Google,Microsoft,Akamai)可能会构建它们自己的网络，将它们的服务、内容更加靠近端用户，向用户提供更好的服务，减少自己的运营支出。

在网络的最中心，一些为数不多的充分连接的大范围网络（分布广、节点有限、但是之间有着多重连接）
- “tier-1" commercial ISPs,国家或者国际范围的覆盖
- ==content provider network==:将它们的数据中心接入ISP，方便周边用户的访问；通常私有网络之间用专网绕过第一层ISP和区域

5.2 Internet结构：network of networks

松散的层次模型
==中心：第一层ISP==（如UUNet,BBN/Genuity,Sprint,AT&T)国家/国际覆盖，速率极高
- 直接与其他第一层ISP相连
- 与大量的第二层ISP和其他客户网络相连

第二层ISP:更小些的（通常是区域性的）ISP
- 与一个或多个第一层ISPs，也可能与其他第二层ISP
第三层ISP与其他本地ISP
- 接入网（与端系统最近）

5.3 互联网结构：网络的网络

很多内容提供商（如：Google）可能会部署自己的网络，连接自己的在各地的DC(数据中心)，走自己的数据
连接若干local ISP和各级（包括一层）ISP，更加靠近用户

5.4 ISP之间的连接

POP：高层ISP面向客户网络的接入点，涉及费用结算
- 如一个低层ISP接入多个高层ISP，多宿（multi home)
对等接入：2个ISP对等互联，不涉及费用结算
IXP;多个对等ISP互联互通之处，通常不涉及费用结算
- 对等接入
ICP自己部署专用网络，同时和各级ISP连接

6、分组延时、丢失和吞吐量

6.1 分组丢失和延时是怎样发生的？

在路由器缓冲区的分组队列
- ==分组到达链路的速率超过了链路输出的能力==
- 分组等待排到队头、被传输

6.2 四种分组延时

==节点处理延时：==
- 检查bit级差错
- 检查分组首部和决定将分组导向何处
==排队延时==
- 在输出链路上等待传输的时间
- 依赖于路由器的拥塞程度
==传输延时==
- R=链路带宽（bps)
- L=分组长度（bits）
- 将分组发送到链路上的时间=L/R
- 存储转发延时
==传播延时==
- d=物理链路的长度
- s=在媒体上的传播速度
- 传播延时=d/s
1. 节点延时
  
  d~~nodal~~=d~~proc~~+d~~queue~~+d~~trans~~+d~~prop~~
  - dproc=处理延时
    - 通常是微秒数量级或更少
  - dqueue=排队延时
    - 取决于拥塞程度
  - dtrans=传输延时
    - =L/R，对低速率的链路而言很大（如拨号），通常为微秒级到毫秒级
  - dprop=传播延时
    - 几微秒到几百毫秒

6.3 分组丢失

链路的队列缓冲区容量有限
当分组到达一个满的队列时，该分组将会丢失
丢失的分组可能会被前一个节点或者源端系统重传，或者根本不重传

6.4 吞吐量

吞吐量：在源端和目标端之间传输的速率（数据量/单位时间）
- ==瞬间吞吐量==：在一个时间点的速率
- ==平均吞吐量==：在一个长时间内的平均值

7、协议层次及服务模型

7.1 协议层次

网络功能繁杂：数字信号的物理信号承载、点到点、路由、rdt、进程区分、应用等
现实来看，网络的许多构成元素和设施：
- 主机
- 路由器
- 各种媒体的链路
- 应用
- 协议
- 硬件、软件

7.2 例子：两位异地哲学家的交流

7.3 航线的功能层次

==层次化方式实现复杂网络功能==：
- 将网络复杂的功能分层功能明确的==层次==，每一层实现了其中一个或一组功能，功能中有其上层可以使用的功能：==服务==
- 本层协议实体相互交互执行本层的==协议动作==，目的是实现本层功能，通过接口为上层提供更好的服务
- 在实现本层协议的时候，直接==利用了下层所提供的服务==
- 本层的服务：借助下层服务实现的本层协议实体之间交互带来的新功能（上层可以利用的）+更下层所提供的服务

7.4 服务和服务站点

服务（Service）：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力
- 通信用户（service user)
- 服务提供者（service provider)
原语（primitive）：上层使用下层服务的形式，高层使用底层提供的服务，以及低层向高层提供服务都是通过服务访问原语来进行交互的–形式
服务访问点SAP（Service Access Point）:上层使用下层提供的服务通过层间的接口—地点；
- 例子：邮箱
- 地址（address):下层的一个实体支撑着上层的多个实体，SAP有标志不同上层实体的作用
- 可以有不同的实现，队列
- 例子：传输层的SAP：端口（port)

7.5 服务的类型

面向连接的服务（Connection-oriented Service)
- ==连接==：两个通信实体为进行通信而建立的一种结合
- 面向连接的服务通信的过程：建立连接，通信，拆除连接
- 面向连接的服务的例子：网络层的连接被成为虚电路
- 适用范围：对于大的数据块要传输；不适合小的零星报文
- 特点：保序
- 服务类型：
  - 可靠的信息流传送页面（可靠的获得，通过接收方的确认）
  - 可靠的字节流远程登陆
  - 不可靠的连接数字化的声音
面向无连接的服务（Connectionless Service)
- 无连接的服务：两个对等层实体在通信前不需要建立一个连接，不预留资源；不需要通信双方都是活跃；（例：寄信）
- 特点：不可靠、可能重复、可能失序
- IP分组，数据包
- 适用范围：适合传输零星数据
- 服务类型：
  - 不可靠的数据报电子方式的函件
  - 有确认的数据报挂号信
  - 请求回答信息查询

7.6 服务和协议

服务与协议的区别
- 服务：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力，通过原语来操作的，垂直
- 协议：对等层实体之间在相互通信的过程中，需要遵循的规则的集合，水平
服务与协议的联系
- 本层==协议的实现==要靠下层提供的服务来实现
- 本层实体通过协议为上层==提供更高级的服务==

7.7 分层处理和实现复杂系统系统的好处？

==对付复杂的系统==

概念化：结构清晰，便于标示网络组件，以及描述其相互关系
- 分层参考模型
结构化：模块化更易于维护和系统升级
- 改变某一层的服务的实现不影响系统中的其他层次
  - 对于其他层次而言是透明的

结合微服务的好处结合记忆

服务按照业务来划分，每个服务通常只专注于某一个特定的业务、所需代码量小，复杂度低、易于维护。

每个微服都可以独立开发、部署和运行，且代码量较少，因此启动和运行速度较快。

每个服务从设计、开发、测试到维护所需的团队规模小，一般 8 到 10 人，团队管理成本小。

采用单体架构的应用程序只要有任何修改，就需要重新部署整个应用才能生效，而微服务则完美地解决了这一问题。在微服架构中，某个微服务修改后，只需要重新部署这个服务即可，而不需要重新部署整个应用程序。

在微服务架构中，开发人员可以结合项目业务及团队的特点，合理地选择语言和工具进行开发和部署，不同的微服务可以使用不同的语言和工具。

微服务具备良好的可扩展性。随着业务的不断增加，微服务的体积和代码量都会急剧膨胀，此时我们可以根据业务将微服务再次进行拆分；除此之外，当用户量和并发量的增加时，我们还可以将微服务集群化部署，从而增加系统的负载能力。

微服务能够与容器（Docker）配合使用，实现快速迭代、快速构建、快速部署。

微服务具有良好的故障隔离能力，当应用程序中的某个微服发生故障时，该故障会被隔离在当前服务中，而不会波及到其他微服务造成整个系统的瘫痪。

微服务系统具有链路追踪的能力。