网络核心：数据交换

分组交换

是计算机网络中数据交换方式，在传输数据时仅占用路径中某两个节点间的链路，属于统计多路复用（类似时分复用）

优势：网络的共享性（提高资源利用率）

代价：额外网络延时、可能的丢包率

发送方行为：构造、发送分组

交换节点行为：存储、查路由表转发分组

接收方行为：接收、还原报文

将要发送的数据报文，分为有限大小的数据块，加上首部形成分组，通过各个节点存储转发

存储转发

在接收完一个分组前，需要将已接收的比特存储，等接收完这一分组后将整个分组进行转发

转发表与路由协议选择

路由选择协议：用来决定每台路由器到每个目的地的最短路径，并基于此配置路由器中的转发表

时延

• 处理时延

  • 取决于路由器性能，如路由器最大吞吐量等
  • 检查分组首部
  • 决定分组去向
  • 检查比特级别的差错

• 排队时延：最为复杂和有趣

  • 取决于当前网络流量，流量小等于链路输出速率时，时延为毫秒至微秒量级
  • 交换机对于每条相连的链路都有输出队列（输出缓存）
  • 若转发时相应链路正在传输其它分组，则需要进入输出队列，排队等待
  • 若输出队列已满，则次分组或队列中的分组之一将被丢弃，即分组丢包
  • 排队时延通常用统计量来度量（平均，方差，概率 ...），以应对其不确定性
    • 多个分组同时到达空队列，则第一个无排队时延，最后一个有较长排队时延
  • 流量强度：La/R
    • 分组中比特数L，分组到达平均速率 a pkt/s，传输速率 R
    • 流量强度>1，队列时延趋向于无限大
    • 设计系统时流量强度不能大于1

• 传输时延：将数据推向链路所需时间

  • 与分组长度和链路传输速率有关，通常为毫秒至微秒量级

  • 源和目的地间有 N+1 个节点，分组长度为 L，链路速率为 R，其组成的路线从源到目的地，传输一个分组所需时间 $d=N\frac{L}{R}$

  • P个分组：$t=(N+P-1)\frac{L}{R}$

• 传播时延：数据传输所需时间

  • 取决于物理媒介和链路长度 $210^8m/s - 210^8m/s$

吞吐量

单位时间内源主机向目标主机发送的有效比特量

瞬时/平均

网络中实现

采用分组交换，有时也需要有电路交换的特性，通过其它方式实现

虚电路

• 有连接，建立虚电路后，每个分组包含虚电路号，通过虚电路号转发数据

数据报

• 无连接，每份都包含完整目标地址，独立传送

报文交换

相当于不限分组大小的分组交换

电路交换

持续占用物理链路，例：电话

建立连接所需时间长

• 过程：建立连接 - 通信 - 释放连接

复用技术

将一条链路通过划分时间或频段等方式，使其能同时接受多个连接

• 时分复用（TDM）：链路为每条连接在帧中分配一个时隙
  • 每条连接在其间隙中周期性地得到所有带宽
  • 传输速率=帧速率*每个时隙比特数
  • 案例：A、B间使用24时隙的TDM链路，比特速率1.536Mbps，创建电路需要500ms，发送一个640000比特的文件所需时间
    • 传输时间：640kb / (1536/24)kbps + 0.5s = 10.5s
      • 通信：1Mbps = 1000Kbps
      • 存储：1MB = 1024KB
    • 该时间与链路数无关，是稳定的传输时间
    • 实际时延还需要加上传播时延
• 频分复用（FDM）：链路为每条连接分配一个专用频段
  • 每条连接持续得到部分带宽
• 波分复用（WDM）：光纤通信，链路为每条连接分配一个专用波段
• 码分复用（CDM）：通常是接入的方式（码分多址：CDMA）

网络边缘：控制交换策略

• 面向连接：主机双方及其底层协议栈知道通信状态，中间经过的网络不知道
• 有连接：主机及各个节点都需要维护其通信状态

TCP

• 面向连接
• RDT：可靠（不重复、不丢失、不失序）
• 流量控制：控制发送速度
• 拥塞控制：解决路径堵塞问题
• 应用场景：http(web)，ftp（文件传输），telnet（远程登录）、smtp（邮件）
• 缺点：需要额外消耗资源，并且会增长时延；可能会产生粘包；

UDP

• 无连接，不可靠，无流量控制，无拥塞控制
• 应用场景：实时应用，流媒体、远程会议、DNS、网络电话...

网络的网络

ISP：网络服务提供商

IXP：对等，通常不涉及费用结算，属于不同服务商之间的合作

ICP: 网络内容提供商（如：谷歌在各地有自己的数据机房，部署在顶级ISP附近，访问其服务通过自己搭建的线路）

traceroute

TTL: 生存时间，经过一个节点就减一，为零时就会被丢弃，将其丢弃的节点返回一个ICMP报文

发送三次特殊分组，其通过TTL控制其在第几个路由器被丢弃，以此计算延时并得到每个路由地址

如果有分组丢失，根据相关各层的可靠性有三种情况：由上一跳重传、源主机重传、不重传

如果到达目的地，则会因为找不到服务（对应端口）被丢弃，被丢弃后返回一个ICMP报文

协议层次和服务模型

• 分层实现：本层协议通过下层服务实现，本层实体通过协议向上层提供更高级的服务

• 协议是水平的，服务是垂直的

• PDU（协议数据单元）：通过服务访问点（SAP）使用下层提供的服务，与对等层通信

  • 应用层：报文
  • 传输层：报文段、段
  • 网络层：分组、数据报
  • 数据链路层：帧
  • 物理层：位...

• 服务访问点（SAP）：用来区分服务的不同用户（应用）

  • 数据链路层的服务访问点是TYPE中的类型说明（例如0800代表上层是IP）,
  • 网络层的服务访问点是IP头部中的protocol字段（17表示上层是UDP，6是TCP，89是OSPF，88是EIGRP，1是ICMP等）
  • 传输层的服务访问点是端口号

• header中包含对应层的控制信息等

• SDU过大时，会先将SDU分为多份，每份都加上header

• SDU过小时，会先将多个SDU合并后，加上header

服务类型

各层分工

• 物理层：将包含数据链路层中帧的数据转为比特 - 在物理介质中传输比特 - 将比特转换回数据
• 数据链路层：在物理层服务的基础上，负责相邻两节点间，点到点的，以帧为单位的数据传输
  • PPP、802.11（wifi）、ethernet（以太网）
• 网络层：在数据链路层服务的基础上，负责源主机到目标主机，端到端的，以分组为单位的数据传输
  • IP、路由选择协议（RIP、OSPF、BGP...）、ICMP...
• 传输层：在网络层的基础上，负责进程到进程的，以报文段为单位的数据传输
  • 还可提供可靠的传输服务
  • TCP、UDP
• 应用层：在传输层的基础上，提供各种不同的网络应用，以报文为单位的数据传输
  • FTP、HTTP、DNS...
  • 在七层模型中，应用层只关心语义
    • 表示层：负责具体数据的表达（如加密、压缩、表示转换）
    • 会话层：负责会话管理（建立会话，关闭会话，维持session，数据交换的同步、检查点、恢复）

• 报文：应用层首部+数据
• 报文段：传输层首部（端口号等）+报文（TCP会划分成段，UDP不划分）
  • MSS（Maximum Segment Size）：TCP数据包每次传输的最大数据分段大小
  • 一般由发送端向对端TCP通知对端在每个分段中能发送的最大TCP数据
  • 例：以太网中，MSS值为MTU值减去IPv4 Header（20 Byte）和TCP header（20 Byte），即 1500-20-20=1460 Byte
• 数据报：网络层首部（IP等）+报文段（如果是UDP，报文段长度可能超限（MTU），会在此分片）
  • 分片：若一IP数据报大小超过相应链路的MTU的时候，执行分片
• 帧：数据链路层首部（MAC等）+数据报+数据链路层尾部
  • 最大传输单元 （Maximum Transmission Unit，MTU）：数据链路层对数据帧长度的限制
  • 例：以太网（1500）；802.3（1492，以太网基础上多了 3字节的802.2LLC和5字节的SNAP字段）