專欄

計算機網路

計算機網路概述（下）

計算機網路性能

速率

• 速率即資料率（data rate）或稱資料傳輸速率或位元率（bit rate）
  • 單位時間（秒）傳輸資訊（位元）量
  • 計算機網路中最重要的一個性能指標
  • 單位：b/s（或bps）、kb/s、Mb/s、Gb/s
  • k=10^3 、M=10^6 、G=10^9
• 速率往往是指額定速率或標稱速率

帶寬

• ”帶寬“（bandwidth）原本指信號具有的頻帶寬度，即最高頻率與最低頻率之差，單位是赫茲（Hz）
• 網路的“帶寬”通常是數字信道所能傳送的“最高資料率”，單位：b/s（bps）
• 常用的帶寬單位：
  • kb/s（10^3 b/s）
  • Mb/s（10^6 b/s）
  • Gb/s（10^9 b/s）
  • Tb/s（10^12 b/s）

延遲/時延（delay或latency）

Q：分組交換為什么會發生丟包和時延？

A：分組在路由器快取中排隊

• 分組到達速率超出輸出鏈路容量時
• 分租排隊，等待輸出鏈路可用
  

四種分組延遲

dproc：結點處理延遲（nodal processing delay）

• 差錯檢測
• 確定輸出鏈路
• 通常<msec

dqueue：排隊延遲（queueing delay）

• 等待輸出鏈路可用
• 取決于路由器擁塞程度

dtrans：傳輸延遲（transmission delay）

• L：分組長度（bits）
• R：鏈路帶寬（bps）
• dtrans = L/R

dprop:傳播延遲（propagation delay）

• d：物理鏈路長度
• s：信號傳播速度（~2 * 10^8 m/sec）
• dprop = d/s
  

dtrans與dprop完全不同！

類比：車隊

• 車速為100 km/hr ~ 信號傳播速度
• 收費站放行一臺車用時12s ~ 位元傳輸時間
• 車 ~ 位元；車隊 ~ 分組
• 車隊通過收費站時間 ~ 傳輸延遲（120秒）
• 每臺車從第一個收費站跑到第二個收費站用時 ~ 傳播延遲（1小時）

排隊延遲

4種延遲里面較特殊的就是排隊延遲，因為它的不確定性不能給出準確式子算出延遲

• R：鏈路帶寬（bps）
• L：分組長度（bits）
• a：平均分組到達速率

流量強度（traffic intensity） = La/R

• La/R ~ 0：平均排隊延遲很小
• La/R -> 1：平均排隊延遲很大
• La/R > 1：超出服務能力，平均排隊延遲無限大！

時延帶寬積

• 鏈路的時延帶寬積又稱為以位元為單位的鏈路長度

分組丟失（丟包）

• 佇列快取容量有限
• 分組到達已滿佇列將被丟棄（即丟包）
• 丟棄分組可能由前序節點或源重發（也可能不重發）
  

吞吐量/率（Throughput）

• 吞吐量：表示在發送端與接收端之間傳送資料速率（b/s）

  • 即時吞吐量：給定時刻的速率
  • 平均吞吐量：一段時間的平均速率
    

• 若Rs<Rc，則端到端的吞吐量是多少？

• 若Rs>Rc，則端到端的吞吐量是多少？

瓶頸鏈路（bottleneck link）

? 端到端路徑上，限制端到端吞吐量的鏈路，

吞吐量：Internet場景

• 每條“連接”的端到端吞吐量：min（Rc，Rs，R/10）
• 實際網路：Rc或Rs通常是瓶頸

計算機網路體系結構

為什么需要計算機網路體系結構？

計算機網路是一個非常復雜的系統，涉及許多組成部分：

• 主機（hosts）
• 路由器（routers）
• 各種鏈路（links）
• 應用（applications）
• 協議（protocols）
• 硬體、軟體
• …

問題：是否存在一種系統結構有效描述網路？

利用什么結構？

…

至少用于討論網路？

A：分層結構

• 類比：航空旅行
  

• 每層完成一種（類）特點服務/功能

  • 每層依賴底層提供的服務，通過層內動作完成相應功能

計算機網路的體系結構

• 網路體系結構是從功能上描述計算機網路結構
• 計算機網路體系結構簡稱網路體系結構（network architecture）是分層結構
• 每層遵循某個/些網路協議完成本層功能
• 計算機網路體系結構是計算機網路的各層及其協議的集合
• 體系結構是一個計算機網路的功能層次及其關系的定義
• 體系結構是抽象的

為什么采用分層結構？

• 結構清晰，有利于識別復雜系統的部件及其關系
  • 分層的參考模型（reference model）
• 模塊化的分層易于系統更新、維護
  • 任何一層服務實作的改變對于系統其它層都是透明的
  • 例如，登機程序的改變并不影響航空系統的其它部分（層）
• 有利于標準化
• 分層是否有不利之處？
  • 分層太多可能會導致系統效率變低

分層網路體系結構基本概念

• 物體（entity）表示任何可發送或接收資訊的硬體或軟體程序，
• 協議是控制兩個對等物體進行通信的規則的集合，協議是“水平的”，
• 任一層物體需要使用下層服務，遵循本層協議，實作本層功能，向上層提供服務，服務是“垂直的”，
• 下層協議的實作對上層的服務用戶是透明的，
• 同系統的相鄰層物體間通過介面進行互動，通過服務訪問點SAP（Service Access Point），交換原語，指定請求的特定服務，

OSI參考模型（1）

• 開發系統互連（OSI）參考模型是由國際標準化組織（ISO）于1984年提出的分層網路體系結構模型
• 目的是支持異構網路系統的互聯互通
• 異構網路系統互連的國際標準
• 理解網路通信的最佳學習工具（理論模型）
  • 理論成果，市場失敗
• 7層（功能），每層完成特定的網路功能
  

OSI參考模型解釋的通信程序

OSI參考模型資料封裝與通信程序

為什么需要資料封裝？

• 增加控制資訊
  • 構造協議資料單元（PDU）
• 控制資訊主要包括：
  • 地址（Address）：標識發送端/接收端
  • 差錯檢測編碼（Error-detecting code）：用于差錯檢測或糾正
  • 協議控制（Protocol control）：實作協議功能的附加資訊，如：優先級（priority）、服務質量（QoS）、和安全控制等

OSI參考模型（2）

物理層功能

• 介面特性
  • 機械特性、電氣特性、功能特性、規程特性
• 位元編碼
• 資料率
• 位元同步
  • 時鐘同步
• 傳輸模式
  • 單工（Simplex）
  • 半雙工（half-duplex）
  • 全雙工（full-duplex）

資料鏈路層功能

• 負責結點-結點（node-to-node）資料傳輸

• 組幀（Framing）

• 物理尋址（Physical addressing）

  • 在幀頭中增加發送端和/或接收端的物理地址標識資料幀的發送端和/或接收端
    

• 流量控制（Flow control）

  • 避免淹沒接收端

• 差錯控制（Error control）

  • 檢測并重傳損壞或丟失幀，并避免重復幀

• 訪問（接入）控制（Access control）

  • 在任一給定時刻決定哪個設備擁有鏈路（物理介質）控制使用權

網路層功能

• 負責源主機到目的主機資料分組（packet）交付
  • 可能穿越多個網路
• 邏輯尋址（Logical addressing）
  • 全域唯一邏輯地址，確保資料分組被送到目的主機，如IP地址
• 路由（Routing）
  • 路由器（或網關）互連網路，并路由分組至最終目的主機
  • 路徑選擇
• 分組轉發
  

傳輸層功能

? 負責源-目的（端-端）（行程間）完整報文傳輸

• 分段與重組

• SAP尋址

  • 確保將完整報文提交給正確行程，如埠號
    

• 連接控制

• 流量控制

• 差錯控制

會話層功能

• 對話控制（dialog controlling）
  • 建立、維護
• 同步（synchronization）
  • 在資料流中插入“同步點”
• 最“薄”的一層

表示層功能

? 處理兩個系統間交換資訊的語法與語意（syntax and semantics）問題

• 資料表示轉化
  • 轉換為主機獨立的編碼
• 加密/解密
• 壓縮/解壓縮

應用層功能

• 支持用戶通過用戶代理（如瀏覽器）或網路介面使用網路（服務）
• 典型應用層服務：
  • 檔案傳輸（FTP）
  • 電子郵件（SMTP）
  • Web（HTTP）
  • …

TCP/IP參考模型

5層參考模型

• 綜合OSI和TCP/IP的優點
• 應用層：支持各種網路應用
  • FTP，SMTP，HTTP
• 傳輸層：行程-行程的資料傳輸
  • TCP，UDP
• 網路層：源主機到目的主機的資料分組路由與轉發
  • IP協議、路由協議等
• 鏈路層：相鄰網路元素（主機、交換機、路由器等）的資料傳輸
  • 以太網（Ethernet）、802.11（WiFi）、PPP
• 物理層：位元傳輸

5層模型的資料封裝

計算機網路與Internet發展歷史

第一階段

? 1961-1972：早期分組交換原理的提出與應用

• 1961：Kleinrock - 排隊論

  證實分組交換的有效性

• 1964：Baran - 分組交換

  應用于軍事網路

• 1976：ARPA（Advanced Research Projects Agency）提出ARPAnet構想

• 1969：第一個ARPAnet結點運行

• 1972：

  • ARPAnet公開演示
  • 第一個主機-主機協議NCP（Network Control Protocol）
  • 第一個e-mail程式
  • ARPAnet擁有15個節點
    

第二階段

? 1972-1980：網路互連，大型新型、私有網路的涌現

• 1970：在夏威夷構建了ALOHAnet衛星網路

• 1974：Cerf與Kahn - 提出網路互連體系結構
  

• 1976：Xerox設計了以太網

• 70‘后期：

  • 私有網路體系結構：DECnet，SNA，XNA
  • 固定長度分組交換（ATM先驅）

• 1975：ARPAnet移交給美國國防部通信局管理

• 1979：ARPAnet擁有200結點

第三階段

? 1980-1990：新型網路協議與網路的激增

• 1983:部署TCP/IP
• 1982:定義了smtp電子郵件協議
• 1983：定義了DNS
• 1985：定義了FTP協議
• 新型國家級網路：CSnet，BITnet，NSFnet，Minitel（法國）
• 1986：NSFnet初步形成了一個由骨干網、區域網和校園網組成的三級網路
• 1988：TCP擁塞控制
• 100,000臺主機連接公共網路

第四階段

? 1990,2000’s：商業化，Web，新應用

• 1990‘s早期：ARPAnet退役
• 1991：NSF解除NSFnet的商業應用限制（1995年退役），由私營企業經營
• 1992：因特網協會ISOC成立
• 1990s后期：Web應用
  • 超文本（hypertext）【Bush 1945，Nelson 1960’s】
  • HTML，HTTP：Berners-Lee
  • 1994：Mosaic、Netscape瀏覽器
  • 1990‘s后期：Web開始商業應用

1990’ -2000‘s：

• 更多極受歡迎的網路應用：即時訊息系統（如QQ），P2P檔案共享
• 網路安全引起重視
• 網路主機約搭50000，網路用戶達1億以上
• 網路主干鏈路帶寬達到Gbps

第五階段

? 2005-今

• ~7.5億主機
  • 智能手機和平板電腦
• 帶寬接入的快速部署
• 無處不在的高速無線接入快速增長
• 出現在線社交網路：
  • Facebook：很快擁有10億用戶
• 服務提供商（如Google，Microsoft）創建其自己的專用網路
  • 繞開Internet，提供“即時”接入搜索、email等服務
• 電子商務、大學、企業等開始在“云”中運行自己的服務（如，Amazon EC2）