绪论

概述

什么是网络？
网络是对系统的抽象，像是成千上万的人群，蚁群等等。各个领域中存在不同的网络，经济网络，生物网络，信息网络，人脑神经元网络，交通中地铁，公交网络。
网络帮助研究各个个体之间的关系，方便理解各个系统的复杂性。
因特网：
成千上万的计算设备互联组成的系统，这些计算设备有计算机，服务器，统称为主机。连接链路有多种：有线，无线的，光纤等等。
**协议：**是计算机网络组成的重要部分。

• 制定数据报的格式
• 执行什么动作
• 网络中交换信息的规则的集合。
  三要素：语法，语义，同步。
  拓扑结构：
  星形：单点故障，中心节点负荷大，
  树形：星形的集连
  总线：分布式结构，需要竞争总线使用，两个以上发送容易出现冲突。
  网状网：复杂交错，星形的集合。
  环形：只能向一个方向发数据。
  因特网的组成
  网络边缘（network edge）：主机和应用
  网络核心（network core）：路由器
  接入网络（access network）：连接主机的路由器的部分网络

交换技术

如何分配资源，主要分为两种
电路交换（circuit switching）
最先在固定电话中应用。建立连接，独占资源。

切分资源方法，分为FDM（频分），TDM（时分），电台广播就是使用频分，我们不同的时间上不同的课就类似于时分。

分组交换（packet switching）
电路交换中，固定分配资源会造成利用率不高，资源浪费。分组交换采用按需分配， 但是容易产生冲突。采用方式是存储转发。
资源共享，不需要建立连接，更简单，但是可能会有丢包和延时。

网络性能指标

常用的延时（delay），丢包（paket loss），吞吐量（throughput）
延时：
为什么会有延时？发送的速率比传输的快。
延时 = 节点延时 + 排队延时 + 发送延时（传输延时）+ 传播延时
节点延时一般很小
排队延时是主要组成部分
发送延时（transmission delay） = 包的大小/带宽 就是发一个数据多长时间
传播延时（propagation delay） = 距离/传播速率

** 丢包：**
排队的队伍过长，
丢包率 = 丢掉的除以总的数量
到达率 = 到达的除以总的数量

吞吐量：

平均吞吐量：总的量除以总的时间。
瓶颈带宽，最小的带宽，能承受的最大的速率。

• 网络中传送比特的速率是一样的
• 网络中没有并行这一说，都是串行的
  宽带和窄带的区别，比特之间的间隔不同，间隔短的是宽带，间隔的大的是窄带。

协议栈

模块化，层次化的思路解决复杂系统。

互联网五层协议栈：

TCP/IP映射到OSI形成五层模型

层数	名称	作用	处理对象
第五层	（application） 应用层	运行网络应用程序	报文
第四层	（transport）传输层	进程到进程的数据传输	报文段
第三层	（network）网络层	主机到主机数据传输	数据包
第二层	（link）数据链路层	相邻节点数据传输	帧
第一层	（physical）物理层	传输比特流	比特

应用层

应用体系架构

CS架构
客户端与服务段连接，客户端与客户端不能直接连接，服务器必须长期待机，固定的ip地址。
p2p
某一个节点既可以是客户端又可以是服务器，任意节点之间可以相互通信。
典型应用，skype中通信的过程。

一些概念：
进程通信：计网中关注不同主机的不同进程的通信。
套接字：进程发送报文的门
ip 地址 端口号 标识进程。

Web和HTTP

web由多个对象组成，可以是html文件，图片或者音频。
HTTP超文本传输协议，下载url的文件到本地，然后展示出来，基于TCP。

HTTP是无状态的，建立连接有两种方式：

非坚持的（nonpersistent）：
建立连接，客户级发送一个请求，获得回复，关闭连接。每一次获得一个对象，大约花费两个RTT时间。

坚持的（persistent）：
建立连接，发送请求，获得回复，如果还有对象未获得继续发送请求，比非坚持的花费时间少。

cookie：

缺陷：cookie有隐私问题

web缓存器

这就类似于机组中的cache，在就直接返回，不在就从原始服务器请求，接收后返回。这里还有一个更新的问题，如果原始服务器的数据更新了，代理需要重新请求。所以代理接收请求时会向原始服务器发送请求看内容是否已经更新。

FTP和SMTP

**FTP：**文件传输协议，基于TCP，不允许丢包。
需要建立两条连接，port21 传送连接信息，port20 用来传数据。一次只能传一个对象。（非坚持连接）
**SMTP：**邮件传输协议，默认端口25。基于TCP，不允许丢包。推的一个过程
mail server握手，传邮件，关闭连接。
POP,IMAP,Web 来收邮件。

DNS

ip地址标识主机，但是不好记。主机名和ip地址的映射，由DNS来完成。既是应用，也是应用层的协议。运行在UDP之上默认53端口。
功能：

• 主机名到IP地址的转换
• DNS是为因特网上的用户应用程序以及其他软件提供一种核心功能，即将主机名转换为它们下面的IP地址。
• DNS（域名系统）由DNS服务器和一个允许主机查询分布式数据库的应用层协议组成。
• 除了主机名到IP地址的转换外，DNS还提供主机别名、邮件服务器别名、负载分配等服务。

无论是哪种请求都是从跟域名，顶级域名，再到权威域名一步步翻译的。

p2p应用

资源共享，节点间直接相连，没有控制中心，网络是动态的。
好处：

• 可扩展性
• 可靠性
• 易于管理
• 动态性
• 传输文件快
  问题：
• 自私性：只下载不上传，上传无用
• 可信性：判断哪些信息是可信的
  BitTorrent
  p2p模式下的文件下载，一个应用，一个协议。
  top4策略：发给传的比较多的四个，随机给其他节点传数据，避免新节点没有办法获取到数据。
  下载稀缺资源。

传输层

传输层服务

发送端把报文打包成报文段，传到网络层，接收端，去掉首部，获得报文传给应用层。负责进程之间的通信。两个主要协议TCP，UDP。

UDP

UDP 用户数据包协议，不可靠，无连接，可能丢包，乱序。
选择原因：

• 不存在连接时的延时
• 不需要保存连接的信息
• 报文段较小
• 不调节发送端发送的速率
  DNS，SNMP基于UDP，存在重复操作的往往时允许丢包的。
  首部4个字段，64比特，8个字节，远端口，目的端口，长度2^16-1，校验和。

校验和：通过将段内容处理为16比特整数序列，段内容的加法(反码和)，发送方将检查和放入UDP检查和字段

注意：差错检测不是百分之百准确。

可靠数据传输

解决两个问题

• 比特差错，0-1错误
• 丢包
  Rdt1.0: 经可靠信道的可靠传输
  发送端：不断的发，等待要发的数据
  接收端：不断的收，等待接收
  Rdt2.0: 具有比特差错的信道
  发送端：等待调用，不断的发，等待ACK或者NAK
  接收端：不断的接收，返回ACK或者NAK
  如果没有反馈，发送端会一直发，造成冗余数据包
  rdt2.1: 接收方,处理受损的ACK/NAK
  处理冗余:
  发送方对每个分组增加***
  如果ACK/NAK受损，发送方重传当前的分组
  接收方丢弃(不再向上交付)冗余分组
  rdt2.2: 发送方, 接收方片段
  与rdt2.1一样的功能，仅使用ACK
  代替NAK,接收方对最后正确接收的分组发送ACK
  接收方必须明确地包括被确认分组的序号
  在发送方冗余的ACK导致如同NAK相同的动作：重传当前分组
  rdt3.0: 具有差错和丢包的信道
  处理丢包: 发送方等待ACK一段“合理的”时间
  如在这段时间没有收到ACK则重传
  如果分组(或ACK)只是延迟(没有丢失)：
  重传将是冗余的，但序号的使用已经处理了该情况
  接收方必须定义被确认的分组序号
  需要倒计时定时器

流水线协议

rdt3.0停等协议，性能不太好。1Gbps 链路， 15ms传播时延，8000bit 数据报
利用率 = (8/10^-9 ) / (15*2+8*10^-9) = 0.00027
传输第一个后接连传输一部分数据报，就是说在未获得ACK之前继续传送。

回退N（go-back-N)

流水线协议，窗口大小，允许未接收ack发送的数据包个数。
发送端：获得一个数据包，如果在窗口里面就可以发出去，否则等待。
接收端：累计确认，ACKn表示n以及以前的数据包都已经正确收到。希望收到N+1的数据包
只有一个计时器，如果超时，窗口大小个数的数据包都重传

选择重传

每一个数据包有一个单独的定时器，只重传未收到的数据包，ACKn表示数据包n已经收到。


可靠性传输中名词用途总结

TCP报文段格式

TCP点对点的，UCD支持一对多。
TCP，流水线型，把数据包进行字节传输，面向连接。

首部开销至少20个字节，首部长度4位，单位是4个字节，表示协议的首部长度范围是0~2^5-1个字节
ACK在确认接收时置1，SYN，FIN关闭时置0

***seq：每一个字节给一个编号，数据包中字节最小的***，初始值，随机确定的。
确认号ack：期望收到的***，或者已经收到了n-1和之前的所有数据包。

TCP可靠数据传输

流水线型协议，累计确认，类似回退N。重传：冗余ACK，超时。但是重传只重传编号最小的数据包。
发送端：收到一个数据包，对每一个字节标号，判断编号是否在窗口里，然后发出去，开启定时器，重传只重传编号最小的数据包，收到一个ACK，窗口右移。

快速重传
收到了3个冗余的ACK立即重传。（在计时器超时之前重传）

流量控制

通过调节发送端发包速率，避免接收端缓存溢出。其实通过发送端窗口的大小。
接收方在报文段接收窗口字段中通告其接收缓冲区的剩余空间，发送方要限制未确认的数据不超过RcvWindow

TCP连接管理

TCP是面向连接的，建立连接时三次握手的过程。
三次握手:

• 步骤 1: 客户机向服务器发送 TCP SYN报文段
  指定客户端初始序号
  没有数据但占用一个***
• 步骤 2: 服务器收到SYN报文段, 用SYNACK报文段回复
  服务器为该连接分配缓冲区和变量
  指定服务器初始序号
• 步骤 3: 客户机接收到 SYNACK, 用ACK报文段回复,可能包含数据，前面两个没有数据，不占用***

关闭连接（双向关闭）:

• 步骤 1: 客户机向服务器发送TCP FIN控制报文段，占用一个***
• 步骤 2: 服务器收到FIN，用ACK回答。关闭连接，发送FIN
• 步骤 3: 客户机收到FIN, 用ACK回答 ，进入 “超时等待” – 将对接收到的FIN进行确认
• 步骤 4: 服务器接收ACK，连接关闭
  

拥塞控制

拥塞主要原因：太多的数据源发送到网络。
通过调节发送端发包速率，防止路由器的缓存溢出。
问题：造成延时，资源浪费，丢包。
解决方案：网络服务，端到端的。

TCP的拥塞控制机制

端到端的拥塞控制，调节拥塞窗口大小。去流量控制和拥塞控制窗口的最小值。
MSS（最大报文段大小）：指的是报文段里允许最大data的大小
指数增加，到达阈值线性，丢包冗余ack减半。

• 当连接开始的时候，速率呈指数式上升，直到第1次报文丢失事件发生为止，
• 当CongWin < Threshold时，发送者处于慢启动阶段, CongWin指数增长
• 当CongWin > Threshold时，发送者处于拥塞避免阶段, CongWin线性增长
• 当出现3个冗余确认时, 阈值Threshold设置为CongWin/2，且CongWin设置为Threshold
• 当超时发生时，阈值Threshold设置为CongWin/2，并且CongWin设置为1 MSS.
  
  4时刻蓝色曲线到达阈值，线性增长，8时刻超时，CongWin设为1MSS，阈值变为原来的一半，开始指数增长，如果8时刻发生冗余ack，则CongWin设为原来的一半，阈值也变成一半。