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计算机网络与因特网

这一章的内容主要是一些互联网常识，同时也提供了对计算机网络的总体主要认知。

网络设备与互联

网络设备分为边缘网络设备和网络核心设备。边缘设备和其他设备通过通信链路和分组交换机相连。

网络边缘：端系统、接入网、物理媒介

网络核心：路由器、交换机、链路层交换机 - 通信链路是各种物理电缆/光缆，每种有自己的传输速率 - 分组交换机主要有链路层交换机和路由器，链路层交换机负责接入网中，路由器一般在网络核心中（但是现在反正是都叫路由器了） - 每次通信以组(package,包)的方式进行，长报文要切分为多组，一个而分组所经历的一系列通信链路和分组交换机称为路径。路径中经过的每个节点（路由器节点）称为一跳 。通信过程有对应的 协议 。

协议：定义通信实体间发送/接收报文的格式、顺序以及对报文发送和接收所采取的动作

而分组交换已经是现行标准，一个很重要的原因是可以节约成本。举一个例子就是电路交换，电路交换总是有对应的线路，然后如果没用的话线路就空置，在大家使用时间是符合泊松分布或者其他比较随机的分布的情况下，其实远不需要那么多。一个可以用于验证的小问题是：有一个小区有 1 Gbps 的链路，每户人家要用100 Mbps，用户的活动时间比例是10%。由生日悖论可以得知，在有35户人家的情况下，超过10个用户同时活动的概率不会超过0.0004。

假设上网是独立的，X表示几个用户同时在线，X服从分布\(B(35,0.1)\)（当然你也可以换成泊松分布等更符合现实情况的分布，一样可以得到一个很小的值）

可以写一个python程序简单计算一下

网络核心的主要设备是 路由器 ，其主要功能有 转发 和 路由

  • 转发：局部行为，将到达的分组(package)从输入链路移动到适合的输出链路
  • 路由：全局行为，确定分组从源到目的的路径，有不同的路由选择算法

​路由选择算法通过路由表查询如何输出，路由表很大，很大的一个开销在这里

路由器传输数据的时候使用的方式是：存储转发传输

存储转发分组交换（Store-and-Forward Packet Switching） 是一种网络数据传输技术，广泛应用于现代计算机网络（如互联网）中。它的核心思想是将数据分割成小的数据包（分组），每个分组独立传输，并在每个网络节点（如路由器）上存储、检查后再转发。

实际使用中会把报文切分为多个分组，然后进行流水线传输，假设一个分组穿越一个stage需要花费时间t，一共有k跳，总时间就是\((k-1+n)t\)，n是分组数量。

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每个分组是L bit。那么一跳耗时 \(\frac{L}{R}\)，总时间延迟\(\frac{2L}{R}\) 。一般对于简单链路有\(d_{e2e}=\frac {NL} {R}\)

而实际情况不可能和上图一样简单。一个路由器应该有多个输入和多个输出，而输出链路一共只有固定的带宽，如果输入速率大于输出速率，就会造成排队等待，路由器一般会有一个buffer对此进行存储。然后在buffer满了之后新来的包就会被丢弃掉。因此一般路由器还有一个排队时延的指标。

网络的结构：网络的网络

想要互联当然不能全连接，复杂度不可接受，如果以树状结构可以以\(\log_2\)的级别减少，但是也还是太多了，而且只有一个树根不安全。所以会有IXP（Internet eXchange Point），以及一些区域网络提供商。因此会是几个团通过IXP连接在一起，内部再组织链路。以及会有CDN等网络服务缓存，这样才能保持高可用并且用户体验好。

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性能与时延

几个比较重要的时延是：节点处理时延，排队时延，传输时延，传播时延

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传输和传播的区别：传输是把一个分组整个推到链路上，时延为\(\frac {L} {R}\) ，其中L是size，R是速率。而传播是在线缆上传播的时间，和路由器距离有关，传输和距离无关。

  • 传输：把一个分组从路由器出口送出去，所以和出口带宽和分组长度有关。
  • 传播：在物理链路上传播，所以和距离有关，距离/传播速度，如果两个路由器比较近，那么传播时延可以忽略不计。

排队时延也比较有意思，排队时延和流量强度并不是线性的关系，而是接近1的时候快速增长。非常堵的时候会变得更堵。

测试链路时延工具：tracert，如果想用带可视化的可以用 besttrace

有另外一个指标是带宽-时延积，也就是\(R*d_{prop}\)，在课后题P25提出来的，代表链路上最大可以传输的比特数。也即“管道容量”。

比特宽度是一个用来描述在物理链路上，一个比特（bit）所占用的实际空间长度的概念。表达式为\(\frac s R\)，其中s是在链路上传播的速度。R是传输速度。一个计算表达式是\(\text{比特宽度}=\frac {m}{R\cdot t_{prop}} = \frac {m} {R\cdot \frac m s} = \frac {s} {R}\)，其中m是链路长度。

分层的数据名称