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计算机网络

据说是纯背的文科课？（改革前

  • 作业 7 次，每次 2 分（14%）
  • 实验 6 次，每次 4 分（24%）
  • 大作业（12%）
  • 期末（50%）

推荐会议和期刊（计算机网络方向）

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Overview

1.1 基本概念

网络基本功能

  • 网络提供的最基本服务 - 信息传递
  • 不同的网络用所提供的服务区分
  • 服务用功能、延迟、带宽、丢失率等等区分

计算机⽹络是互连的、⾃治的计算机集合

  • 互连：互联互通。
  • ⾃治：⽆主从关系，即相互连通，但不能彼此控制

网络分类

  • 个域网PAN(Personal Area Network) - 一般半径 10 米以内，如蓝牙耳机
  • 局域网LAN(Local Area Network) - 如企业网络
  • 城域网MAN(Metropolitan) - 覆盖一整个城市
  • 广域网WAN(Wide Area Network) - 覆盖很大地理区域

互联网（Internet）与互连网（internet）

  • 都是指网络的网络，Internet 是一个具体实例，internet 是泛指
  • 互联网特指遵循 TCP/IP 标准

互联网的层级结构

ISP - 网络服务提供商

  • Tier-1 ISP - 如中国电信、中国联通，全球最高级别，互不结算
  • Tier-2 ISP - 教育网、中国移动等，往往需要向更高级别 ISP 交流量费

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互联网的构成

  • 网络边缘 - 各类主机构成的端系统（如 PC、智能手环）
  • 网络核心 - 连接网络的路由器等等
    • 目标：将海量的端系统互联起来
    • 两大功能：路由（全局操作，产生路由表）和转发（本地操作，查询路由表）

接入网 - 将主机连接到边缘路由器上

  • 边缘路由器 - 端系统去往任何其他远程端系统经过的第一台路由器
  • 有线网 - 光纤到户 FTTH（Fiber to the home）（还有更慢的 DSL 和同轴电缆等等
  • 无线网 - 无线局域网（WLAN）和广域蜂窝接入网（连基站）

物理介质

  • 传输单元：位（bit）

存储常用字节Byte，K/M/G 层级为 2^10 进制

传输常用比特bit，K/M/G 层级为 10^3 进制

1B = 8b

  • 引导型介质和非引导型 - 固体介质和自由传播
  • 光纤介质 - 玻璃纤维携带光脉冲，每个脉冲一位
    • 高速运行，低误码率
  • 双绞线和同轴电缆
  • 无线电（易受干扰）
  • 无线链路类型
    • 无线局域网
    • 广域
    • 蓝牙
    • 地面微波
    • 卫星

典型交换方式及其优缺点

  • 电路交换：面向连接
    • 频分多路复用FDM/时分多路复用TDM
    • 优点：传输性能好
    • 缺点：需要预留资源，资源专用，无法应对突发流量
  • 报文交换：存储&转发（路由器需要接收到完整的整个数据报文后，才能开始向下一跳发送）
    • 每条发送延迟：将L位数据报文，以R bps的速率，发送到链路中： 需要L/R秒
    • 优点：较灵活，抗毁性高，在传送突发数据时可提高网络利用率
    • 缺点：时延高
  • 分组交换：将大报文拆分成多个小分组，以分组为单位、使用存储-转发，支持灵活的统计多路复用（主机A和B的报文分组按需共享带宽）
    • 优点：时延小，也具有更好的灵活性，适合有大量突发数据传输需求的互联网
    • 缺点：每个分组都需要附加信息，开销大

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在长时间的连接中，如果中间网络损坏，电路交换无法继续传输，而报文交换和分组交换可以继续传输，

1.2 分层结构和网络协议

协议 - 为数据交换设计的规则

  • 三要素 - 语法、语义、时序

协议分层结构

  • 层次栈
  • 对等实体 - 不同机器上构成……
  • 接口 - 相邻层级怎么服务

发送端：层层封装；接收端：层层解封装

  • 面向连接 - 请求连接、接受相应……一来一回
  • 无连接 - 丢出去不管

网络参考模型

OSI 参考模型（7 层，现实中不用

TCP/IP 参考模型

  • 链路层（Link Layer）
  • 互联网层（Internet Layer）

套接字编程

如何创建一个网络应用

进程如何标识自己

  • IP 地址标识主机
  • 端口号标识具体进程

因特网应用编程接口：socket API

套接字地址

创建

描述符

关键字

基于 UDP 的套接字回音

基于 TCP - 面向连接

A 向监听进程 B 发出请求连接，B 产生一个进程 C，接受连接信息

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各种端口

  • 80 - http 网页服务
  • 21 - 文件传输端口
  • 数字小的是常用端口
  • 数字大的可以在网络开发时自定义

1.5 计算机网络度量单位

同层 - peer

相同标准 - 协议

  • 比特率 b/s = bps
  • 带宽 - “最高数据率” bit/s
  • 包转发率(PPS, Packet Per Second) 包/秒
    • 线速转发 - 满负载的情况下能到达的最高速度
  • 注意 kbps = 1000 bps（而不是 2^10）

大包和小包，哪个更容易实现线速？

时延/延迟(delay 或 latency)

  • 指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间
  • 传输时延(transmission delay)：数据从结点进入到传输媒体所需要的时间，传输时延又称为发送时延
  • 传播时延(propagation delay)：电磁波在信道中需要传播一定距离而花费的时间
  • 处理时延(processing delay)：主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间
  • 排队时延(queueing delay)：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延
    • 路由器是存储转发，需要先排队进到路由器的缓冲区
  • 总的时延等于上面四个加起来

另一个角度 - 往返时延(RTT, Round-Trip Time)

  • 从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，经历的总时间
  • 可用于判断网络的通断性、测试网络时延、计算数据包丢失率等
  • RTT= 往返传播时延+ 末端处理时间

时延带宽积

  • 时延带宽积 = 传播时延 * 带宽，即按比特计数的链路长度
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利用率

  • 信道利⽤率 = 有数据通过时间 / （⽆ + 有）数据通过时间•
  • ⽹络利⽤率 = 全⽹络的信道利⽤率加权平均值•
  • 利⽤率不是越⾼越好，时延会随着利⽤率的增加⽽增加

1.6 网络安全与威胁

  • 病毒（Virus）
    • 需要某种形式的用户交互来不断传播的恶意软件
    • 如含可执行代码的email附件（打开后会给通信录所有再次用户发送）
  • 蠕虫（Worm）
    • 一种无须用户明显交互即可运行和传播的独立程序
    • 通过不断扫描网络中存在漏洞的计算机，进行传播

拒绝服务攻击(Denial-of-Service (DoS) attack)

  • 攻击者通过制造大量虚假流量占用资源，使合法流量无法使用资源(服务、带宽)
  • 利用僵尸主机
  • DDoS - 分布式拒绝服务攻击

密码泄露 - 拖库、洗库、撞库

数据可靠性

数据包嗅探（packet sniffing）

  • 广播传输（共享式以太网、无线网）
  • 混杂网络接口读取/记录所有数据包

IP欺骗（IP spoofing）

  • 攻击者产生的IP数据包为伪造的源IP地址，以便冒充其他系统或发件人的身份