名词定义

What is the Internet?

• 提供服务以供应用使用的基础设施
  • Web、VoIP、电子邮件、游戏、电子商务、社交网络等
• 为应用提供编程接口
  • 允许应用“连接”到并使用互联网传输服务
  • 提供类似邮政服务的服务选项

What is a protocol ?

Protocols define the format, order of messages exchanged among network entities, and actions taken on message transmission, receipt

协议定义了网络实体之间交换的消息的格式、顺序，以及在消息传输和接收时应采取的行动

网络架构

网络边缘 (Network edge)

网络边缘是互联网中与用户直接交互的部分，包括终端设备（如客户端和服务器）。

终端设备（Hosts）

• 客户端（Clients）：用户直接使用的设备，如个人电脑、智能手机、平板电脑等。客户端主要用于访问网络服务。
• 服务器（Servers）：提供网络服务的设备，如Web服务器、邮件服务器、数据库服务器等。服务器通常位于数据中心（Data Centers），以便高效地提供服务。

数据中心（Data Centers）

• 特点：数据中心是集中放置大量服务器的设施，通常具有高速网络连接、强大的计算能力和存储能力。
• 作用：数据中心为各种网络应用（如云服务、在线游戏、视频流等）提供支持，确保服务的高可用性和高性能。

接入网络和物理介质（Access Networks and Physical Media）

接入网络是终端设备连接到互联网的网络部分，包括有线和无线通信链路。

有线通信链路（Wired Communication Links）

• 以太网（Ethernet）：通过铜线或光纤连接终端设备和网络，支持高速数据传输。
• 同轴电缆（Coaxial Cable）：常用于有线电视网络，也可用于数据传输（如DOCSIS技术）。
• 光纤（Optical Fiber）：提供高带宽和长距离传输，适用于数据中心和长距离通信。

无线通信链路（Wireless Communication Links）

• WiFi（IEEE 802.11）：通过无线接入点（AP）连接终端设备到网络，适用于家庭、企业和公共场所。
• 蜂窝网络（Cellular Networks）：如5G、4G LTE，通过基站连接移动设备到网络，支持广泛的移动接入。
• 卫星通信（Satellite Communication）：通过卫星信号连接终端设备到网络，适用于偏远地区或全球覆盖。

网络核心（Network Core）

网络核心是互联网的骨干部分，负责将数据从源设备传输到目标设备。它主要由互联的路由器组成，形成了一个“网络的网络”（Network of Networks）。

互联的路由器（Interconnected Routers）

• 路由器（Routers）：网络核心中的设备，用于转发数据包。路由器根据数据包的目的地址，将数据包从一个链路转发到另一个链路。
  • 转发数据包：根据数据包的目的地址，选择合适的路径将数据包转发到下一个路由器或最终目的地。
  • 路径选择：路由器通过动态路由协议（如OSPF、BGP）来选择最优路径，以应对网络拥塞和链路故障。
  • 存储转发：路由器在转发数据包之前，会先将整个数据包接收并存储在缓冲区中，然后再将其转发到下一个链路。
• 数据包（Packet）：
  • 数据包是网络传输的基本单位，包含一部分应用层消息以及必要的头部信息。
  • 每个数据包的长度为 L 比特。
• 传输速率（Transmission Rate）：
  • 传输速率 R 是链路的带宽，表示链路每秒可以传输的比特数。
  • 单位是比特每秒（bits per second，bps）。
• 传输时延（Transmission Delay）：
  • 传输时延是指将一个数据包推入链路所需的时间。
  • 计算公式为：$d_{trans}​ = \frac{R}{L}$​
  • 其中，L 是数据包的长度（比特），R 是链路的传输速率（bps）。

分组交换 （Packet Switching）

分组交换是一种网络传输方式，其中数据被分割成多个小的数据包（packets），每个数据包独立地在网络中传输。这种方式使得网络资源可以被多个用户共享，提高了资源利用率和网络的灵活性。

1. 数据包的传输时间

“takes $\frac{L}{R}$ seconds to transmit (push out) $L$-bit packet into link at $R$ bps”

• 含义：将长度为 $L$ 比特的数据包推入链路所需的时间为 $\frac{L}{R}$ 秒。
• 公式：$d_{\text{trans}} = \frac{L}{R}$
  • $L$ 是数据包的长度（单位：比特）。
  • $R$ 是链路的传输速率（单位：比特每秒，bps）。
  • $d_{\text{trans}}$ 是传输时延（单位：秒）。

2. 存储转发机制

“store and forward: entire packet must arrive at router before it can be transmitted on next link”

• 含义：在分组交换网络中，每个路由器在转发数据包之前，必须先将整个数据包接收并存储在缓冲区中。只有当整个数据包到达后，路由器才会将其转发到下一个链路。
• 过程：
  1. 接收数据包：路由器接收整个数据包。
  2. 存储数据包：将数据包存储在缓冲区中。
  3. 转发数据包：根据数据包的目的地址，选择下一个跳转点，并将数据包转发到下一个链路。

3. 传输时延的计算

“one-hop numerical example: $L = 7.5$ Mbits, $R = 1.5$ Mbps, one-link transmission delay = 5 sec”

• 数据包长度：$L = 7.5$ Mbits（7.5兆比特）。
• 链路传输速率：$R = 1.5$ Mbps（1.5兆比特每秒）。
• 传输时延：将长度为 $L$ 比特的数据包推入链路所需的时间为：$$ d_{\text{trans}} = \frac{7.5 \times 10^6 \text{ bits}}{1.5 \times 10^6 \text{ bits/second}} = 5 \text{ seconds} $$

4. 排队时延(Queueing Delay)和丢包(Packet Loss)

• 排队时延：排队延迟是指数据包在路由器的缓冲区中等待传输的时间。
  • 当数据包到达路由器的速率超过了链路的传输速率时，数据包会在路由器的缓冲区中排队等待传输。
  • 缓冲区是一个有限的存储空间，用于暂时存储等待传输的数据包。
• 丢包：由于路由器的缓冲区满了，新到达的数据包被丢弃的现象。
  • 如果数据包的到达速率持续超过链路的传输速率，缓冲区中的数据包会越来越多。
  • 如果缓冲区满了，新到达的数据包将无处存放，因此会被丢弃（丢失）。

电路交换（Circuit Switching）

电路交换是一种网络交换方式，其中通信资源（如带宽）在通信开始前被分配并保留给特定的通信会话（通常称为“呼叫”）。这种方式确保了通信双方在整个通信过程中都能获得固定的资源，从而提供保证的性能。

1. 资源分配

“end-end resources allocated to, reserved for ‘call’ between source & dest:”

• 含义：在电路交换网络中，当一个呼叫（通信会话）建立时，网络会为这个呼叫分配并保留端到端的资源。这些资源包括链路的带宽和其他必要的网络资源。
• 示例：假设每个链路有四个电路（或通道），每个电路可以支持一个呼叫。在图示中，每个链路有四个电路。当一个呼叫建立时，它会占用特定的电路。例如，一个呼叫可能占用顶部链路的第2个电路和右侧链路的第1个电路。
• 专用资源：在电路交换中，一旦资源被分配给一个呼叫，这些资源在整个呼叫期间都被该呼叫独占，不会与其他呼叫共享。
• 资源闲置：如果一个电路没有被呼叫使用，那么这个电路的资源将闲置，不会被其他呼叫共享。

2. 性能保证

“circuit-like (guaranteed) performance”

• 含义：由于资源被专用，电路交换提供了类似电路的保证性能。这意味着呼叫的带宽和延迟在整个通信过程中是固定的，不会受到其他呼叫的影响。
• 示例：如果一个呼叫需要1 Mbps的带宽，那么在呼叫期间，它将始终获得1 Mbps的带宽，不会因为网络中的其他活动而受到影响。

3. 频分复用(FDM) 与 时分复用(TDM)

分组交换和电路交换对比

网络的网络（Network of Networks）

互联网是由多个网络相互连接而成的，这些网络包括：

• 接入ISP（Access ISP）：提供用户接入互联网的服务。
• 区域性ISP（Regional ISP）：连接多个接入ISP。
• 全球性ISP（Global ISP）：提供跨区域的网络连接。
• 互联网交换点（IXP）：不同ISP之间的互联点。
• 内容提供商网络（Content Provider Network）：如Google、Microsoft等，通过自己的网络将内容和服务提供给用户。

网络中的时延、丢包和吞吐量(Delay, loss, throughput in networks)

丢包和时延的来源

四种时延

吞吐量

1. 吞吐量的定义

吞吐量（Throughput）：表示在单位时间内成功传输的数据量，单位通常是比特每秒（bps）或字节每秒（B/s）。

• 瞬时吞吐量（Instantaneous Throughput）：在某一特定时间点的吞吐量。
• 平均吞吐量（Average Throughput）：在较长时间段内的吞吐量。

2. 平均端到端吞吐量的计算

假设服务器以 ( R_s ) bps 的速率向链路发送数据，链路的容量为 ( R_c ) bps。

• 当 ( R_s < R_c ) 时：
  • 服务器的发送速率低于链路的容量，因此平均端到端吞吐量主要由服务器的发送速率决定。
  • 平均端到端吞吐量：( R_s ) bps。
• 当 ( R_s > R_c ) 时：
  • 服务器的发送速率高于链路的容量，因此平均端到端吞吐量主要由链路的容量决定。
  • 平均端到端吞吐量：( R_c ) bps。
• 在端到端路径中，限制吞吐量的链路称为瓶颈链路。瓶颈链路的容量决定了整个路径的平均吞吐量。

在实际的互联网场景中，端到端路径可能包含多个链路，每个链路的容量可能不同。平均端到端吞吐量由路径中最慢的链路（瓶颈链路）决定。

• 假设端到端路径中有多个链路，每个链路的容量分别为 ( R_1, R_2, \ldots, R_n )。平均端到端吞吐量为：$\text{Average End-to-End Throughput} = \min(R_1, R_2, \ldots, R_n)$

网络层级 (layers in Internet)