Chapter 1 Introduction¶
基本概念
- 计算机网络（Computer Network）：一组互联的、自治的计算设备。
- 互联（Interconnected）：两台计算机能够交换信息。
- 互联网（Internet）：最著名的网络之网络（network of networks）。
1 Uses of Computer Networks¶
| 客户-服务器模型（Client-Server Model） | 对等通信（Peer-to-Peer Communication, P2P） | |
|---|---|---|
| 定义 | 客户端显式地向保存信息的服务器请求信息。 | 一个松散的群体中的成员可以彼此通信，不再固定区分客户端和服务器。 |
| 示意图 |  |
 |
1. 1 Client-Server Model¶
- Client process 向服务器发送请求消息，并等待回复。
- Server process 接收请求、完成相应工作或查找数据，再发送回复消息。
Client-Server Model 的局限
- 客户端过多时，服务器可能过载。
- 服务器可能成为单点故障（single point of failure）。
- 解决思路包括部署多个服务器，或让客户端之间互相提供服务。
1. 2 Peer-to-Peer Communication¶
每个节点原则上既可以充当 client，也可以充当 server。节点之间直接交换信息，系统不必依赖单一的中心服务器，常用于音乐、视频和文件共享。
BitTorrent
- 客户端从公开的 Torrent Repository Server 获取元数据文件（
.torrent），其中包含 Tracker 地址和内容信息。 - 客户端向 Tracker 声明自己希望加入某个内容的 swarm，Tracker 返回正在共享该内容的 peers 列表。
- 客户端与其他 peers 建立连接，通过 TCP 和 PeerWire Protocol 交换内容。
- 文件被划分为许多 piece blocks，节点一边下载已有片段，一边把自己拥有的片段上传给其他节点。
Person-to-Person Communication
网络支持音频、视频、文本和图片的交换。社交网络中的信息流由用户之间声明的关系驱动。例如用户可以创建、更新个人资料，并向朋友共享更新，Wiki 则允许一个社区共同编辑网站内容，Wikipedia 是最著名的例子之一。
Electronic Commerce
电子商务的典型应用包括在线购物、金融科技和在线拍卖。
| 缩写 | 全称 | 示例 |
|---|---|---|
| B2C | Business-to-consumer | 在线购买图书 |
| B2B | Business-to-business | 汽车制造商向供应商订购轮胎 |
| G2C | Government-to-consumer | 政府在线发放税务表格 |
| C2C | Consumer-to-consumer | 在线拍卖二手商品 |
| P2P | Peer-to-peer | 音乐或文件共享、Skype |
Entertainment
网络娱乐包括通过互联网传输音乐、广播、电视节目和电影、IPTV、媒体流、多人实时游戏和虚拟世界。
网络使用户可以查找、购买、下载或流式观看内容，并可在家庭中的不同设备、显示器和扬声器之间传输内容。更进一步的形式包括交互式电影、交互式电视节目，以及由大量用户共同参与的三维虚拟世界。
Internet of Things
- 泛在计算（Ubiquitous Computing）：把计算能力嵌入日常生活环境中。
- 物联网（Internet of Things, IoT）：把几乎所有电子设备连接到 Internet。
2 Types of Computer Networks¶
| 类型 | 主要作用 |
|---|---|
| Access networks | 移动接入和宽带接入，为用户提供 Internet 接入 |
| Data-center networks | 放置数据和应用 |
| Transit networks | 在接入网络与数据中心之间传输流量 |
| Enterprise networks | 在校园、办公楼或其他组织内部运行 |
2. 1 Access networks¶
① Broadband Access Networks¶
宽带接入网络通过铜线（例如电话线）、同轴电缆、光纤、移动无线介质等介质把计算设备接入网络（例如 Internet）。
Metcalfe's Law
网络的价值大致与用户数的平方成正比。用户数为 \(n\) 时，可能建立的连接数大致随 \(n^2\) 增长。
② Mobile and Wireless Access Networks¶
移动计算设备包括 laptop、tablet 和 smartphone，它们是计算机产业中增长最快的部分之一。用户在汽车、船舶、飞机等场景中无法使用固定有线连接，因此需要无线网络接入 Internet。
常见的无线接入网络包括蜂窝网络（cellular networks）、无线热点（wireless hotspots）和基于 IEEE 802.11 的 Wi-Fi 网络。
Wireless 与 Mobile 不完全相同
Wireless 强调不使用物理线路的连接方式，Mobile 强调设备可以移动。
无线连接不一定意味着设备具有移动性，移动设备也可能暂时使用有线连接。在高性能场景下，有线网络通常仍然优于无线网络。
| Wireless | Mobile | 典型应用 |
|---|---|---|
| No | No | 办公室中的桌面计算机 |
| No | Yes | 酒店房间中使用的 laptop |
| Yes | No | 没有预先铺设网线的建筑物中的网络 |
| Yes | Yes | 使用手持设备进行库存盘点 |
2. 2 Data-center networks¶
① Data-Center Networks and Cloud¶
数据中心网络承载大量 Web 服务和云服务。一个数据中心可能包含数十万甚至数百万台服务器，服务器之间以及数据中心和 Internet 之间需要传输大量数据，网络面临规模、吞吐量和能耗方面的挑战。
Cross-section bandwidth
网络中任意两台服务器之间能够提供的数据速率，是数据中心网络吞吐量的重要指标。
早期数据中心网络常采用包含 access、aggregate、core 三层交换机的树形拓扑，但这种设计扩展性较差，也容易受到故障影响。
② Content Delivery Network¶
内容分发网络（Content Delivery Network, CDN）由地理位置分散的大量服务器组成，将内容复制到尽可能靠近请求用户的位置。
CDN 选择为用户提供哪个副本时，需要综合考虑副本到用户的距离、各 CDN 服务器的负载以及网络上的流量负载和拥塞情况。
2. 3 Transit Networks¶
当内容提供商与用户的 ISP 没有直接连接时，二者通常通过 Transit Network 传输流量。Transit network 通常同时向 ISP 和内容提供商收费。如果内容网络与接入网络之间的流量足够大，双方可能建立直接互联。
Transit network 过去也被称为 backbone network。但随着以下趋势出现，大型网络越来越少依赖 transit：
- 内容集中到少数大型内容提供商，云服务和大型 CDN 迅速发展。
- 接入 ISP 的覆盖范围从区域扩展到全国甚至国际范围。
- 大型内容提供商和接入 ISP 具有更强的议价能力，也更容易直接互联。
因此，transit network 在许多场景下更像是备用路径。
2. 4 Enterprise Networks¶
企业网络（Enterprise Network）连接组织内的计算机，使员工共享数据、信息和计算资源。
- 资源与信息共享：VPN（Virtual Private Network）把不同地点的独立网络连接成一个逻辑网络，使用户可以像访问本地数据一样访问远程数据，减轻地理位置带来的限制。
- 通信媒介：Email、IP telephony / VoIP（Voice over IP）、视频会议、Desktop sharing、Telemedicine。
- 电子商务：企业可以通过网络与客户和供应商进行电子商务，例如在线销售、在线下单和供应链协作。网络可以减少库存需求并提高业务效率。
3 Pervasive Computer Networks¶
3. 1 Personal Area Networks¶
个人区域网络（Personal Area Network, PAN）覆盖一个人的活动范围，使个人设备彼此通信。常见技术包括短距离无线通信，例如蓝牙。
3. 2 Local Area Networks¶
局域网（Local Area Network, LAN）是在单个建筑物内部或附近运行的私有网络，例如家庭、办公室和工厂。LAN 常用于连接个人计算机和消费电子设备、共享打印机等资源和交换信息。
① Wireless LAN¶
在无线 LAN 中，每台计算机通常具有无线电调制解调器和天线，并与 AP（Access Point）、无线路由器（wireless router）和基站（base station）通信，其中 AP 既负责在无线计算机之间转发数据包，也负责在无线计算机与 Internet 之间转发数据包。
Mesh Network
附近设备互相转发数据包，转发节点可以同时是通信端点，也可以由专门的中继节点组成，适合部署有线连接困难或成本较高的地区，也越来越常见于面积较大的家庭网络。
② Wired LAN¶
有线 LAN 常使用铜线、同轴电缆和光纤，速度约为 \(100 \, \text{Mbps}\) 到 \(40 \, \text{Gbps}\)。有线 LAN 网络规模有限，最坏情况下的传输时间有界且可预知，延迟低，传输错误少。相比无线 LAN，有线 LAN 通常具有更低的延迟、更少的丢包和更高的吞吐量。
Ethernet
IEEE 802.3（Ethernet）是最常见的有线 LAN 类型。
- 所有数据包在一条共享的线性电缆上广播。
- 同一时刻最多只有一台机器能够成功发送。
- 设备在检测到电缆空闲时发送；如果多个数据包发生碰撞，各设备等待随机时间后重试。
Switched Ethernet
- 每台计算机通过点到点链路连接到 switch 的一个 port。
- Switch 根据数据包中的地址决定转发给哪台计算机。
- Switch 可以通过多个 port 连接多台设备，也可以把多个 switch 互相连接起来。
- 如果 switch 互相连接形成环路，需要使用防环算法决定数据包的安全转发路径。
③ Virtual LAN¶
VLAN（Virtual LAN）把一个物理 LAN 划分为多个逻辑 LAN。
- 物理上位于同一个网络中的设备，可以按照组织结构被划分到不同逻辑网络。
- 交换机端口可以用不同标签区分，例如用不同的颜色表示不同 VLAN。
- 一个 VLAN 中的广播数据包不会被另一个 VLAN 接收，效果类似于两个独立的物理 LAN。
Resource Allocation in Broadcast LAN
| 分配方式 | 特点 |
|---|---|
| Static allocation | 把时间划分为离散时隙，使用 round-robin 让每台机器轮流发送 |
| Dynamic allocation | 按需分配信道，避免设备无数据时浪费时隙 |
④ Home Networks¶
家庭网络是 LAN 的一种，但连接的设备种类更多，且使用者通常不是专业网络管理员，其特点是易安装、易维护、安全性和可靠性要求高、有机演化、利润空间小。
3. 3 Metropolitan Area Networks¶
城域网（Metropolitan Area Network, MAN）覆盖一个城市，最典型的例子是有线电视网络，早期主要用于把电视信号分发到用户家庭。Internet 普及后，有线电视运营商开始利用未使用的频谱提供双向 Internet 服务。Cable head-end 也称 CMTS（Cable Modem Termination System），负责把电视和 Internet 信号送入有线网络，再分发到用户家庭。用户侧使用 cable modem。
其他 MAN 技术
- IEEE 802.16 / WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access）
- LTE / 4G LTE
- 5G
3. 4 Wide Area Networks¶
广域网（Wide Area Network, WAN）覆盖很大的地理区域，可以跨越国家、洲甚至多个洲。WAN 可以是为组织服务的私有企业 WAN，也可以是由商业网络运营商提供的 transit network。
- Host：运行用户或应用程序的计算机。
- Communication subnet：连接 hosts 的通信子网。
- Transmission line：在机器之间传输比特，可使用铜线、同轴电缆、光纤或无线链路。
- Switching element / Router：连接两条或多条传输线路，并决定数据包从哪条线路转发出去。
Routing and Forwarding
- Routing algorithm：网络决定连接两个路由器时应选择哪条路径的算法。
- Forwarding algorithm：每个路由器决定数据包下一跳发送到哪里所使用的算法。
WAN 与 LAN 的区别
- Host 和通信子网通常由不同主体拥有和管理。
- WAN 中的路由器可能连接不同种类的网络技术。
- 子网可以连接单台计算机，也可以连接整个 LAN，因此更大的网络可以由更小的网络构成。
- WAN using a VPN：利用 Internet 把不同地点连接成虚拟链路。
- WAN using an ISP：使不同站点互联并接入整个 Internet。
Other WAN Media
- Satellite system：地面设备通过天线与卫星交换数据，天然具有广播特征，适合广播需求大或缺少地面基础设施的地区。
- Cellular telephone network：已经经历 1G 到 5G 多代演进。
- SD-WAN（Software-Defined WAN）：用多种互补技术连接分散站点，但对外提供统一的 SLA（Service-Level Agreement）。软件实时重新配置交换设备，在成本和性能之间进行优化。
3. 5 Internetworks and Internet¶
- Internetwork：一组互联的、彼此独立运行的网络。
- Gateway：负责连接两个或多个网络，并在硬件和软件层面提供必要的转换。Gateway 所处的协议层次决定了它可以连接的网络类型。
- 过低层的 gateway 只能处理底层传输技术，难以连接不同类型网络。
- 过高层的 gateway 只能支持特定应用。
- 位于中间、以网络层交换数据包的 gateway 通常就是 router。
4 Examples of Computer Networks¶
The Internet
Internet 是使用共同协议并提供共同服务的大量不同网络的集合。它没有由某一个组织统一规划或控制，其发展历史主要从 ARPANET 和 NSFNET 开始。
4. 1 ARPANET¶
Design Motivation
20 世纪 50 年代末，冷战期间，美国国防部（DoD, Department of Defense）希望建立一种在核战争中仍能工作的指挥控制网络。
当时军方通信依赖公共电话网络，但电话网络具有层次化结构，冗余很少，但关键交换局被摧毁后，网络可能被分割成相互隔离的部分。
RAND 公司的 Paul Baran 提出了高度分布式、具有容错能力的设计。由于任意两个交换局之间的路径更长，模拟信号难以无失真地传输，因此方案采用数字分组交换技术。AT&T 当时认为该方案不可行，拒绝了这一设计。
ARPA（Advanced Research Projects Agency）设计的子网由以下部分组成：
- IMP（Interface Message Processor）：用小型计算机实现的接口消息处理器。为提高可靠性，每个 IMP 至少连接两个其他 IMP。
- 每个数据包都带有完整的目的地址，当线路或 IMP 损坏时，后续数据包可以自动选择其他路径。
- 每个节点包含一个 host 和一个 IMP，二者位于同一地点并通过短线路连接。
- 数据包必须完整接收后才能转发，因此 ARPANET 子网是最早的电子式 store-and-forward packet-switching network。
| 方式 | 含义 |
|---|---|
| Packet switching | 数据分成数据包，数据包可以独立转发 |
| Circuit switching | 通信前建立一条专用固定路径，通信期间一直保持 |
| Message switching | 把整个消息作为一个整体在网络中传输 |
| Store-and-forward | 转发设备先完整接收并临时保存数据，再转发到下一跳或目的地 |
Packet Switching vs. Circuit Switching
Packet switching 通常是无连接的（connectionless）：
- 每个数据包独立路由。
- 路由器故障时，只要网络能够重新配置，后续数据包可以选择其他路径。
- 多个数据包可能经过不同路径，导致乱序；乱序会影响 TCP 等协议，因此 Internet 通常尽量让同一数据流沿同一路径传输。
- 如果短时间内到达路由器的数据包过多，路由器可能拥塞并丢包，发送方需要重传，服务质量可能波动。
Circuit switching 通常是面向连接的（connection-oriented）：
- 通信前先建立连接并确定路径。
- 可以提前预留链路带宽、交换机缓存空间和 CPU 时间，更容易提供稳定的服务质量。
- 如果资源不足，连接建立会被拒绝，类似电话系统中的忙音。
- 路径中的线路或交换机发生故障时，整个连接可能中断，因此容错性较差。
ARPANET 的节点规模随着时间不断增长
4. 2 NSFNET¶
NSFNET（National Science Foundation Network）是最早的 TCP/IP WAN，后来升级为 ANSNET（Advanced Networks and Services）。
4. 3 Internet Architecture¶
- Modem（modulator-demodulator）：在数字比特和模拟信号之间进行转换的设备。
- POP（Point of Presence）：用户数据包进入 ISP 网络并获得服务的位置。
- ISP backbone：连接不同城市 POP 中路由器的长距离传输线路。
- IXP（Internet eXchange Point）：ISP 交换流量的地点。直接连接并交换流量的 ISP 称为相互 peer，小 ISP 可能向大型 ISP 支付 transit 以到达远端主机。两个大型 ISP 也可能互相交换流量而不支付 transit。
Internet 路径不一定是最短路径
数据包选择的路径可能是拥塞最少的路径，也可能是对 ISP 成本最低的路径，而不一定是地理距离最短的路径。
hierarchical structure
flat structure
Internet 传统上被看作层次结构，但近些年结构明显趋于扁平化。因此，用户到内容提供商的常见路径可能直接经过 access ISP，而不再经过传统 transit network。
4. 4 Mobile Networks¶
以 4G LTE 为例，移动网络可以概括为 \(\text{UE} \rightarrow \text{RAN} \rightarrow \text{Core Network} \rightarrow \text{Internet}\)。
当用户从一个蜂窝基站覆盖范围移动到另一个基站覆盖范围时，数据流需要从旧基站重新路由到新基站，这个过程称为 handover / handoff。当信号质量下降时，移动设备或基站都可能发起 handover。
- Soft handover：先连接新基站，再断开旧基站，短时间内同时连接两个基站，因此服务基本不会中断。
- Hard handover：先断开旧基站，再连接新基站，可能出现短暂中断。
- Security：采用可插拔 SIM 卡（用户识别模块，Subscriber Identity Module）存储用户身份与账户信息，供移动电话网络完成用户身份认证。
- Privacy：利用 SIM 卡内的加密密钥对传输数据进行加密。
由于无线频谱稀缺，蜂窝网络把覆盖区域划分为多个 cell。同一个 cell 内给用户分配互不干扰的信道。邻近 cell 之间控制干扰，使频率可以在空间上重复使用。
4. 5 Wireless Networks: Wi-Fi¶
IEEE 802.11 是无线 LAN 标准，通常称为 Wi-Fi。802.11 工作在免许可频段，例如 ITU-R 定义的 ISM（Industrial, Scientific, and Medical）频段。所有设备都可以使用这些频谱，但必须限制发射功率，使不同设备能够共存。
| 模式 | 特点 |
|---|---|
| AP-based network | 客户端通过 AP 通信，AP 连接有线网络，并在客户端之间转发数据 |
| Ad hoc network | 无需 AP，处于无线电范围内的客户端直接通信 |
- Multipath fading（多径衰落）：无线电信号会被固体物体反射，同一次传输的多个回波可能沿不同路径到达接收端，回波可能相互抵消或增强，使接收信号强度发生很大波动。
- Path diversity（路径分集）：沿多个相互独立的路径发送信息，使某一条路径衰落时仍可能通过其他路径正确接收。实现方式包括：
- 在允许频段中使用不同频率
- 使用不同天线对形成不同空间路径
- 在不同时间段重复发送比特
- OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）：把较宽的频谱划分成许多窄频段，在这些频段上并行发送不同的比特。
- CSMA（Carrier Sense Multiple Access）：用于减少无线广播介质中的碰撞。发送前先侦听信道，发送者等待一个短的随机时间。如果检测到其他设备正在发送，则推迟自己的发送。若发生碰撞，则等待更长的随机时间后重传。
Hidden Terminal Problem
假设 A 正在向 B 发送数据，但 A 的无线电覆盖范围无法到达 C。C 侦听信道时听不到 A，于是认为信道空闲并向 B 发送数据，最终 A 和 C 的信号在 B 处发生碰撞。
Security protection
由于无线传输是广播的，附近设备可能收到并非发给自己的数据包，因此需要加密和身份认证。
| 机制 | 说明 |
|---|---|
| WEP（Wired Equivalent Privacy） | 早期无线加密方案，设计存在缺陷，后来被破解 |
| WPA（Wi-Fi Protected Access） | 用于替代 WEP 的改进方案 |
| WPA2 | 在 WPA 基础上进一步改进的方案 |
| 802.1X | 支持基于证书的 AP 到客户端认证，以及多种客户端到 AP 的认证方式 |