計算機網絡自頂向下方法（第６版） 第一章總結

 

一、計算機網絡和因特網

計算機網絡的定義：將分布在不同地理位置上的具有獨立工作能力的計算機、終端及其附屬設備用通信設備和通信線路連接起來，並配置網絡軟件，以實現計算機資源共享的系統。

1.1 什么是因特網

具體構成描述

即基本硬件和軟件組成角度：Internet 互聯了眾多稱作主機或者終端系統的設備，他們被認為位於網絡邊緣，主機又可分為客戶機（client）和服務器（server）。這些設備通過通信鏈路（也就是物理線纜）連接，鏈路中間還有分組交換機。主機之間交換數據時將數據分組發送，並通過分組交換機分配包數據。常見的分組交換機有路由器和鏈路層交換機。主機通過ISP（Internet 服務提供商）接入Internet 。所有Internet 通訊必須遵循一定的協議。其規范稱作互聯網標准。

服務描述

Internet 是提供這么一些服務的計算機網絡：允許離散的應用在終端上交換數據，比如下載軟件和瀏覽器等等。他還為這些應用提供兩種服務：面向連接的服務（TCP）以及無連接的無依賴性服務（UDP）。簡單地說，面向連接的服務有握手程序，還必須確認包是否正確發送和接受，但是無連接服務不需要擔心另一方的問題，只要發或者接就行了。

名詞解釋

端系統/主機：和因特網相連的計算機等設備（如TV，Web服務器，手提電腦）。 
通信鏈路：同軸電纜；銅線；光纜；無線電頻譜 
分組：當一台端系統有數據要向另一台端系統發送時，端系統將數據分段並在每段加上首部字節，由此形成的信息包稱為分組。一個分組所經歷的一系列通信鏈路和分組交換機稱為通過該網絡的路徑。 
協議：定義了在兩個或多個通信實體之間交換的報文格式和次序，以及在報文傳輸和接收或其它事件方面所采取的動作

1.2 網絡邊緣

只講兩點： 
接入網：將端系統連接到邊緣路由器（edge router）的物理鏈路。 
邊緣路由器：端系統到任何其他遠程端系統的路徑上的第一台路由器。

1.3 網絡核心

網絡核心，即互聯了因特網端系統的分組交換機和鏈路的網狀網絡。

電路交換

定義

電路交換（circuit switching）：每個主機都直接與一個交換機直接相連，各個交換機之間有物理線纜，如果兩台主機要傳送信息，其對應的交換機之間必須有一條預留電路。假定每個交換機都有n條電路，那么連接期間該連接獲得鏈路帶寬的1/n。

電路交換網絡中的多路復用

1、頻分多路復用（Frequency-Division Multiplexing，FDM） 
2、時分多路復用（Time-Division Multiplexing，TDM） 

例子

從主機A到主機B經一個電路交換網絡發送一個640,000 比特的文件需要多長時間？ 
所有鏈路是1.536 Mbps 
每條鏈路使用具有24個時隙的TDM 
創建端到端電路需500 msec 
計算結果：Time=640000/(1.536Mbps/24)+0.5s=10.5s

分組交換

分組交換（packet swiitching）：各種應用在完成任務時要交換報文，報文包含協議要求的內容。主機會把較大的報文分組並發送到分組交換機。交換機使用存儲轉發傳輸機制，簡單地說就是接受一個報文的全部分組后才輸出，這樣就會產生存儲轉發時延。同時，對於每個輸出鏈路，分組交換機還為之生成一個輸出緩存或輸出隊列，因為同一時刻只能向一條鏈路輸出一組信息，其他信息只能在隊列中等待，這樣會產生排隊時延。如果隊列已滿，新到達的報文分組無法入隊，就會產生丟包。

優劣對比

分組交換的批評者：分組交換因其端到端時延是變動的和不可預測的（主要是因為排隊時延的變動和不可預測所致），故不適合實時服務（例如，電話和視頻會議）。 
分組交換的支持者： 
1、它提供了比電路交換更好的帶寬共享 
2、它比電路交換更簡單、 更有效，實現成本更低。

1.4 分組交換網中的時延，丟包和吞吐量

時延概述

時延分為節點處理時延（nodal processing delay），排隊時延（queuing delay），傳輸時延（transmission delay）和傳播時延（propagation delay），這些加起來就是節點總時延（total nodal delay），即 
節點總時延 = 節點處理時延 + 排隊時延 + 傳輸時延 + 傳播時延

處理時延（通常幾個微妙或者更少）

1、檢查分組首部和決定將分組導向哪一個隊列； 
2、其他：檢查比特級差錯所需要的時間。

排隊時延（取決於擁塞等級）

在隊列中，當分組在鏈路上等待傳輸時所需的時間，取決於先期到達的，正在排隊等待想鏈路傳輸分組的數量。

傳輸時延（L/R，對低速鏈路很大）

1、將所有分組的比特推向鏈路所需要的時間。 
2、用L比特表示分組的長度，用R bps表示從路由器A到路由器B的鏈路傳輸速率。（對於一條10Mbps的以太網鏈路，速率R = 10Mbps）,傳輸時延（又稱為存儲轉發時延）是L/R。

傳播時延（幾微妙到幾百毫秒）

1、從該鏈路的起點到路由器B傳播所需要的時間是傳播時延。該比特以該鏈路的傳播速率傳播。 
2、傳播時延 = 兩台路由器的距離d / 傳播速率s。 
3、傳播速率取決於該鏈路的物理媒體（即光纖，雙絞銅線等），速率范圍是2*108~ 3 * 108 m/s

分組交換時延圖

 

端到端時延

假定在源主機和目的主機之間有N-1台路由器（那么實際有N條小路徑），並且該網絡是無擁塞的（因此排隊時延是微不足道的），處理時延為dproc，每台路由器和源主機的輸出速率是 R bps，每條鏈路的傳播時延是dprop，節點時延累加起來得到端到端時延： 
dend-end = N（dproc + dtrans + dprop） 
dtrans = 分組長度L / R

計算機網絡中的吞吐量

吞吐量：單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量，是瓶頸鏈路（bottleneck link，即找速度最短的那一條鏈路）的傳輸速率。 
吞吐量分為瞬時吞吐量（instancous throughput）和平均吞吐量（average throughput），我們可以把他們類比為以前物理學過的瞬時速度和平均速度。 
 
該圖中吞吐量為min{Rc，Rs}。 
 
該圖中吞吐量為min{R1,R2,R3,…,RN}。 
在確定了吞吐量之后，我們現在近似地（因為沒有考慮分組層次和協議）得到從服務器到客戶機傳輸一個F比特的大文件所需要的時間是F/min{R1,R2,R3,…,RN}。

1.5 協議層次

網絡中引入協議棧（protocol stack）概念，自頂向下分別是：

應用層

包含大量應用普遍需要的協議，支持網絡應用 
協議為FTP, SMTP, HTTP

運輸層

主機到主機數據傳輸，負責從應用層接收消息，並傳輸應用層的message，到達目的后將消息上交應用。 
協議為TCP, UDP

網絡層

從源到目的地數據報的選路 
協議為IP, 選路協議

鏈路層

在鄰近網元之間傳輸數據 
協議為PPP, 以太網

物理層

物理層負責將鏈路層幀中每一位(bit)從鏈路的一端傳輸到另一端

協議分層圖

因特網協議棧自頂向下傳輸時，各層會將上層信息包裝，上層信息包裝為有效載荷字段，本層信息包裝為首部字段。 
下圖中從上往下為封裝，下往上為解封裝。 

 

復習題

1. 無不同 客戶端和服務器端 是
2. 略
3. 方便協同工作
4. 家庭接入：ＤＳＬ，電纜，ＦＴＴＨ，撥號和衛星 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

企業接入：以太網和ｗｉｆｉ

廣域無線接入：３Ｇ和ＬＴＥ

５．共享 可能，因為線路有上限，用戶是共享的

６．略

７．用戶通常以１００Mｂｐｓ速率接入以太網交換機，而服務器可能具有１Ｇｂｐｓ甚至１０Ｇｂｐｓ的接入速率　

８．雙絞銅線，同軸電纜，光纖，陸地無線電信道，衛星無線電信道

９．撥號調制解調器：寬帶專用，５６ｂｐｓ

ＨＦＣ（混合光纖同軸）：寬帶共享，下行速率４２．８Mｂｐｓ,上行速率３０．７ｍｂｐｓ

ＤＳＬ（數字用戶線）：寬帶共享，下行速率２４Ｍｂｐｓ，上行２．４Ｍｂｐｓ

ＦＴＴＨ（光纖到戶）：寬帶專享。下行速率１０－２０Ｍｂｐｓ，上行速率２－１０Ｍｂｐｓ

１０．Ｗｉｆｉ和４Ｇ

1. 端到端總時延為：L/R1 + L/R2，其中L/R1為發送主機到交換機需要的時延，L/R2為交換機到接收主機的時延。
2. 在同一時期，周期性的得到所以帶寬

１３．a. 當使用電路交換時，能夠支持2個用戶同時傳輸。
b. 因為當2個用戶同時傳輸時，比特到達路由器的時間為2Mbps，路由器的傳輸時間為2Mbps，所以路由器的處理隊列為空。當超過2個用戶時，路由器的處理隊列將不為空。
c. 0.2
d. 0.008

１４．當兩個ISP之間需要傳輸流量時，如果沒有對等，那么其中一個ISP需要先傳輸給提供商ISP然后再傳遞給另一個ISP，這時候產生了額外費用，如果對等的話則可以免去這些費用。IXP可以根據交換的流量額收取費用。

１５．

可以跟較底層的ISP對等，或者接入IXP來減少對提供商ISP的費用

可以對其服務最終如何交付給端用戶有了更多的控制

１６．分別為處理時延、排隊時延、傳輸時延、傳播時延
其中排隊時延是變化的，其他都是固定的。

１７．

定義L:可用的分組長度，v：可用速率，t：傳播時延

第一種組合：L/v < t

第二種組合：L/v > t

１８．10msec; d/s; no; no

１９．a. 500kbps
b. 32Mb/0.5Mbps = 64s
c. 100kbps, 32Mb/0.1Mbps = 320s
注意計算機中的B是byte（字節），網絡中的b是bit（比特）。1B = 8b，即1byte = 8bit

２０．端系統在分組的首部加上了目的地的IP地址，當一個分組到達路由器時，路由器檢查該分組的目的地址的一部分，並向另一台相鄰路由器轉發該分組。路由器使用轉發表將目的地址的一部分映射為輸出鏈路。所以這和只知道目的地名字但是不知道路線的司機到達該目的地的思路是一樣的，只能夠詢問沿路的路人往哪里走。

２１略

２２五個通用任務是錯誤控制，流量控制，分段和重組，復用和連接設置。是的，這些任務可以在不同的層次上復制。例如，錯誤控制通常在多個圖層上提供。

２３．應用層、運輸層、網絡層、鏈路層、物理層

• 應用層是網絡應用程序及它們的應用層協議存留的地方。
• 運輸層在應用程序端點之間傳送應用層報文。
• 網絡層負責將成為數據報的網絡層分組從一台主機移動到另一台主機。
• 鏈路層沿着路徑將數據報傳遞給下一個結點。
• 物理層的任務是將該幀中的一個一個比特從一個結點移動到下一個結點

２４．

• 一個端系統中的應用程序使用協議與另一個端系統中的應用程序交換信息的分組叫做應用層報文。
• 對應用層分組封裝后的運輸層分組是運輸層報文段
• 對運輸層分組封裝后的網絡層分組是網絡層數據報
• 對網絡層分組封裝后的鏈路層分組是鏈路層幀

２５．

• 路由器處理網絡層、鏈路層、物理層
• 鏈路層交換機處理鏈路層、物理層
• 主機處理應用層、運輸層、網絡層、鏈路層、物理層

２６．

• 病毒是一種需要某種形式的用戶交互來感染用戶設備的而已軟件
• 蠕蟲是一種無需任何明顯用戶交互就能進入設備的惡意軟件

２７使用蠕蟲或病毒感染某個電腦，緊接着它會去感染其他電腦並慢慢形成一個僵屍網絡。
攻擊者利用僵屍網絡中的主機向被攻擊者瘋狂發送流量。

２８

1. Trudy可能會盜取Alice和Bob的用戶信息，比如社交密碼、銀行卡密碼、Alice的個人隱私、Bob的個人隱私等等
2. Trudy可以很容易的破壞兩人的關系，比如篡改分組中的內容
3. Trudy可能威脅到Alice和Bob的安全，比如以某人的名義將另一人單獨約出來

+

習題

1. 略
2. N*(L/R) + (P-1)*(L/R) = (N+P-1)*(L/R)
3. ａ電路交換網　減少時延　ｂ　不需要，不會導致
4. a. 16，A->B四條，B->C四條，C->D四條，D->A四條

b. 8，A->B->C四條，A->D->C四條

c. 可以，A->B->C兩條，A->D->C兩條，B->C->D兩條，B->A->D兩條

5.Ａ　12 * 10 = 120秒 = 2分鍾　單段的傳播時間２＊３＝６min　７５／１００ｋｍ/h=45min  45*2+6=96 min      B　12 * 8 = 96秒，所以一共需要96s + 45min + 96s + 45min + 96s = 94分鍾48秒

6.a. m/s

b. L/R

c. m/s + L/R

d. 剛剛離開主機A

e. 在鏈路上傳播

f. 已經到達主機B

G  m = Ls =120 (2.5 ⨯108)= 536 km

7從比特產生到解碼需要(56 * 8)/(64 * 10³) = 7ms

接着從解碼之后的傳輸時間需要(56 * 8)/(2 * 10⁶) = 0.224ms

然后傳播到主機B的傳播時間是10ms

最后有一個問題是，這道題目是否考慮主機B的解碼時間，如果不考慮的話總時間就是7 + 10 + 0.224 = 17.224ms；如果考慮的話題目並沒有給出，假設是xms，那么就是(17.224 + x)ms

8  a. 3Mbps/150kbps = 20

b. p = 0.1

c

d

 

9.a. 10000

b.

10.

 

11.由於比特不被留在交換機中直接被轉發，所以端到端的時延也就是最后一個比特的時延。首先最后一個比特需要被處理到鏈路上，也就是L/R，然后需要經過3段鏈路的時延d1/s1 + d2/s2 + d3/s3。最后算出來結果是46ms

 

12.前面等待了4.5個分組，也就是4.5 * 1500 = 6750Bytes，然后1Byte = 8bit，所以6750Bytes = 54000bit，所以排隊時延為54000/(2 * 106) = 27ms

 

13a.

 

b. 由於LN/R比(N - 1) * L / 2R大，所以在下一次N個分組來之前，上一次N個分組已經處理完了，沒有額外排隊時延，所以平均排隊時延依然是(N - 1) * L / 2R

14a.

 

b. 化簡一下上式就行了

15.由於傳輸率是μ，所以傳輸時間為1/μ = L/R
排隊時間由上題得到是IL/R(1 - I)，然后又有I = La/R
利用這三個式子，把I、L、R全部消除然后化簡就得到了1/(μ - a)

16.假設已經被傳輸了1個分組
那么N = 10 + 1 = 11
d = 10/1000s + 1/100s = 0.02
所以a = N/d = 550

17.a.

 

b.

 

1. 略
2. 略

 

２１．

 

 

 

２２．(1-p)n

一共需要傳1/(1-p)n次，因為第一次不屬於重傳，所以需要重傳1/(1-p)n - 1次

２３．a. L/Rs

b. 是有可能的，考慮一下極端情況Rc=0，就會發生排隊。T必須至少L/Rc - L/Rs

 

２４．如果選擇鏈路傳輸數據，那么需要 40 x 1012 x 8 / 100Mbps = 37天，所以還是選擇FedEx一夜快遞吧。。

２５．a. Rt_prop = 2Mbps x 20000km/(2.5 x 10⁸)m/s = 160000

b. 160000，因為帶寬-時延積就是任一時間鏈路上具有的比特最大數量，公式如何推出來的見e小問

c. 帶寬-時延積就是任一時間鏈路上具有的比特最大數量，公式如何推出來的見e小問

d. 比特數量是160000，鏈路長度是20000km，所以可以算出來一個比特是125米，應該跟足球場差不多長了吧。。

e. 首先推一下鏈路上具有的比特最大數量，設一共有L個比特
傳播時延是m/s，傳輸時延是L/R
那么傳播時延占傳輸時延的百分比就是(m/s)/(L/R) = mR/sL，也就是說過了mR/sL秒之后，鏈路上就占滿比特了
因為一共有L個比特，所以任一時間鏈路上具有的比特最大數量是L * mR/sL = mR/s，也就是帶寬-時延積
那么寬度就是m / (mR/s) = s/R
２６.s/R = m，求出來R是12.5bps

27.a. 8 x 107

b. 8 x 105，這里的帶寬-時延積不是任一時間鏈路上具有的比特最大數量，是因為傳輸時延比傳播時延小，也就是說比特還沒到達終點的時候，已經全部在鏈路上了

c. 0.25m

28.a. 0.48s

b. 2s

c. 顯然第一個更小，主要是浪費在傳播時延上了

29.首先要知道同步衛星距離地球的高度約為36000km（百度來的）

a. d_prop = 0.15s

b. 1500000

c. 由於衛生每分鍾拍攝一次照片，所以在這60s之內需要把前一行照片傳輸完畢（注意是傳輸完畢不是傳播完畢，只要傳輸到鏈路上就行了，不用等到達地球），所以算出來是6 x 10⁸比特的傳輸時間是60秒

30.個人理解應該是有的，舉個栗子，你必須拿到登機牌，飛機才知道你的目的地是哪里，登機牌就算是一個“首部”

31.a. 4s，12s

b. 5ms， 都是5ms， 10ms

c. 只關注最后一個分組即可，最后一個分組需要等待799個5ms才能發送，然后需要3個5ms到達目的主機，所以一共需要802個5ms，也就是4.01s，比a的12s小很多。因為分組交換機必須等待把一個分組都收到后才能轉發這個分組，如果這個分組非常非常大，那么可能等待的時間很長，而分成很多小分組的話，就可以先把先收到的小分組轉發出去，這樣就減少了等待時間。最極端的例子就是不等待整個分組再轉發，而是收到一個bit就轉發一個bit，這樣就幾乎沒有等待的時間了。

d. 減小交換機處理分組的壓力（可能交換機的內存很小，一次不能處理整個文件那么大，但是一次可以處理一個分組那么大）；並且當一個很大的分組正在處理時，可能后面很小的分組需要排隊等很久；還有就是當比特丟失或者錯位時，一次需要全部重傳，如果分成若干分組的話，哪個分組比特有錯誤就重傳這個分組就行了

e. 每個分組都需要加上一些額外的信息（比如序列號），因為到達目的主機后需要重新把這些分組合並起來，所以總體的大小是比以前整個文件的大小大的

32.略

３３．There are F/S packets. Each packet is S=80 bits. Time at which the last packet is received

at the  first router  is S +80 ⨯ F sec. At this time,  the  first F/S-2 packets are at  the

R S

destination, and the F/S-1 packet is at the second router. The last packet must then be transmitted by the first router and the second router, with each transmission taking

S +80 sec. Thus delay in sending the whole file is delay= S +80 ⨯ ( F + 2)

R R S

To calculate  the value of S which leads to the minimum delay,

d delay =0⇒ S = 40F

dS

 

３４．應該是中間有一層服務器做轉發，網絡電話通過把語音信號經過數字化處理、壓縮編碼打包、透過網絡傳輸給服務器，然后服務器解壓、把數字信號還原成聲音，再撥打出去