计网笔记一 概述

计算机网络的层级结构

计算机网络的特点：federated，scalable，constantly evolving，diverse，asynchronous，handle failures at scale。

由于计算机网络非常复杂，所以一般会分为若干层进行设计。每一层只需要保证自己的功能实现正确，而不需要关心其他层的实现细节。这样可以使得网络设计更加模块化，便于维护和扩展。

一共 5 层：

1. 物理层（Physical, layer 1）：通过物理的方式实现 bit 的传输，可以是有线的（wire）、无线的（wireless）、光信号（optical fiber）等
2. 数据链路层（Link, layer 2）：通过物理层的连接，将一个区域内不同的设备连接（link）起来，就构成了一个局域网，称为链路层。设备间可以传输 packets（一组 bit，代表某种信息，在这一层通常被称为 frames）
3. 网络层（Network, layer 3）：不同的局域网之间需要进行通讯，网络层就负责将数据从一个网络传输到另一个网络，使用 IP 协议来实现。又因为链路层一次传递数据有上限，所以网络层还实现了分片（fragmentation）和重组（reassembly）的功能。是一个 best-effort的服务（尽力服务），即不保证数据能被正确传输、不保证交付失败时可以汇报错误等，它只负责传输。
4. 传输层（Transport, layer 4）：网络层只负责传输，而无法保证数据的可靠性（如顺序、完整性等），传输层负责提供可靠的数据传输服务，常用的协议有 TCP（面向连接）和 UDP（无连接）。并且传输层将网络层的 packet 分成更小的片段，以便于传输和处理。传输层还负责端到端的通讯，提供了流量控制、拥塞控制等功能。它可以保证数据的可靠传输，但也会增加延迟。这一层将数据传输从数据包（packet）的概念转换到流（flow）的概念。
5. 应用层（Application, layer 7）：负责在不改变网络架构的前提下，构造不同的服务（service）。将应用程序的数据转换为网络可以传输的格式，并提供用户接口。常见的协议有 HTTP、FTP、SMTP 等。在旧式的网络模型里面这是第 7 层，所以现在有时仍然称为第 7 层。

Header File：只传输数据，接收方无法知道数据的信息以及如何处理数据。为此需要添加 headers，包含源地址、目的地址、协议类型、校验和（checksum）等元数据（metadata），被添加到数据（payload）的前面，形成一个完整的 packet。

由于有多个层级，每个层级都会添加自己的 header，所以会有 multiple headers 的现象。每一层只关注当前层对应的 header 内容。对于 endpoints(end hosts)，有四层 header 被使用，而对于 router，则只有 3 个。在 router 之间传输时，最外层的 header 会被修改，比方说从 A 到 B 到 C，在 router A 处 header 内容可能为 From: A, To: B，而在 router B 处则会被修改为 From: B, To: C。

NOTE

TTL (Time to Live) 在 layer 3 的 header 中有一个字段叫做 TTL (Time to Live)，用于防止由于 router 的循环传输导致数据无法正确传输的问题。初始时，TTL 被初始化为一个较大的值，当经过每个 router 时，TTL 会减 1，当 TTL 减到 0 时，数据包就被丢弃（使用 IMCP 协议进行错误消息返回）。

设计准则

上一节介绍了计算机网络的结构，这一节讲解设计这种结构时使用的设计原则。

一些 guidelines：

1. 去中心化控制（decentralized control）：也可以是 SDN(Software Defined Networking)，进行中心化控制。但是 DSDN(Distributed SDN) 又回到了去中心化控制。
2. 尽力服务模型（best-effort service model）：如 layer 3 (internet)；也可以引入一些质量保证（Quality of Service, QoS）。
3. 绕过麻烦（route around trouble）：网络对 failures 需要弹性（resilient），如当一个 router 失败时，能找到其他路径进行传输。
4. 愚蠢基础设施（dumb infrastructure with smart endpoints）：如 routers 只负责转发数据，而不关心数据的内容。
5. 端到端准则（end-to-end principle）：在 end hosts 上实现功能，而不是 routers 上。
6. 分层设计（layering）：即上下层之间的依靠关系。
7. Federation via narrow-waist interface：所有用户都使用相同的 layer 3 协议（IP）

Demultiplexing：由于第 3 层需要决定每一个层的下一个层使用什么协议，所以在 header 中需要包含下一层协议类型的信息

而在第 4 层中，需要包含一个应用运行端口的信息，以将数据传递给正确的程序。操作系统会自动根据端口号确定使用什么协议，如 80 端口通常是 HTTP 协议，443 端口通常是 HTTPS 协议。一个 private 的客户端的端口可以是随机的，但是 public 的服务器端口需要是固定的。

• Layers 1 and 2 are implemented in hardware, on the network interface card (NIC).
• Layers 3 and 4 are implemented in software, in the operating system.
• Layer 7 is the applications running in software.

End-to-End Principle：一些应用的 feature 只能在 end hosts 上实现，如网络只需要在 end hosts 上检查传输是否成功，而不需要在每一个 router 上检查。但是这个准则是可以被打破的。

资源共享

网络资源往往会在多对 end hosts 之间共享（如同时传递数据时，可能会经过相同的 routers 和 links），实际中是采用的 statistical multiplexing（多路复用） 的方式来共享资源。

实现 statistical multiplexing 的方式：

1. circuit switching：在传输数据之前，先建立一个连接（circuit），并在每一个 router 和 link 上分配固定的资源（reservation），直到传输结束再传输一次结束信号释放占用的资源。
2. packet switching：将数据分成多个数据包（packet），为每个 packet 独立分配资源（即不同 flow 的 packets 和同一个 flow 中的 packets 都被视作是独立的），然后按照 best-effort 的方式传输。

对于 bursty 的传输，packet switching 更加高效，因为它可以动态分配资源，而 circuit switching 则需要预先分配资源，可能会导致资源浪费（如浏览网页）。而 smooth 的传输（如视频流）则更适合 circuit switching，因为它可以保证传输的稳定性。

容错性方面，packet switching 更加健壮，因为它可以在某个 router 或 link 失败时重新传输，而 circuit switching 则需要重新建立连接。

优势对比：

• Circuit switching pros:
  • Reservations give applications better performance.
  • Reservations are more predictable and understandable.
• Packet switching pros:
  • More efficient.
  • Faster startup to first packet delivered.
  • Easier recovery from failure.
  • Simpler implementation.

现代网络通常使用 packet switching，而在一些受限的场景中使用 circuit switching。

链路层

• bandwidth：单位 bit/s
• propagation delay：在 link 中的传播延迟

• packet delay = propagation delay + transmission delay
• transmission delay = packet size / bandwidth

对于较小的 packet，transmission delay 可以忽略不计（因为把数据放到链路上不需要花很多时间），propagation delay 占主。即小带宽，低延迟的 link 更好。反之，对于较大的 packet，transmission delay 占主，propagation delay 可以忽略不计。即大带宽，高延迟的 link 更好。

可以通过管道图来直观的理解：当 packet size 较小时，bandwidth 没法打满，造成浪费，不如提升 propogation delay；反之同理。

上面的分析都没有考虑排队（queueing）的情况。排队分为瞬态过载（transient overload）、持续过载（persistent overload）。