计算机网络A Top Down Approach

计算机网络与因特网

1.1 因特网是什么？

1.1.1 组成结构描述

• 因特网连接了全球数十亿计算设备，包括传统计算机、服务器、智能手机、平板电脑和物联网设备。
• 所有设备统称为“主机”或“终端系统”，2017年约有180亿设备接入，预计2022年达到285亿。
• 网络通过通信链路和分组交换机将终端系统互联。
• 数据传输时被分割为数据包，并添加头部信息。
• 分组交换机主要包括路由器和链路层交换机，分别用于核心网络和接入网络。
• 数据包在网络中经过的路径称为路由或路径。
• Cisco预测到2022年全球IP流量将达到每年近5泽字节（Zettabytes）。
• 网络服务提供商（ISP）提供多种接入方式，如宽带、局域网、移动无线等。
• ISP之间通过国家和国际层级的上层ISP互连。
• 因特网运行协议控制信息发送和接收，其中TCP和IP是最重要的两个协议。
• 因特网标准由IETF制定，文档称为RFC（请求评论），定义了TCP、IP、HTTP、SMTP等协议。
• IEEE 802委员会制定了以太网和WiFi等链路标准。

1.1.2 服务视角描述

• 因特网可看作一个为分布式应用提供服务的基础设施。
• 常见应用包括电子邮件、网页浏览、移动应用、实时交通地图、音乐/视频流、社交媒体、视频会议、多人游戏、基于位置的推荐系统等。
• 应用程序运行在终端系统上，而非网络核心的分组交换机中。
• 程序间的数据交换依赖于网络提供的服务接口——套接字（Socket）接口。
• 类比邮政服务：程序需遵循特定规则（如封装数据、指定目标地址）才能让因特网正确传输数据。
• 因特网提供多种服务供不同应用选择。

1.1.3 协议是什么？

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• 协议定义了多个实体之间消息的格式、顺序及发送/接收消息时采取的动作。
• 类比人类交流中的礼仪：问候语→回应→进一步沟通。
• 如果通信双方使用不同协议，则无法正常交互。
• 网络协议由硬件或软件组件实现，例如：
  • 物理链路上的比特流控制协议；
  • 拥塞控制协议；
  • 路由器中的路径选择协议。
• 示例：访问Web服务器时的协议流程：
  • 客户端发送连接请求；
  • 服务器响应连接；
  • 客户端发送GET请求获取页面；
  • 服务器返回页面内容。
• 协议的核心要素：消息格式、顺序、处理动作。

1.2 网络边缘

1.2.1 接入网络

家庭接入方式

• DSL：
  • 使用电话线进行数据传输；
  • 下行速率可达52 Mbps，上行16 Mbps；
  • 采用频分复用技术分离语音和数据信号；
  • 受距离限制，通常不超过5~10英里。
• 电缆接入（Cable）：
  • 利用有线电视网络基础设施；
  • 采用混合光纤同轴（HFC）架构；
  • 下行速率可达1.2 Gbps，上行100 Mbps；
  • 是共享广播介质，用户并发下载会影响实际速率；
  • 需要多路访问协议协调上传数据传输。
• 光纤到户（FTTH）：
  • 提供高达Gbps级别的接入速度；
  • 包括主动光网络（AON）和被动光网络（PON）两种架构；
  • PON示例：Verizon FiOS；
  • 使用ONT（光网络终端）和OLT（光线路终端）完成光电转换。
• 5G固定无线接入：
  • 不需要铺设物理线路；
  • 使用波束成形技术从基站向家庭发送数据；
  • 提供高速住宅接入；
  • 与WiFi路由器集成使用。

企业与家庭LAN接入

• 以太网：
  • 最常见的局域网技术；
  • 用户通过双绞铜线连接至以太网交换机；
  • 传输速率可达100 Mbps至10 Gbps。
• WiFi（IEEE 802.11）：
  • 无线局域网技术；
  • 支持高达100 Mbps以上的共享传输速率；
  • 广泛应用于大学、办公室、咖啡馆、家庭等场景；
  • 用户需靠近接入点（通常几十米范围内）。

移动广域无线接入

• 3G / 4G LTE / 5G：
  • 用于移动设备的数据通信；
  • 支持消息、照片分享、移动支付、视频流等功能；
  • 覆盖范围远大于WiFi（可达数十公里）；
  • 5G提供更高带宽和更低延迟；
  • 第4代（4G）下载速率最高可达60 Mbps；
  • 第5代（5G）正在部署中，支持更高速率和大规模物联网接入。

1.2.2 物理媒体

引导型介质

• 双绞线铜缆（Twisted Pair）：
  • 成本最低、最常用的引导型传输介质；
  • 用于电话网络和以太网接入；
  • 支持10 Mbps至10 Gbps速率（取决于线径和距离）；
  • Cat6a类电缆可在百米内实现10 Gbps。
• 同轴电缆（Coaxial Cable）：
  • 用于有线电视系统和互联网接入；
  • 支持高数据传输速率；
  • 可作为共享介质，多个终端系统共用一条电缆；
  • DOCSIS标准支持下行1.2 Gbps、上行100 Mbps。
• 光纤（Fiber Optics）：
  • 传输光脉冲表示比特；
  • 支持数十甚至数百Gbps的传输速率；
  • 抗电磁干扰、低信号衰减（可达100 km）；
  • 适合长距离传输，广泛用于长途电话网和因特网骨干；
  • OC标准速率从51.8 Mbps至39.8 Gbps（OC-1至OC-768）；
  • 成本较高，主要用于骨干网络和数据中心。

非引导型介质（无线）

• 地面无线电频道：
  • 无需物理布线；
  • 可穿透墙壁、支持移动接入；
  • 根据覆盖范围分为短距（几米）、局域（十至几百米）、广域（数十公里）；
  • 存在路径损耗、阴影衰落、多径衰落和干扰问题；
  • 应用于蓝牙、WiFi、蜂窝网络等。
• 卫星无线电频道：
  • 通信卫星连接地球站；
  • 接收信号后通过转发器再生并重新发射；
  • 两类卫星：
    • 地球同步卫星（Geostationary）：位于36,000 km高空，存在约280 ms传播延迟；
    • 低轨卫星（LEO）：轨道高度较低，绕地运行，需多颗卫星实现连续覆盖；
  • 卫星链路常用于无DSL或有线接入的偏远地区；
  • LEO卫星未来可能用于互联网接入。## 1.3 网络核心

1.3.1 分组交换Packet Switching

路由器 必须接收到整个数据包之后，才能开始将它发送到下一个链路。也就是说，不能“边收边发”。

存储转发传输

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• 数据包在发送前必须被完整接收。
• 发送时间计算公式为 L/R（L 为数据包大小，R 为链路速率）。
• 示例：源发送 3 个数据包时，总延迟为 4L/R。

解释

源主机有 3 个数据包，每个数据包大小为 L bits

每条链路的传输速率为 R bps (bits per second)

不考虑传播延迟（propagation delay）或排队、处理时间

使用存储转发（store-and-forward）方式进行传输

1. 源开始发送数据包 1（大小为 L 位）
2. 经过时间 L/R 秒后，源完成发送，路由器完全收到整个数据包
3. 路由器这时才开始发送数据包 1
4. 再经过 L/R 秒，目的主机收到这个数据包

👉 所以，总延迟为： \[ \text{总延迟} = \frac{L}{R} + \frac{L}{R} = \frac{2L}{R} \]

---

📦 多个数据包的流水传输（以 3 个为例）

• 第 1 个数据包到达目的地的时间是 2L/R
• 第 2 个数据包到达目的地的时间是 3L/R
• 第 3 个数据包到达目的地的时间是 4L/R

为什么不是每个都 2L/R？因为数据包之间是流水线式重叠发送。

• 当路由器转发第 1 个数据包时，源可以开始发送第 2 个
• 这种流水线效应减少了整体延迟

✅ 全部传完的时间 = 4L/R

排队延迟与丢包

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• 输出缓冲区存储等待传输的数据包。

• 延迟取决于网络拥塞程度。分组在缓冲区中等着被发送，这个等待时间是不确定且可变的，取决于网络的拥塞程度。

• 缓冲区满时会导致数据包丢失。

• 类比银行排队或收费站等待。排队等候服务的顾客就像在缓冲区中的分组

  如果银行空间满了，新来的人就只能被拒绝（丢包）

转发表与路由协议

当一个 分组（packet） 到达路由器时，它并不知道接下来应该去哪个方向。这就像人在路口迷路一样，不知道该往哪个出口走。

🧠 解决办法：每个路由器都有一张“转发表（forwarding table）”来查路！

• 每个终端系统有 IP 地址，路由器根据地址查找转发表。
• 转发表映射目的地址到输出链路。是一个查找表，记录着：目标地址（或部分地址） → 哪条出链路（outbound link）
• 问题：转发表是怎么设置的？路由器通过路由协议自动设置转发表。
• 路由协议的作用是：
  • 交换网络中的路由信息
  • 计算从每个路由器到每个目的地的最佳路径
  • 然后自动设置好各个路由器的转发表
• 路由协议决定最短路径并配置转发表。

1.3.2 电路交换

在网络中，有两种主要方式来传输数据：

方式	特点
电路交换（Circuit Switching）	在通信开始前建立连接并预留资源
分组交换（Packet Switching）	按需使用资源，无需事先预留

基本概念

• 在通信会话期间预留资源（缓存、链路带宽）。

• 区别于分组交换，资源不按需使用。

• 类比餐厅预订：提前预留桌位 vs 到达后可能需要等待。

  • 餐厅类型	类比什么网络？	特点
    需要提前预订的餐厅	电路交换	虽然要提前打电话预约，但到了直接入座
    不需要预约的餐厅	分组交换	省事，但可能到了现场要排队等位

多路复用技术

• 频分多路复用 (FDM)：
  • 频率谱划分为多个频段。
  • 每个连接独占一个频段。
• 时分多路复用 (TDM)：
  • 时间划分为帧，每帧包含多个时隙。
  • 每个连接占用固定时隙。
  • 传输速率为帧率 × 每时隙比特数。

分组交换 vs 电路交换

• 分组交换优势：
  • 更高效共享传输容量。
  • 实现更简单、成本更低。
  • 支持突发流量。
• 电路交换优势：
  • 提供可预测的端到端延迟。
  • 适合实时服务（如电话、视频会议）。
• 示例分析表明分组交换在统计上优于电路交换。

1.3.3 网络的网络结构

网络结构演进

• 结构 1：所有接入 ISP 连接单一全球骨干 ISP。
• 结构 2：多个全球骨干 ISP 竞争。
• 结构 3：引入区域 ISP 和 Tier-1 ISP。
• 结构 4：增加 PoP、多宿主、对等互联和 IXP。
• 结构 5：加入内容提供商网络（如 Google）。

对等互联与 IXPs

• 同级 ISP 可直接对等互联以减少费用。
• 对等通常免结算费用。
• 第三方建立 IXP 提供多个 ISP 的对等平台。
• 全球已有超过 600 个 IXP。

内容提供商网络

• 如 Google 自建私有网络，连接至较低层级 ISP。
• 减少向高层 ISP 支付费用。
• 更好控制服务交付质量。
• 仍需连接至 Tier-1 ISP 以覆盖更多用户。

1.4 分组交换网络中的延迟、丢包与吞吐量

1.4.1 分组交换网络中的延迟概述

延迟类型

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• 处理延迟 (dproc)：
  • 检查数据包头部、错误检测。
  • 高速路由器中通常为微秒级。
• 排队延迟 (dqueue)：
  • 等待传输的时间。
  • 依赖流量强度和到达模式。
• 传输延迟 (dtrans)：
  • 将数据包推入链路所需时间。
  • 计算公式为 L/R。
• 传播延迟 (dprop)：
  • 比特从一个路由器传播到下一个的时间。
  • 与距离成正比，速度约为光速的 2/3。

总节点延迟公式

• dnodal = dproc + dqueue + dtrans + dprop

类比理解

• 高速公路类比：
  • 路程 = 传播延迟。
  • 收费站处理 = 传输延迟。
  • 车辆车队 = 数据包序列。

1.4.2 排队延迟与丢包

排队延迟特性

• 随流量强度 La/R 变化。
• 当 La/R > 1 时，队列无限增长，延迟趋近无穷。
• 平均排队延迟随流量强度接近 1 而迅速上升。

丢包机制

• 队列容量有限，满时丢弃新到达的数据包。
• 用户视角表现为数据包进入网络但未到达目的地。
• 丢包概率随流量强度增加而上升。

1.4.3 端到端延迟

总延迟计算

• dend-end = N × (dproc + dtrans + dprop)
• 扩展公式考虑异构延迟和平均排队延迟。

Traceroute 工具

• 测量路径及各跳延迟。
• 示例输出显示 14 个中间路由器及其往返延迟。
• 可观察跨大西洋光纤链路带来的显著传播延迟。

1.4.4 网络吞吐量

定义与计算

• 瞬时吞吐量：接收端每秒接收比特数。
• 平均吞吐量：文件大小 F / 总传输时间 T。
• 影响因素包括瓶颈链路速率、并发流量等。

示例分析

• 两链路网络：吞吐量 = min{Rs, Rc}
• N 条链路网络：吞吐量 = min{R1, R2, …, RN}
• 核心网过载：若共享链路 R 为瓶颈，吞吐量 = R / 下载数量。

现实网络影响因素

• 核心网通常高带宽，瓶颈常在接入网。
• 多用户下载时共享链路可能导致吞吐下降。## 1.5 协议层次及其服务模型

1.5.1 分层架构

航空系统的类比

• 将航空系统功能划分为多个层级，如购票、行李托运、登机口、起飞降落、航线调度等。
• 每一层通过本层操作和下层服务实现特定功能，例如登机层使用跑道到跑道的运输服务完成乘客上下飞机。

网络协议的分层

• 网络协议也采用分层结构，每层提供特定服务并依赖下层服务。
• 分层优势：模块化设计便于更新与维护；改变某层实现不影响其他部分。
• 缺点：可能重复实现底层功能（如链路层与端到端错误恢复）；跨层信息需求破坏分层隔离。

1.5.2 因特网协议栈

五层模型

• 应用层：
  • 包含HTTP、SMTP、FTP等协议；
  • 提供Web请求、电子邮件、文件传输等功能；
  • DNS用于域名解析为IP地址。
• 传输层：
  • 使用TCP或UDP协议；
  • TCP提供可靠连接、流量控制、拥塞控制；
  • UDP提供无连接、不可靠传输。
• 网络层（IP层）：
  • 负责将数据报从源主机传送到目的主机；
  • IP协议定义数据报格式及路由器处理方式；
  • 包含多种路由协议决定路径。
• 链路层 Link Layer：
  • 在相邻节点间传输帧；
  • 支持以太网、WiFi、DOCSIS等协议；
  • 不同链路可能使用不同链路层协议。
• 物理层：
  • 传输比特流；
  • 依赖具体传输介质（双绞线、光纤等）；
  • Ethernet有多种物理层标准适配不同介质。

1.5.3 封装过程

• 数据在发送端逐层封装，添加各层头部信息。
• 应用层消息 → 传输层添加Ht生成段 → 网络层添加Hn生成数据报 → 链路层添加Hl生成帧。
• 接收端逐层剥离头部，还原原始数据。
• 类比：公司内部备忘录通过多层信封封装邮寄，接收方逐步拆封。

1.6 网络攻击

常见安全威胁

恶意软件感染

• 网络上传输的数据可能包含病毒、蠕虫、木马等恶意程序；
• 感染后可能导致文件删除、隐私窃取、加入僵尸网络；
• 自我复制机制使传播速度呈指数级增长。

拒绝服务攻击（DoS/DDoS）

• 漏洞攻击：向目标发送精心构造的数据包导致崩溃。
• 带宽洪水攻击：发送大量数据包阻塞目标访问链路。
• 连接洪水攻击：建立大量虚假TCP连接耗尽资源。
• DDoS利用僵尸网络发起分布式攻击，更难检测与防御。

数据包嗅探

• 在无线或广播环境中被动监听所有传输数据；
• Wireshark等工具可轻松捕获敏感信息；
• 加密是主要防御手段。

欺骗攻击

• 构造虚假源地址的数据包进行伪装；
• 可能误导路由器修改转发表；
• 需要端到端身份验证机制防范。

1.7 计算机网络与因特网的发展历史

1.7.1 分组交换技术的诞生（1961–1972）

• Leonard Kleinrock提出排队理论支持分组交换；
• Paul Baran（Rand Institute）与Donald Davies（NPL）独立研究分组交换；
• ARPAnet于1969年部署首个节点，成为因特网前身；
• 1972年推出首个主机间通信协议NCP；
• Ray Tomlinson发明电子邮件系统。

1.7.2 专用网络与互联网络（1972–1980）

• 出现ALOHANet、Telenet、Cyclades等私有网络；
• Cerf与Kahn提出互联网架构，开发TCP/IP协议；
• TCP早期版本整合可靠传输与转发功能；
• 后期分离出IP与UDP协议；
• ALOHA协议启发以太网发展；
• Metcalfe与Boggs开发以太网奠定局域网基础。

1.7.3 网络大爆发（1980–1990）

• ARPAnet连接约200台主机，1990年全球因特网主机达10万；
• BITNET、CSNET、NSFNET推动大学互联；
• NSFNET主干速率从56kbps提升至1.5Mbps；
• 1983年ARPAnet全面切换至TCP/IP；
• Jacobson提出基于主机的拥塞控制机制；
• DNS系统研发成功，实现域名到IP的映射；
• 法国Minitel项目推广家庭数据网络，早于互联网普及。

1.7.4 因特网爆炸性发展（1990年代）

• NSFNET解除商业用途限制，商业化进程开启；
• WWW由Tim Berners-Lee在CERN发明，结合HTML、HTTP、浏览器、服务器四大要素；
• Mosaic/Netscape浏览器推动Web普及；
• 微软加入引发浏览器大战；
• 电子商务、即时通讯、P2P文件共享成为“杀手级应用”；
• 互联网泡沫破裂后，Google、Amazon、eBay等企业崛起。

1.7.5 新世纪的发展（2000年至今）

• 宽带接入普及（DSL、FTTH、5G固定无线）；
• 视频流媒体（YouTube、Netflix）、视频会议（Skype、FaceTime）兴起；
• 无线设备数量超过有线设备，智能手机推动移动互联网；
• 社交网络（Facebook、Twitter、微信）构建人与人之间的大规模连接；
• 大型云服务商（Google、Microsoft、阿里云）建设私有骨干网优化性能；
• 云计算平台（AWS、Azure）提供弹性计算与存储服务。## 1.8 小结

网络组成与结构

• 因特网是由硬件和软件组成的复杂网络系统。
• 从网络边缘开始，介绍了终端系统（主机）、应用程序以及传输层提供的服务。
• 接入网络中常见的链路层技术和物理媒体被详细探讨。
• 深入到网络核心，分析了分组交换与电路交换两种基本数据传输方式，并比较了它们的优缺点。
• 因特网是“网络的网络”，其层级结构由不同级别的ISP构成，这种结构支持因特网扩展至数千个网络。

核心网络概念

• 分析了分组交换网络中的延迟、吞吐量和丢包原因。
• 建立了传输延迟、传播延迟、排队延迟及吞吐量的定量模型。
• 协议分层和服务模型是网络架构的关键原则。
• 调查了当前因特网中普遍的安全攻击问题。
• 简要回顾了计算机网络的发展历史。

学习路径与章节安排

本书路线图

• 第2章至第6章为核心内容，围绕五层因特网协议栈的上四层展开：
  • 第2章：应用层
  • 第3章：传输层
  • 第4章：网络层（数据平面）
  • 第5章：网络层（控制平面）
  • 第6章：链路层与局域网
• 第7章和第8章聚焦现代网络中的两个重要主题：
  • 第7章：无线与移动网络（包括WiFi、蓝牙、蜂窝网络等）
  • 第8章：网络安全（加密基础与安全应用）

教学方法说明

• 采用自顶向下的教学方式，先学习应用层以理解所需网络服务，再向下探索其实现方式。
• 提前讲解应用层有助于激发后续学习的兴趣与动机。

思维导图节点补充

作业与练习题概览

第1.1节

• 主机与终端系统的定义与区别
• 协议在外交关系中的类比解释
• 协议标准化的重要性

第1.2节

• 四种接入技术及其分类（家庭、企业、广域无线）
• HFC的共享特性与冲突可能性
• 不同地区的住宅接入技术比较

第1.3节

• 分组交换网络中的端到端延迟计算
• 电路交换与分组交换的优劣对比
• ISP对等与IXP盈利机制
• 内容提供商自建网络的原因（如Google）

第1.4节

• 延迟组件分析（传输、传播、处理、排队）
• 数据包传播时间与传输速率的关系
• 吞吐量计算与文件传输时间估算

第1.5节

• 协议分层任务分配与职责划分
• 分层中可能存在的重复功能
• 路由器、链路层交换机和主机处理的层次

第1.6节

• 自我复制型恶意软件的概念
• 僵尸网络构建与DDoS攻击原理
• 中间人攻击（Trudy）可能造成的危害

问题与练习摘要

应用层协议设计

• 设计ATM与银行主机之间的协议流程，包括验证、查询余额和取款操作。

延迟与吞吐量分析

• 计算多个链路下的端到端延迟
• 分析数据包在不同链路条件下的传播与传输行为
• 探索实时语音传输（VoIP）的时间延迟因素

分组交换与电路交换比较

• 用户共享链路时的并发使用概率计算
• 使用二项分布模型分析同时传输用户数的概率分布

网络性能评估

• 利用Little公式计算平均数据包到达率
• Traceroute实验分析路由路径与延迟变化
• Metcalfe定律验证：网络价值与用户数量平方关系

数据传输方式选择

• 大文件传输场景下，比较通过高速链路传输与使用快递服务（如FedEx）的效率

卫星通信与带宽延迟积

• 计算地球同步卫星链路的传播延迟与带宽延迟积
• 探讨连续传输所需的最小图像大小

消息分段与网络性能优化

• 比较有无消息分段时的数据传输时间
• 分析消息分段的优势与潜在缺点
• 寻找最优分段大小以最小化传输延迟

实际应用案例

• Skype如何实现PC到普通电话的通话（结合因特网与电话网络）### Wireshark 实验

网络协议观察工具

• Wireshark 是一种免费的网络封包嗅探器，可在 Windows、Linux/Unix 和 Mac 系统上运行。
• 它可以捕获和显示计算机发送和接收的消息内容，包括各协议字段的详细信息。
• 用户可通过图形界面查看捕获的数据包列表、选中数据包的头部细节以及其十六进制和 ASCII 内容。

实验目的与方法

• 通过实际操作加深对网络协议的理解。
• 观察两个协议实体之间交换消息的顺序，深入研究协议运作机制。
• 在真实网络环境中（如因特网）运行应用程序并分析其使用的网络协议。
• 学生将作为实验的一部分，亲自参与协议行为的触发与观察。

实验内容示例

• 下载并安装 Wireshark 工具。
• 使用浏览器访问网站并捕获浏览器与服务器之间的通信过程。
• 深入了解 HTTP 协议交互流程。

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访谈：Leonard Kleinrock 的互联网愿景

职业背景

• Leonard Kleinrock 是加州大学洛杉矶分校（UCLA）的计算机科学教授。
• 1961 年提出分组交换数学理论，成为互联网核心技术基础。
• 1969 年 UCLA 的计算机成为首个互联网节点。

对互联网诞生的回忆

• 第一条主机间消息为“Log”，但“g”导致斯坦福主机崩溃，最终消息变为“Lo!”。
• 当时未意识到这一事件的历史意义，仅用于远程登录测试。
• 早前曾预言未来可通过家庭或办公室设备轻松接入计算资源，如今已实现。

未来网络愿景

• 基础设施方面：
  • 无线和移动设备将在智能空间中广泛应用，形成“隐形互联网”。
  • 环境中的各种物体（桌椅、墙壁、穿戴设备等）将具备感知、处理和通信能力。
  • 房间能识别用户进入，环境可自然响应语音、手势甚至脑机接口指令。
• 技术组件方面：
  • 部署定制化智能软件代理，动态挖掘和处理数据。
  • 区块链技术提供不可篡改的分布式账本和信誉系统。
  • 自组织系统管理高速网络流量。
• 应用与服务方面：
  • 应用往往出人意料地快速涌现，如电子邮件、社交网络、短视频分享等。
  • 未来仍将持续出现“突如其来”的创新服务。

对学生的建议

• 互联网是一个充满挑战与机遇的新领域。
• 不要被现有技术所限制，应大胆想象并推动技术进步。

应用层

2.1 网络应用原理

2.1.1 网络应用架构

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客户端-服务器架构

• 服务器始终在线，为多个客户端提供服务。
• 客户端不直接通信，通过服务器中转。
• 服务器具有固定、已知的IP地址。
• 常见应用：Web、FTP、Telnet、电子邮件。

对等网络（P2P）架构

每个节点既可以作为客户端，也可以作为服务器. 也可以在一个通信会话中明确谁是 client、谁是 server：谁发起连接就是 client。

• 最少或无依赖中心服务器。
• 直接在对等主机之间通信。
• 用户设备作为节点，自行上传和下载数据。
• 自扩展性强，资源利用率高。
• 成本低但面临安全与稳定性挑战。
• 示例：BitTorrent 文件共享。

2.1.2 进程通信

在网络中运行的其实不是“程序”，而是“进程（process）”在相互通信：

• 进程：在一个终端系统中运行的程序的实例（运行态的程序）。

情况	通信方式
两个进程在同一个主机上	使用 操作系统提供的进程间通信机制（如管道、消息队列、共享内存等）
两个进程在不同主机上	必须通过 计算机网络进行通信，也就是我们重点要学习的内容

进程与套接字

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• 套接字就像进程用来收发消息的“门”。每个进程通过 socket 和网络打交道：
  • 要发消息：把消息通过 socket 发出去
  • 要收消息：通过 socket 接收
• 网络应用由多台终端上的进程组成。
• 进程间通过交换消息通信。
• 消息通过“套接字”进出网络。在五层协议栈中，socket 位于应用层和传输层之间
• 类比房屋与门：进程是房屋，套接字是门。

客户端与服务器进程定义

• 发起通信的进程为客户端。
• 等待连接的进程为服务器。
• 在特定会话中，一个进程可以同时是客户端和服务器。

地址标识

• 主机通过IP地址唯一标识。
• 进程通过端口号识别。
• 常见端口：
  • Web服务器：80；
  • 邮件服务器（SMTP）：25；
  • 列表可在 iana.org 查看。

2.1.3 应用可获得的传输服务

可靠数据传输

• 数据包可能在网络中丢失或损坏。
• 重要应用（如邮件、文件传输）需要可靠传输。
• TCP 提供可靠数据传输服务。
• 多媒体应用容忍一定数据丢失。

吞吐量

• 吞吐量指发送方到接收方的数据传输速率。
• 传输协议可提供保证吞吐量的服务。
• 实时语音/视频应用需最低吞吐量保障。
• 弹性应用（如邮件）适应不同吞吐量。

时间延迟

• 传输延迟影响实时应用体验。
• 实时通信、多人游戏等要求严格时间控制。
• 非实时应用偏好低延迟但无硬性限制。

安全性

• 传输层可提供加密、完整性验证、身份认证。
• TLS 是 TCP 的增强版，提供加密与安全服务。
• UDP 不提供安全性，需上层实现。

2.1.4 Internet 提供的传输服务

TCP 特性

• 面向连接：握手建立连接，全双工通信。
• 可靠传输：确保数据完整有序到达。
• 流量控制：防止接收方缓冲区溢出。
• 拥塞控制：调节发送速率以避免网络拥塞。

UDP 特性

• 无连接：无需握手，直接发送数据。
• 不可靠传输：不保证数据送达或顺序。
• 适用于实时应用（如语音通话、游戏）。
• 缺乏拥塞控制，可能导致网络拥堵。

不提供的服务

• 不保证吞吐量与时延。
• 实时应用需自身设计机制应对不确定性。

2.1.5 应用层协议

• 定义进程间消息格式、语义、交互规则。
• 公共协议如 HTTP、SMTP、FTP。
• 私有协议如 Skype 使用自有协议。
• 协议是网络应用的重要组成部分，但非全部。

2.1.6 本书涵盖的应用

• Web：HTTP 协议为核心。
• 电子邮件：使用 SMTP、POP、IMAP。
• DNS：域名解析服务。
• 视频流：基于 DASH 或其他协议。
• P2P 文件共享：如 BitTorrent。

2.2 Web 与 HTTP

2.2.1 HTTP 概述

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• HTTP 是 Web 的应用层协议。
• 客户端（浏览器）与服务器交互获取网页。
• 使用 TCP 作为传输协议。
• 无状态协议：每次请求独立处理。

2.2.2 HTTP 请求方法

• GET：请求文档。
• POST：提交数据。
• HEAD、PUT、DELETE 等用于其他用途。

2.2.3 HTTP 响应状态码

• 2xx：成功（如 200 OK）。
• 3xx：重定向。
• 4xx：客户端错误（如 404 Not Found）。
• 5xx：服务器错误（如 500 Internal Server Error）。

2.2.4 非持续与持续连接

• 非持续连接：每个请求单独建立 TCP 连接。

  HTTP1.0

• 持续连接：复用单个 TCP 连接发送多个请求。

  HTTP1.1

  • 同一个TCP连接可以重复使用，传输多个对象。

    比如：HTML文件 + 多张图片可以通过同一个TCP连接发送，不需要重复建立连接。

2.2.5 Cookie

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• 服务器通过 Set-Cookie 头设置 Cookie。
• 客户端在后续请求中携带 Cookie。
• 用于用户跟踪、个性化内容等。

2.2.6 Web 缓存（代理服务器）

• 缓存服务器保存副本，减少原始服务器负载。是一个网络实体，代替原始Web服务器处理HTTP请求。一旦配置了Web缓存，用户的所有HTTP请求会先发送到缓存服务器，而不是直接发送给原始服务器（Origin Server）。
• 减少响应时间，节省带宽。
• 使用 If-Modified-Since 验证缓存有效性。

内容分发网络（CDN）

• CDN公司（如 Akamai、Limelight、Google、Netflix）在全球部署缓存节点；
• 通过地理分布式缓存，把内容推送到离用户最近的缓存服务器；
• 缓解源站压力、提高访问速度、降低延迟和成本。

2.2.7 条件 GET

• 如果资源未修改，则返回 304 Not Modified。
• 减少不必要的数据传输。## 2.2 Web 与 HTTP

条件 GET 流程

• 缓存向服务器发送带 If-Modified-Since 的 GET 请求；
• 若对象未修改，服务器返回 304 Not Modified；
• 缓存继续使用本地副本；
• 若对象已修改，服务器返回新对象。

2.2.7 HTTP/2

HTTP1.1使用持久连接（即一个 TCP 连接可以传输多个请求/响应）。

但会遇到 队头阻塞（Head-of-Line Blocking） 问题。

假设一个网页包含：

• HTML 页面；
• 一个大型视频；
• 多个小图片。

如果使用一个 TCP 连接，视频会因为文件大而阻塞后面的小文件，导致页面渲染变慢。

HTTP/1.1 的方式：

• 一条高速公路（TCP连接）一次只能运送一个包裹（请求/响应）；
• 下一个包裹必须等前一个完全送完；
• 解决办法是修建多条平行的高速公路（多个 TCP 连接）来并发运送。

HTTP/2 的多路复用方式：

• 在一条高速公路上划分多条车道；
• 每条车道运送不同的包裹（请求/响应），彼此不干扰；
• 包裹可以拆成小块，分时轮流走路段，然后在终点重新组合。

HTTP/2 的目标

• 减少感知延迟；
• 支持请求/响应多路复用；在一个通信通道（比如一条 TCP 连接）中，同时传输多个独立的数据流的一种技术。
• 提供请求优先级和服务器推送；
• 高效压缩头部字段。

HTTP/2 的核心技术

• 帧化（Framing）：核心思想：每条 HTTP 消息被切分成 多个小的帧（frame），可以交错传输，不再按顺序排队。接收端重组帧后，恢复原始 HTTP 消息。
• 优先级（Prioritization）：按权重优先传输重要对象；每个请求可以被赋予一个 权重（1~256）；客户端还可以设置请求之间的 依赖关系；服务器根据这些信息，决定哪个响应优先发送。
• 服务器推送（Server Push）：提前推送后续所需对象；服务器可在收到请求后主动推送其他资源服务器分析 HTML，提前将 JS、CSS、图片等资源发送过去；节省了等待客户端额外发起请求的时间，提高加载效率。
• 二进制编码：提升解析效率，减少帧大小。

HTTP/2 的优势

• 减少 TCP 连接数量；
• 避免 Head-of-Line（HOL）阻塞；
• 支持多路复用；
• 提升网页加载速度。

2.2.8 HTTP/3

HTTP/3 的基础

• HTTP/3 是基于 QUIC 协议的新一代 HTTP 协议，它比 HTTP/2 更快、更稳定，尤其在弱网或移动环境下表现更好。
• 提供多路复用、流控、快速连接建立等特性。

HTTP/3 的特点

• 许多 HTTP/2 功能由 QUIC 实现；
• 设计更简洁高效；
• 正在标准化中（截至 2020 年）。## 2.3 因特网中的电子邮件

2.3.1 SMTP

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• SMTP 是因特网电子邮件的核心协议，用于从发送方邮件服务器向接收方邮件服务器传输邮件。
• 使用 TCP 提供的可靠数据传输服务。
• 邮件内容限制为 7 位 ASCII 编码，需对多媒体内容进行编码。
• SMTP 客户端与服务器在发送邮件时直接通信，不使用中间邮件服务器。
• 示例流程：
  • Alice 使用用户代理编写邮件并发送；
  • 邮件进入 Alice 邮件服务器的队列；
  • SMTP 客户端连接 Bob 邮件服务器并发送邮件；
  • Bob 邮件服务器接收邮件并存入其邮箱；
  • Bob 使用用户代理读取邮件。

  

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• SMTP 会话示例包含命令：HELO、MAIL FROM、RCPT TO、DATA、QUIT。
• SMTP 使用持久连接，可复用 TCP 连接发送多个邮件。

2.3.2 邮件消息格式

• 邮件消息由头部和正文组成，RFC 5322 定义了邮件格式。
• 头部信息包括：
  • From: 发件人地址；
  • To: 收件人地址；
  • Subject: 邮件主题；
• 头部与正文之间以空行分隔（CRLF.CRLF）。
• 头部字段为可读文本格式，关键字后跟冒号和值。
• 邮件正文为 ASCII 文本。

2.3.3 邮件访问协议

• SMTP 用于邮件从发送方服务器到接收方服务器的传输。
• 接收方使用 IMAP 或 HTTP 从邮件服务器获取邮件。
• 用户代理无法使用 SMTP 拉取邮件，因为 SMTP 是推送协议。
• Web 邮件或移动应用使用 HTTP 获取邮件。
• 邮件客户端（如 Outlook）使用 IMAP 协议（RFC 3501）访问邮件。
• IMAP 允许用户管理服务器上的邮件夹，支持移动、删除、标记等操作。IMAP / HTTP： 收邮件用（“拉”邮件）；

2.4 DNS — 因特网的目录服务

2.4.1 DNS 提供的服务

• 主要任务：将主机名解析为 IP 地址。
• DNS 是一个分布式数据库，采用客户端-服务器架构。
• DNS 协议运行在 UDP 上，使用端口 53。
• 应用层协议如 HTTP、SMTP 依赖 DNS 进行域名解析。
• 其他服务包括：
  • 主机别名：提供更易记的主机名；
  • 邮件服务器别名：使邮件地址更易记；
  • 负载均衡：通过 DNS 轮换 IP 地址实现服务器负载分担。

2.4.2 DNS 工作原理概述

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• DNS 采用分布式、分层数据库结构。

• 包括三类服务器：

  • 根 DNS 服务器：全球分布的 13 组服务器；
  • 顶级域（TLD）服务器：如 .com、.org、.edu；
  • 权威 DNS 服务器：为特定域名提供解析；

• 本地 DNS 服务器（Local DNS Server）：

  • 不属于 DNS 层级结构，但对 DNS 架构至关重要；
  • 通常由 ISP 提供；
  • 执行 DNS 查询代理功能；

• DNS 查询流程示例：

  • 查询 www.amazon.com：
    • 它通过系统调用（如 gethostbyname()）请求 DNS。
    • 你的电脑把请求交给本地的 本地 DNS 服务器（通常由你的运营商或学校提供）。
    • 本地 DNS 服务器如果不知道答案，就会向互联网上其他 DNS 服务器组成的层级结构发出查询。

  

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用户主机 cse.nyu.edu 向其本地 DNS 服务器（如 dns.nyu.edu）发出请求；

本地服务器不知道，就向 根服务器 查询 .edu；

根服务器返回：你去找 edu 的 TLD 服务器；

TLD 服务器说：你去找 umass.edu 的 权威服务器（如 dns.umass.edu）；

权威服务器再告诉你 gaia.cs.umass.edu 的 IP 地址。

2.4.3 DNS 缓存

DNS 服务器在收到一个查询的结果（即某个域名的 IP 地址）后，会临时把这个结果保存在本地内存中，以便下次快速回答同样的请求。

• DNS 缓存用于提升性能、减少网络流量。
• DNS 服务器缓存查询结果，设定 TTL（生存时间）后删除。
• 本地 DNS 服务器缓存 TLD 地址后可跳过根服务器。
• 大多数 DNS 查询通过缓存完成，根服务器仅处理极小部分请求。

2.4.4 DNS 记录与消息

DNS 记录类型

• A 记录：主机名到 IPv4 地址映射；
• AAAA 记录：主机名到 IPv6 地址映射；
• NS 记录：域名到权威 DNS 服务器主机名；
• CNAME 记录：别名主机名到规范主机名；
• MX 记录：邮件服务器别名到规范主机名；
• 示例：
  • (relay1.bar.foo.com, 145.37.93.126, A)
  • (foo.com, dns.foo.com, NS)
  • (foo.com, relay1.bar.foo.com, CNAME)
  • (foo.com, mail.bar.foo.com, MX)

DNS 消息格式

• DNS 查询与响应消息格式相同：
  • 头部（12 字节）：
    • 标识符（16 位）：匹配请求与响应；
    • 标志位：查询/响应、权威、递归请求等；
    • 四个数量字段：问题数、答案记录数、授权记录数、附加信息数；
  • 问题部分：
    • 查询名称与类型（如 A、MX）；
  • 答案部分：
    • 返回的资源记录（如 A、NS、CNAME、MX）；
  • 授权部分：
    • 其他权威服务器记录；
  • 附加信息部分：
    • 辅助信息（如 MX 响应中包含邮件服务器的 A 记录）；

2.4.5 向 DNS 数据库插入记录

• 域名注册时需提供权威 DNS 服务器名称与 IP 地址；
• 注册商将 NS 与 A 记录插入 TLD 服务器；
• 示例：
  • 注册 networkutopia.com；
  • 插入 NS 记录：(networkutopia.com, dns1.networkutopia.com, NS)；
  • 插入 A 记录：(dns1.networkutopia.com, 212.212.212.1, A)；
• 需在权威 DNS 服务器中配置 Web 服务器（A）与邮件服务器（MX）记录；
• DNS 动态更新协议（RFC 2136、RFC 3007）允许动态修改 DNS 记录。

2.4.6 DNS 安全漏洞

• DDoS 攻击：如 2002 年攻击根服务器、2016 年攻击 Dyn；
• 中间人攻击：伪造 DNS 响应；
• DNS 缓存投毒：欺骗 DNS 服务器缓存虚假记录；
• DNSSEC：提供安全扩展，防止伪造与篡改；
• DNSSEC 正在逐步部署，提升 DNS 安全性。## 2.5 对等文件分发

P2P 架构的可扩展性

客户端-服务器架构与 P2P 架构对比

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• 客户端-服务器架构的分布时间：
  • 服务器需为每个对等方传输一个文件副本，总传输量为 N × F。
  • 分布时间下限：Dcs = max(NF/us, F/dmin)。
  • 随着对等方数量增加，分布时间线性增长。服务器压力越来越大，扩展性差。
• P2P 架构的分布时间：
  • 每个对等方可重新分配已接收的数据。不仅服务器上传，用户之间也互相上传和分发。
  • 下限公式：DP2P = max(F/us, F/dmin, NF/(us + u1 + ... + uN))。
  • 网络整体上传能力提升，分布时间更短。
  • 自我扩展性强，适合大规模文件分发。

BitTorrent 协议

• 基本机制：
  • 文件被分割为 256KB 的块。
  • 用户加入“种子”后逐步下载并上传数据块。
  • 可选择继续共享或离开网络。
• 追踪器（Tracker）的作用：
  • 维护当前参与的对等方列表。
  • 新用户加入时随机选取部分对等方提供连接信息。
• 邻居节点管理：
  • 建立 TCP 连接后定期更新可用数据块信息。
  • 使用“稀有优先”策略请求数据块，提高整体传播效率。
• 流量激励机制（Tit-for-Tat）：
  • 优先向上传速率高的邻居发送数据。
  • 每 30 秒随机选择新节点进行测试，促进公平交换。

---

2.6 视频流与内容分发网络

互联网视频基础

• 视频特性：
  • 数据率高，压缩后仍可达 100kbps 至 4Mbps。
  • 多版本编码支持不同带宽环境。
• 性能指标：
  • 平均端到端吞吐量是关键。
  • 必须满足视频码率需求以保证流畅播放。

HTTP 流媒体与 DASH

在最初的 HTTP 视频流传输中：

1. 视频文件就像普通网页资源一样，被存储在服务器上，拥有一个固定的 URL。
2. 用户想要观看视频时：
   • 客户端通过 TCP 建立连接，向该 URL 发送一个 HTTP GET 请求。
   • 服务器会把整个视频文件作为响应内容返回。
3. 客户端接收数据后，会将字节缓存在 应用缓冲区 中。
4. 一旦缓冲区里的数据超过某个播放阈值，客户端开始播放视频：
   • 视频播放器定期从缓冲区中提取帧（frame），解码并显示。
   • 这使得边接收边播放成为可能。

• HTTP 流媒体问题：

  • 所有客户端接收相同编码，无法适应带宽变化。

• DASH（动态自适应流媒体）：

  将视频编码成多个不同版本：

  • 每个版本对应一个不同的比特率（低画质、中画质、高画质）。
  • 每个版本的视频被切分成多个小段（chunk），每段持续几秒钟。

  客户端不再一次性请求整个视频，而是：

  • 先获取一个 manifest 文件（描述不同版本的 URL 和码率信息）。
  • 然后一个 chunk 一个 chunk 地用 HTTP GET 请求下载。

  客户端在每次请求 chunk 时，根据当前带宽和缓冲状态来决定选择哪个版本（高码率 or 低码率）。

内容分发网络（CDN）

• 传统单数据中心方案的问题：
  • 跨洲际链路可能成为瓶颈。
  • 同一内容重复传输浪费带宽。
  • 单点故障风险高。
• CDN 设计理念：
  • 全球部署多个服务器集群。
  • 缓存热门内容减少回源压力。
  • 根据地理位置和网络状况选择最佳 CDN 节点。
• 两种部署策略：
  • Enter Deep（深入接入网）：
    • Akamai 方案，在 ISP 内部部署大量小型集群。
    • 更接近终端用户，降低延迟。
    • 管理复杂度高。
  • Bring Home（集中式）：
    • Limelight 方案，在少量 IXP 地点部署大型集群。
    • 管理成本低但可能牺牲部分性能。
• CDN 内容复制机制：
  • 不强制推送所有内容。
  • 使用拉取策略，按需缓存热门内容。
  • 存储满时淘汰不常访问的内容。

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2.7 套接字编程：创建网络应用

UDP 套接字编程

• 客户端流程：
  • 创建 UDP 套接字。
  • 输入文本并发送至服务器。
  • 接收处理后的响应并显示。
  • 关闭套接字。
• 服务器流程：
  • 创建绑定端口的 UDP 套接字。
  • 接收客户端请求。
  • 将文本转为大写后返回。
  • 循环等待下一个请求。
• 代码示例：
  • UDPClient.py：发送请求、接收响应。
  • UDPServer.py：监听端口、处理请求。

TCP 套接字编程

• TCP 特性：
  • 面向连接，确保数据有序可靠传输。
  • 客户端主动发起连接（三次握手）。
  • 服务器使用欢迎套接字接受连接，并创建专用连接套接字。
• 客户端流程：
  • 创建 TCP 套接字并连接服务器。
  • 发送文本请求。
  • 接收响应并关闭连接。
• 服务器流程：
  • 创建监听套接字并绑定端口。
  • 接受连接并创建专用套接字。
  • 处理请求后关闭连接套接字。
• 代码示例：
  • TCPClient.py：建立连接、发送/接收数据。
  • TCPServer.py：监听、接受连接、处理请求。

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2.8 总结

• P2P 架构优势：
  • 自我扩展性强，适合大规模文件分发。
  • BitTorrent 采用稀有优先与 Tit-for-Tat 机制实现高效协作。
• 视频流技术发展：
  • DASH 支持自适应码率切换，提升用户体验。
  • CDN 通过全球部署优化内容分发效率。
• 套接字编程基础：
  • UDP 提供无连接通信，适用于实时场景。
  • TCP 提供可靠连接，适用于需要数据完整性的应用。
  • Python 示例展示了基本的客户端-服务器交互模型。## 2.8 总结与回顾

本章核心内容回顾

网络应用架构

• 客户端-服务器架构：
  • 被多数互联网应用采用。
  • 服务器始终在线，拥有固定IP地址。
  • 应用于HTTP、SMTP、DNS等协议。
• P2P架构：
  • 减少对中心服务器的依赖。
  • 对等节点之间直接通信。
  • 高扩展性，但存在安全和稳定性挑战。
  • 示例：BitTorrent 文件共享。

应用层协议

• HTTP：
  • Web的核心协议。
  • 使用TCP传输，无状态。
  • 支持GET、POST等请求方法及缓存机制（如条件GET）。
• SMTP/POP/IMAP：
  • 电子邮件相关协议。
  • SMTP用于邮件发送，POP/IMAP用于接收。
• DNS：
  • 域名解析服务。
  • 将域名转换为IP地址。
• CDN与视频流：
  • CDN提升视频分发效率。
  • DASH支持自适应码率流媒体。

Socket编程

• TCP套接字：
  • 面向连接，可靠数据传输。
  • 服务器需监听并接受连接，每个连接使用独立套接字。
• UDP套接字：
  • 无连接，不保证可靠性。
  • 更低延迟，适用于实时应用。

协议理解深化

• 协议不仅定义消息格式和顺序，还包括行为逻辑。
• TCP提供可靠传输、流量控制和拥塞控制。
• UDP简单高效，适合对时延敏感的应用。
• TLS在TCP基础上提供加密和安全性。

后续章节展望

• 下一章将深入研究传输层协议（TCP/UDP）的工作原理。
• 探讨如何实现可靠传输、流量控制和拥塞控制等机制。### Socket 编程实验

实验一：Web 服务器

• 开发一个简单的 Web 服务器，能处理单个 HTTP 请求。
• 创建连接套接字、接收请求、解析文件名、获取文件内容。
• 构建 HTTP 响应并发送给客户端。
• 若文件不存在，返回“404 Not Found”。
• 提供骨架代码，需自行完成并测试。

实验二：UDP Pinger

• 编写 UDP 客户端，向服务器发送 10 次 ping 请求。
• 计算往返时延 RTT。
• 设置超时为 1 秒，若未收到响应则认为丢失。
• 服务器代码已提供，需编写客户端代码。

实验三：邮件客户端

• 使用 SMTP 协议与邮件服务器建立 TCP 连接。
• 发送电子邮件，并关闭连接。
• 提供骨架代码，需自行完成并测试（如使用 Google 或学校邮箱服务器）。

实验四：Web 代理

• 开发支持缓存的 Web 代理服务器。
• 接收浏览器请求，向原始服务器转发。
• 获取响应后返回给客户端。
• 提供骨架代码，需完成并测试。

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Wireshark 实验

Wireshark Lab: HTTP

• 分析 HTTP GET/响应交互过程。
• 观察消息格式、大文件传输、嵌入 URL 文件下载。
• 研究持续连接与非持续连接差异。
• 包含身份验证和安全性相关内容。
• 完整实验说明请访问 www.pearsonhighered.com/cs-resources。

Wireshark Lab: DNS

• 观察 DNS 客户端行为。
• 发送域名查询请求，接收 IP 地址响应。
• 理解 DNS 层级结构背后的递归与迭代查询机制。
• 客户端仅与本地 DNS 服务器交互。
• 完整实验说明请访问 www.pearsonhighered.com/cs-resources。

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人物访谈：Tim Berners-Lee

背景介绍

• 万维网发明者，提出 HTTP 协议原型。
• 2016 年图灵奖获得者。
• 现任牛津大学和 MIT 教授。

网络与物理的关系

• 类似于从微观规则推导宏观世界，网络设计也是构建规则以实现大规模系统目标。
• 一个是分析，一个是设计，但思维方式相似。

为何选择网络方向

• 微处理器兴起时期，通信行业正转向基于微处理器的系统。
• 电信领域充满创新机会。

工作中的挑战

• 在不同意见之间找到共识，推动标准统一。
• 需要深入理解各方立场，消除误解。

启发他的人

• 父母早期参与计算机工作，激发兴趣。
• CERN 的 Mike Sendall 和 Peggie Rimmer 给予指导和支持。
• 受 Vanevar Bush、Doug Englebart、Ted Nelson 思想启发。

传输层

3.1 引言与传输层服务

3.1.1 传输层与网络层的关系

• 传输层位于网络层之上，提供进程间的逻辑通信。
• 网络层负责主机之间的逻辑通信。
• 类比邮政系统：网络层负责房屋间通信，传输层负责屋内人员之间的信件传递。
• 传输协议运行在终端系统中，不涉及中间路由器。
• 多个传输协议可共存，如TCP和UDP。

3.1.2 Internet中的传输层概述

• Internet提供两种传输协议：UDP（不可靠、无连接）和TCP（可靠、面向连接）。
• UDP适用于实时应用（如语音通话），TCP适用于需可靠传输的应用（如网页浏览）。
• TCP通过流量控制、序列号、确认应答等机制实现可靠传输。
• UDP仅提供基本的多路复用/解复用和错误检测功能。
• IP是网络层协议，提供尽力而为的服务，不保证数据完整性或顺序。
• TCP/IP模型中，传输层扩展IP服务至进程级通信。

3.2 多路复用与解复用

传输层不会直接把数据给进程，而是先给一个中介“套接字”（socket）。

一台主机上可能有多个套接字，且每个套接字有唯一标识。

这个标识就是端口号（port number），用来区分不同的套接字。

3.2.1 基本概念

• 多路复用：将来自不同套接字的数据封装成段，并添加头部信息。
• 解复用：接收端根据段头字段将数据交付给正确的套接字。
• 每个套接字由端口号唯一标识。
• UDP和TCP使用源端口和目的端口字段进行解复用。

3.2.2 UDP多路复用与解复用

• UDP套接字由二元组（目标IP地址 + 目标端口号）标识。
• 不同源IP或端口但相同目标端口的UDP段被交付同一套接字。
• 源端口用于返回响应时作为目标端口。

3.2.3 TCP多路复用与解复用

• TCP套接字由四元组（源IP、源端口、目标IP、目标端口）标识。
• 不同连接即使目标端口相同，也会分配不同套接字。
• 服务器创建“欢迎套接字”监听连接请求，接受后生成新套接字处理每个连接。

3.2.4 安全相关：端口扫描

• 攻击者利用端口扫描探测开放端口以定位潜在漏洞。
• 工具nmap可用于TCP和UDP端口扫描。
• 典型案例：SQL Server在端口1434存在缓冲区溢出漏洞，Slammer蠕虫曾借此攻击。

3.3 无连接传输：UDP

3.3.1 UDP段结构

• 包含四个字段：源端口、目标端口、长度、校验和。
• 长度字段表示整个UDP段（包括头部）的字节数。
• 校验和用于错误检测。

3.3.2 UDP校验和

• 发送方计算所有16位字的反码和，并放入校验和字段。
• 接收方重新计算并验证是否全为1，若否，则说明有误。
• 即使链路层已做错误检测，UDP仍需校验和确保端到端可靠性。

3.3.3 使用UDP的原因

• 更细粒度的控制：应用可直接决定何时发送数据。
• 无需建立连接：避免延迟，适合DNS、流媒体等。
• 无连接状态：服务器可支持更多客户端。
• 小头部开销（8字节 vs TCP的20字节）。

3.3.4 应用场景

• DNS、SNMP、多媒体应用常使用UDP。
• QUIC基于UDP实现可靠性，在应用层实现拥塞控制等特性。
• 缺乏拥塞控制可能导致网络拥堵，需应用层自行实现。

3.4 可靠数据传输原理（RDT）

3.4.1 RDT基础

• 数据可能丢失、损坏或乱序，需设计可靠传输机制。
• 核心技术：确认应答（ACK）、重传、定时器、序列号。

3.4.2 逐步构建RDT方案

版本rdt1.0

• 假设底层通信信道完全可靠（不会丢包、不丢比特、不乱序），协议非常简单。

版本rdt2.0

• 现实中信道会有比特错误，传输的包可能被破坏.需要加入错误检测机制（例如校验和 checksum）来检测包是否被破坏
• 使用停等协议（Stop-and-Wait），接收方发送ACK或NAK。需要接收方反馈给发送方：
  • ACK（肯定确认）表示包收到了且没错。
  • NAK（否定确认）表示包出错，请求重传。
• 若NAK，发送方重传当前数据包。

版本rdt2.1

• 改进版本，使用ACK+序列号应对重复包问题。
• 发送方维护当前数据包副本，等待ACK后释放。
• 接收方通过序列号判断是否为重复包。

版本rdt2.2

• 仅使用ACK，用ACK携带期望下一次收到的序列号。当接收方收到损坏包或重复包时，不发送NAK，而是重发上一个正确包的ACK（也叫重复ACK）。
• 减少NAK的使用，提高效率。这种机制简化了协议设计。

版本rdt3.0

• 考虑丢包问题，引入超时重传机制。
• 发送方设置定时器，超时则重传未确认的数据包。
• 通过序列号识别重复包并丢弃。

3.5 面向连接的传输：TCP

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3.5.1 TCP概述

• 提供可靠数据传输、流量控制、拥塞控制。
• 面向字节流，而非消息流。
• 每个TCP连接由四元组唯一标识。

3.5.2 TCP段结构

• 包含源端口、目标端口、序列号、确认号、首部长度、标志位、窗口大小、校验和、选项等字段。
• 序列号标识数据字节，而非段本身。
• 确认号表示期望收到的下一个字节编号。

3.5.3 RTT估计与超时

• 使用指数加权移动平均估算往返时间（RTT）。
• 超时时间 = EstimatedRTT + 4 * DevRTT。

3.5.4 可靠数据传输

• 问题： TCP连接的两端都会为连接预留一块接收缓冲区（receive buffer）。接收端接收到的数据正确且顺序到达后，会先存放到这个缓冲区中，等待应用程序读取。但应用程序读取数据的速度可能慢于数据到达的速度，导致缓冲区被写满，进而可能发生溢出。TCP通过流量控制机制防止发送方发送过快，导致接收方缓冲区溢出。换句话说，流量控制是一种速度匹配机制，使发送方的发送速度与接收方应用程序的读取速度相匹配。

• 流量控制的工作流程

  1. 接收方 Host B 会在它发送给发送方 Host A 的每个TCP段中，填入当前的 rwnd 值，告知发送方缓冲区还剩多少空间。

  2. 发送方 Host A 维护两个变量：

     • LastByteSent：发送的最后一个字节序号
     • LastByteAcked：已被确认（ACK）的最后一个字节序号

  3. 发送方控制未被确认的数据量不超过接收窗口大小： \[ \text{LastByteSent} - \text{LastByteAcked} \leq \text{rwnd} \] 这样确保发送的数据不会超过接收方缓冲区剩余空间，避免溢出。

特殊情况：接收窗口为零

• 当接收方缓冲区满了，rwnd = 0，它会告诉发送方当前没有空间了。
• 如果接收方此时没有数据要发送给发送方，它也不会主动发送带有新的窗口大小的TCP段。
• 结果就是发送方一直阻塞，无法知道缓冲区何时腾出空间。
• 解决办法： TCP规定，发送方在接收到rwnd = 0后，仍应发送带有1字节数据的探测段（称为“窗口探测”），接收方确认后才会更新窗口大小，告诉发送方缓冲区已经有空间了。

3.5.6 连接管理

image-20250716193130180

三次握手

• 客户端发送SYN段发起连接。
• 服务器回应SYN-ACK。
• 客户端发送ACK完成连接。

四次挥手

image-20250716193200952

• 客户端发送FIN段关闭连接。
• 服务器回应ACK。
• 服务器发送FIN段关闭连接。
• 客户端回应ACK，进入TIME_WAIT状态。

3.6 拥塞控制原理

3.6.1 拥塞原因与影响

• 当发送速率超过网络承载能力时，导致队列溢出、丢包、延迟增加。
• 无控制的UDP流量可能加剧拥塞。

3.6.2 拥塞控制方法

• 端到端控制：依赖发送方调节速率（如TCP）。

  • 在这种方法中，网络层不会向传输层提供任何有关拥塞状态的直接反馈信息。
  • 端系统（即发送方和接收方）必须通过观测网络行为（如：丢包、延迟增加）间接判断是否发生了拥塞。
  • TCP 就是采用这种方法。比如，如果发送方发现数据包丢失（比如发生超时或收到 3 个重复 ACK），就认为是网络发生了拥塞，会相应地降低发送速率（通过减小窗口）。

• 网络辅助控制：路由器反馈拥塞信号（如ECN）。

  • 在这种方法中，路由器或网络设备会提供明确的拥塞反馈信息给发送方和/或接收方。

    反馈方式可能是：

    • 直接反馈：路由器发送一个阻塞包（choke packet）告知发送方“我这边拥塞了”。
    • 间接反馈：路由器在数据包中标记拥塞信息，这个包到达接收方后，由接收方再通知发送方。

  • 例如，在 ATM 网络中的 ABR（Available Bit Rate）机制，路由器会告诉主机它可以支持的最大发送速率。

  • 虽然 IP 和 TCP 默认采用端到端控制方式，但也可以在一些新机制中使用网络辅助控制。

3.7 TCP拥塞控制

3.7.1 控制机制

• TCP 使用一个变量 cwnd（congestion window，拥塞窗口） 来限制发送方的发送速率。发送方未被确认的数据量必须小于 cwnd（忽略接收端窗口限制 rwnd 时）。

  • 发生丢包事件（loss event）表示可能发生了拥塞：
    • 超时重传；
    • 收到三个重复的 ACK（即 fast retransmit）。

  TCP 把这类事件作为网络拥塞的指示，适当降低 cwnd

• 初始慢启动阶段，cwnd呈指数增长。

• 达到阈值后进入拥塞避免阶段，线性增长。

• 收到3个重复ACK触发快速重传和快速恢复。

3.7.2 性能优化

• TCP Tahoe：超时后cwnd重置为1。
  • 初始时 cwnd 设置为 1 MSS，发送一个分段等待 ACK。每收到一个 ACK，cwnd 增加 1 MSS。每个 RTT 内，发送速率 呈指数增长（1、2、4、8……）。
• TCP Reno：区分超时和重复ACK，提升性能。

3.8 QUIC协议简介

• 基于UDP实现可靠传输、拥塞控制和安全加密。
• 在应用层实现，减少连接建立延迟。
• 支持多路复用、前向纠错等功能。
• 广泛应用于现代Web浏览器（如Google Chrome）。## 3.4 可靠数据传输原理

3.4.1 构建可靠数据传输协议

可靠通道上的数据传输：rdt1.0

• 协议假设底层信道完全可靠。
• 发送方接收上层数据并创建包含数据的包。
• 接收方接收包，提取数据并传递给上层。
• 没有差错检测或反馈机制。

带比特错误的通道：rdt2.0

• 数据包可能被损坏，引入差错检测（校验和）。
• 使用确认（ACK）和否定确认（NAK）进行反馈。
• 出现错误时重传数据包。
• 存在ACK/NAK损坏问题，需要进一步改进。

序列号与重复包处理：rdt2.1

• 引入序列号解决重复包问题。
• 发送方维护当前发送的数据包副本。
• 接收方通过序列号判断是否为重复包。
• 改进版本使用ACK携带期望的下一个序列号（rdt2.2）。

丢包通道：rdt3.0

• 考虑数据包丢失问题，引入超时重传机制。
• 发送方设置定时器，超时则重传未确认数据包。
• 通过序列号识别并丢弃重复包。
• 称为“交替位协议”，序列号在0和1之间切换。

3.4.2 流水线式可靠数据传输协议

性能问题

• rdt3.0是停等协议，利用率极低。
• 在高带宽、长延迟网络中性能差。
• 示例：1 Gbps链路上传输1000字节数据包，利用率仅0.027%。

解决方案：流水线

• 允许多个未确认包同时在管道中传输。
• 提高发送端利用率，提升吞吐量。
• 需要更大的序列号空间和缓冲区。

3.4.3 回退N步（Go-Back-N, GBN）

协议机制

• 发送窗口大小为N，允许最多N个未确认包。
• 接收方只按序接收，丢弃乱序包。
• 累积确认机制，收到ACK表示之前所有包都已正确接收。
• 出现超时时，发送方重传所有未确认包。

发送方事件与动作

• 调用来自上层：检查窗口是否满，若不满则发送包并更新变量。
• 收到ACK：视为累积确认，移动窗口基值。
• 超时事件：重传所有未确认包，重启定时器。

接收方行为

• 正确按序接收：发送ACK并交付数据。
• 乱序接收：丢弃包并重新发送最近收到的ACK。

3.4.4 选择重传（Selective Repeat, SR）

协议机制

• 发送窗口和接收窗口大小均为N。
• 发送方只重传怀疑出错的包。
• 接收方缓存乱序包，直到缺失包到达后一并交付。

发送方事件与动作

• 上层数据到达：检查序列号是否在窗口内，若是则发送。
• 超时：每个包都有独立定时器，超时重传特定包。
• 收到ACK：标记该包已接收，若为窗口基值则前移窗口。

接收方事件与动作

• 正确接收且在窗口内：发送ACK，若为窗口基值则交付连续包。
• 正确接收但超出窗口：忽略或重新发送ACK。
• 其他情况：丢弃包。

序列号空间限制

• 若序列号范围过小，可能出现新旧包混淆。
• 窗口大小必须小于等于序列号空间的一半。## 3.5 面向连接的传输：TCP

3.5.1 TCP 连接

• TCP 是面向连接的协议，通信前需进行三次握手建立连接。
• 连接是逻辑连接，状态信息仅存在于两端系统中。
• 中间路由器不维护 TCP 连接状态。
• 提供全双工服务，支持点对点通信。
• 不支持多播（Multicast）。

3.5.2 TCP 段结构

• 包含源端口、目的端口、序列号、确认号、首部长度、标志位、窗口大小、校验和等字段。
• 序列号标识数据字节，而非段本身。
• 确认号表示期望收到的下一个字节编号。
• 标志位包括 ACK（确认）、SYN（同步）、FIN（结束）等。

3.5.3 RTT 估计与超时

• 使用指数加权移动平均估算往返时间（RTT）：
  • EstimatedRTT = 0.875 × EstimatedRTT + 0.125 × SampleRTT
• DevRTT 表示 RTT 波动：
  • DevRTT = 0.75 × DevRTT + 0.25 × |SampleRTT – EstimatedRTT|
• 超时时间计算公式：
  • TimeoutInterval = EstimatedRTT + 4 × DevRTT
• 初始超时时间为 1 秒，超时后翻倍以避免重复丢包。

3.5.4 可靠数据传输

• 基于 rdt 协议原理，使用确认应答、重传、定时器、序列号等机制实现可靠传输。
• 发送方事件包括：
  • 数据接收自应用层；
  • 定时器超时；
  • 接收确认应答（ACK）。
• 支持快速重传机制：收到三个重复 ACK 触发重传，无需等待超时。
• TCP 实现了 GBN 和 SR 的混合机制。

3.5.5 流量控制

• 接收方通过接收窗口（rwnd）告知发送方可接收的数据量。
• 控制发送速率以防止接收缓冲区溢出。
• rwnd 动态更新：
  • rwnd = RcvBuffer – (LastByteRcvd – LastByteRead)
• 若 rwnd = 0，发送方仍会发送小数据段以探测接收方缓冲区是否释放。

3.5.6 TCP 连接管理

三次握手（连接建立）

• 客户端发送 SYN 段（SYN=1，seq=x）；
• 服务器响应 SYN-ACK 段（SYN=1，seq=y，ack=x+1）；
• 客户端发送 ACK 段（SYN=0，seq=x+1，ack=y+1）。

四次挥手（连接关闭）

• 客户端发送 FIN 段（FIN=1）；
• 服务器回应 ACK；
• 服务器发送 FIN 段；
• 客户端回应 ACK，进入 TIME_WAIT 状态；
• TIME_WAIT 状态持续约 30 秒至 2 分钟，确保最后一个 ACK 正确送达。

安全相关：SYN 泛洪攻击

• 攻击者发送大量 SYN 段而不完成握手，耗尽服务器资源。
• 防御方式：SYN Cookie 技术，使用哈希函数生成初始序列号，不分配资源直至收到 ACK。## 3.6 拥塞控制原理

3.6.1 拥塞的原因与代价

场景1：两个发送端，无限缓冲的路由器

• 主机A和B共享单跳链路。
• 当发送速率超过R/2时，吞吐量受限于链路容量。
• 接近链路容量时延迟显著增加。
• 虽然吞吐量高，但延迟大是拥塞的成本之一。

场景2：两个发送端，有限缓冲的路由器

• 路由器缓冲区有限，数据包可能丢失。
• 发送方需重传丢失的数据包。
• 重传导致网络资源浪费。
• 过早超时重传会导致不必要的转发。

场景3：四个发送端，多跳路径，有限缓冲

• 多跳路径中，中间路由器缓冲溢出导致丢包。
• 数据包在第一跳被转发后若在第二跳丢弃，则第一跳资源浪费。
• 高流量下，吞吐量随负载增加反而下降。

3.6.2 拥塞控制方法

端到端拥塞控制

• 网络层不提供反馈，传输层根据丢包或延迟推断拥塞。
• TCP采用此方式，通过超时或重复ACK判断拥塞并调整窗口大小。

网络辅助拥塞控制

• 路由器向发送端显式反馈拥塞状态。
• 可通过“拥塞位”或标记字段通知发送端。
• ATM ABR、DECnet等架构使用此方式。

3.7 TCP拥塞控制

3.7.1 经典TCP拥塞控制

拥塞窗口（cwnd）机制

• 发送速率受cwnd限制：发送速率 ≈ cwnd / RTT。
• 收到ACK表示网络正常，增加cwnd；发生丢包表示拥塞，减少cwnd。

慢启动（Slow Start）

• 初始cwnd较小，每收到一个ACK增加1 MSS。
• 吞吐量呈指数增长。
• 在以下情况结束：
  • 超时 → cwnd重置为1，ssthresh设为原cwnd的一半。
  • cwnd达到ssthresh → 进入拥塞避免阶段。
  • 收到三个重复ACK → 进入快速恢复。

拥塞避免（Congestion Avoidance）

• 增长更保守，每RTT线性增加1 MSS。
• 收到三个重复ACK时，cwnd减半，ssthresh更新。
• 超时处理与慢启动相同。

快速恢复（Fast Recovery）

• 收到三个重复ACK后进入。
• 每个重复ACK使cwnd增加1 MSS。
• 收到新ACK后进入拥塞避免。
• 若再次超时，则回到慢启动。

AIMD行为与性能

• TCP Reno采用“加性增、乘性减”策略。
• 形成锯齿状吞吐量变化。
• 平均吞吐量约为 0.75 * W / RTT，其中W为最大窗口大小。

3.7.2 网络辅助ECN与基于延迟的拥塞控制

显式拥塞通知（ECN）

• IP头部设置两比特用于拥塞指示。
• 路由器检测拥塞并在IP头中标记ECN位。
• 接收方通过ECE标志通知发送方拥塞。
• 发送方响应：将cwnd减半，并设置CWR标志。

基于延迟的拥塞控制

TCP Vegas

• 根据RTT测量判断是否拥塞。
• 如果实际吞吐率低于无拥塞理论值 → 减少发送速率。
• 目标：保持队列尽可能小以降低延迟。

BBR

• 基于带宽和延迟建模。
• 不依赖丢包作为拥塞信号。
• Google部署于其内部网络和公共服务器。

3.7.3 公平性问题

TCP公平性

• K个TCP连接共享带宽R时，每个连接应获得R/K带宽。
• AIMD机制收敛至公平分配。
• RTT较短的连接更快抢占带宽。

UDP与公平性

• UDP应用不响应拥塞控制，可能导致不公平。
• 视频会议、VoIP常使用UDP以维持恒定速率。

并行TCP连接

• 使用多个TCP连接可获得更多带宽。
• Web浏览器常开启多个连接提高下载速度。## 3.9 总结
• 传输层协议可以提供从无附加功能的多路复用/解复用到可靠数据传输、延迟和带宽保证等多种服务。
• 可靠数据传输可以通过确认、定时器、重传和序列号等机制实现，即使底层网络不可靠。
• TCP是面向连接的可靠传输协议，包含流量控制、往返时间估计和连接管理等功能。
• 拥塞控制对网络性能至关重要，TCP通过端到端机制进行拥塞控制，使用加性增加和乘性减少策略。
• QUIC协议在应用层实现了许多传输层功能，如可靠数据传输、拥塞控制和安全加密。

家庭作业问题与思考题

简答题 R1-R19

• R1：设计一个简单的传输层协议以将数据交付到目标进程；修改协议以提供返回地址。
• R2：类比邮政系统，描述一种协议以在家庭成员间传递信件。
• R3：TCP连接中，主机A发送至主机B的数据段源端口为x，目的端口为y，则反向通信中源端口为y，目的端口为x。
• R4：开发者选择UDP而非TCP的原因包括更低的开销、更细粒度的控制以及无需建立连接。
• R5：尽管UDP不提供拥塞控制，语音和视频仍常使用TCP，因其可避免因网络拥塞导致的丢包。
• R6：应用可在UDP之上自行实现可靠数据传输机制。
• R7：两个不同主机发送到同一UDP端口的数据会被导向同一个套接字，但可通过IP地址区分来源。
• R8：持久连接下，不同客户端请求会通过不同套接字处理，但所有套接字都绑定到端口80。
• R9：引入序列号是为了识别重复或乱序的数据段。
• R10：引入定时器是为了检测数据段丢失并触发重传。
• R11：即便往返延迟已知，仍需定时器以应对可能的数据段丢失。
• R12-R13：Go-Back-N与Selective Repeat模拟实验，展示其在丢包场景下的行为差异。
• R14：判断关于TCP特性的多个陈述是否正确。
• R15：计算TCP段中的数据长度及确认号。
• R16：Telnet示例中，在用户输入后发送的段数及其序列号与确认字段内容。
• R17：两个TCP连接共享瓶颈链路时，TCP公平分配带宽，每条连接获得R/2速率。
• R18：当定时器超时，ssthresh设置为原值的一半。
• R19：TCP分割响应时间约为4×RTTFE + RTTBE + 处理时间。

练习题 P1-P58

• P1：Telnet会话中，不同客户端与服务器之间的段使用的可能端口号。
• P2：图3.5中服务器返回客户端的数据段端口号及IP地址。
• P3-P5：关于UDP校验和的计算与验证。
• P6-P13：可靠数据传输协议的设计与分析，包括rdt2.1和rdt3.0的死锁、ACK无序列号等问题。
• P14-P16：NAK-only协议的优劣分析及提高通道利用率的方法。
• P17-P19：有限状态机（FSM）设计用于交替数据传输。
• P20-P21：错误控制协议设计，确保可靠传输与有序交付。
• P22-P24：GBN与SR协议中序列号窗口与ACK字段分析。
• P25-P26：UDP相比TCP的优势在于对发送数据和时机的更多控制。
• P27-P30：TCP序列号、确认号、流量控制与SYN Cookie机制分析。
• P31-P36：RTT估算、SampleRTT与EstimatedRTT的关系、TCP避免测量重传段的RTT原因。
• P37-P40：比较GBN、SR与TCP的行为，分析超时与快速重传机制。
• P41-P44：TCP拥塞控制算法（AIMD、AIAD）、窗口大小变化与吞吐量分析。
• P45-P58：TCP Reno与CUBIC拥塞控制演化、缓冲区大小设定、连接同步化影响、改进TCP拥塞控制机制。### 编程实验

可靠传输协议实现

• 实现传输层的发送与接收代码。
• 两个版本：回退N步（GBN）和交替比特协议。
• 在模拟环境运行，接口接近UNIX系统调用。
• 包括定时器启动、中断处理等机制。

Wireshark 实验：探索 TCP

• 使用浏览器访问服务器并捕获数据包。
• 分析客户端与服务器端的 TCP 行为。
• 研究流量控制、拥塞控制、重传、往返时间（RTT）估计等内容。

Wireshark 实验：探索 UDP

• 抓包分析使用 UDP 的应用（如 DNS 或 Skype）。
• 研究 UDP 段头部字段及校验和计算。

人物访谈：Van Jacobson

主要贡献

• 提出TCP拥塞控制机制，推动互联网扩展。
• 获得ACM SIGCOMM奖与IEEE Kobayashi奖。
• 当前任职于Google，曾任Packet Design首席科学家、Cisco首席科学家等职。

关于挑战与问题定义

• 强调“找到正确的问题”比寻找答案更重要。
• 在研究TCP拥塞问题时，通过提问“为何TCP能工作”找到了突破口。
• 发现了“确认时钟机制（ack clocking）”。

对网络未来的看法

• 网络应从“主机间对话”转向“信息传播”的更大视角。
• 当前网络技术在广播媒体、移动设备数据交换等方面效率低下。
• CDN和缓存是必要手段，但缺乏理论支持。
• 希望未来网络能融合Web背后的信息传播理念。

启发他的人

• 理查德·费曼（Richard Feynman）对其影响深远。
• 欣赏其将复杂理论简化的能力。

给学生的建议

• 计算机与网络对社会影响巨大。
• 网络本质是连接，学习网络有助于理解多领域知识。
• 举例说明自然现象（如蚂蚁觅食、蜜蜂舞蹈）与协议设计的关系。
• 鼓励学生广泛涉猎、追求影响力。

网络层：数据平面

4.1 网络层概述

4.1.1 转发与路由：数据平面与控制平面

• 转发（Forwarding）
  • 路由器将输入链路上的数据包转发到合适的输出链路。
  • 数据平面功能，硬件实现，时间尺度为纳秒级。
  • 示例：根据数据包头字段查找转发表决定出口接口。
• 路由（Routing）
  • 决定数据包从源主机到目的主机的路径。
  • 控制平面功能，软件实现，时间尺度为秒级。
  • 示例：使用路由算法计算最优路径。

转发表的作用

• 根据数据包头部信息索引转发表，确定输出接口。
• 示例：头部值为0110的数据包被转发至接口2。

控制平面的传统方式

• 每个路由器内部运行路由协议，与其他路由器通信以生成转发表。
• 需要路由协议交换路由信息。

SDN方式下的控制平面

• 控制器远程计算并下发转发表至各路由器。
• 路由器仅负责转发，控制器负责全局路由决策。
• 支持开放、可编程网络管理。

4.1.2 网络服务模型

• 网络层服务定义
  • 定义发送主机和接收主机之间的端到端数据包传输特性。
• 可能提供的服务
  • 保证交付
  • 有界延迟的交付
  • 顺序交付
  • 最小带宽保障
  • 网络层加密安全服务
• Internet的网络服务模型
  • 尽力而为服务（Best-effort service）
    • 不保证交付顺序、不保证交付本身、无延迟或带宽保障。
    • 实际中通过DASH等自适应协议和足够带宽满足多种应用需求。

4.2 路由器内部结构

4.2.1 输入端口处理

• 执行物理层和链路层功能。
• 查找转发表决定输出接口。
• 使用高速互连总线进行数据包转发。

4.2.2 交换结构

• 三种常见交换机制
  • 基于内存的交换
  • 基于总线的交换
  • 基于互联网络的交换（Crossbar Switch）

4.2.3 输出端口处理

• 缓存排队数据包。
• 调度机制决定转发顺序。
• 处理拥塞情况下的丢包策略。

4.2.4 分组调度

• 先进先出（FIFO）
• 优先级队列（Priority Queueing）
• 加权公平队列（WFQ）

4.3 传统IP转发

4.3.1 IP地址基础

• IPv4地址：32位标识符，通常用点分十进制表示。
• IPv6地址：128位标识符，通常用冒号十六进制表示。

4.3.2 子网划分

• 划分网络前缀和主机部分。
• CIDR（无类别域间路由）支持灵活子网划分。

4.3.3 转发表构建

• 路由聚合减少表项数量。
• 使用最长匹配原则选择下一跳。

4.3.4 IPv4协议

• 版本、首部长度、服务类型、总长度、标识、标志、片偏移、TTL、协议、首部校验和、源和目标IP地址等字段。

4.3.5 IPv6协议

• 更大地址空间、简化首部结构、支持扩展首部。
• 移除了IPv4中的选项字段，采用扩展首部实现灵活性。

4.4 通用转发

4.4.1 OpenFlow简介

• SDN核心技术，允许远程控制器定义转发规则。
• 支持基于多字段的转发决策（如源/目的IP、端口号、协议等）。

4.4.2 流表（Flow Table）

• 包含匹配字段、动作（转发、丢弃、修改）、计数器等。
• 数据包按流表规则进行处理。

4.4.3 转发行为扩展

• 支持数据包复制、重写、过滤等操作。
• 提高网络灵活性和安全性控制能力。

4.5 中间盒（Middleboxes）

4.5.1 功能分类

• 防火墙（Firewall）
  • 过滤非法流量，保护网络安全。
• NAT设备
  • 地址转换，实现私有网络访问公网。
• 负载均衡器
  • 将请求分配到多个服务器，提高可用性和性能。
• 入侵检测系统（IDS）
  • 监测异常流量，识别潜在攻击。

4.5.2 对网络架构的影响

• 增强网络安全性与服务质量。
• 增加部署复杂性，需协调转发逻辑。

本章概览

• 掌握网络层的基本组成：数据平面与控制平面。
• 理解转发与路由的区别与协作。
• 熟悉IPv4与IPv6协议结构及其地址分配机制。
• 了解SDN与OpenFlow如何改变传统网络控制方式。
• 理解中间盒在网络中的作用及影响。## 4.2 路由器内部结构

4.2.1 输入端口处理与基于目的的转发

• 路由器输入端口负责物理层和链路层功能。
• 核心功能是查找转发表，决定数据包应转发到哪个输出端口。
• 转发表基于最长前缀匹配规则（Longest Prefix Matching）选择输出接口。
• IPv4地址通常使用32位表示，转发表通过前缀压缩减少条目数量。
• TCAM（三态内容寻址存储器）常用于高速查找，实现恒定时间匹配。

4.2.2 交换结构

三种主要交换方式：

• 基于内存的交换
  • 最早的路由器使用CPU控制交换。
  • 性能受限于内存带宽，无法并行转发多个数据包。
• 基于总线的交换
  • 输入端口直接通过共享总线将数据包发送到输出端口。
  • 每次只能传输一个数据包，存在瓶颈。
• 基于互连网络的交换
  • 使用交叉开关（Crossbar Switch）连接输入和输出端口。
  • 支持多数据包并行转发，非阻塞设计。
  • 更复杂的互连网络支持多阶段交换，提升吞吐能力。

4.2.3 输出端口处理

• 输出端口负责从内存中取出数据包并通过链路层和物理层发送。
• 包括调度机制、队列管理、链路封装等功能。
• 队列调度策略影响服务质量和延迟。

4.2.4 缓存与排队现象

排队发生在输入和输出端口：

• 输入端口排队（Input Queueing）
  • 当交换结构速度低于输入链路速度时，数据包在输入端口排队。
  • 存在头部阻塞（HOL Blocking），导致低效转发。
• 输出端口排队（Output Queueing）
  • 多个输入端口同时向同一输出端口发送数据时，形成队列。
  • 可能导致缓存耗尽，引发丢包。
• 缓冲区大小设计
  • 传统建议：B = RTT × 带宽。
  • 新研究认为：当TCP流数量大时，所需缓存减少。
  • 过度缓存可能导致延迟增加，影响交互式应用体验（Bufferbloat问题）。

4.2.5 数据包调度策略

常见调度机制：

• 先进先出（FIFO）
  • 简单公平，但无法区分优先级。
• 优先级队列（Priority Queuing）
  • 不同优先级的数据包按优先顺序转发。
  • 可用于区分语音、视频、普通流量等。
• 轮询调度（Round Robin）
  • 各类数据包轮流发送，确保公平性。
• 加权公平队列（WFQ）
  • 为每个类别分配权重，保证最低带宽。
  • 支持差异化服务，适用于QoS场景。### 4.3 IPv4协议：IP地址、NAT与IPv6

4.3.2 IPv4地址配置

• 每个接口必须具有唯一的IP地址（除NAT后设备）。
• IP地址长度为32位，通常使用点分十进制表示（如193.32.216.9）。
• 子网划分基于共同的网络前缀（如223.1.1.xxx）。
• CIDR（无类别域间路由）允许灵活子网划分（如/24表示前24位为网络部分）。
• 组织内的多个子网共享相同的网络前缀。

4.3.3 网络地址转换（NAT）

• NAT允许多个内部设备共享一个公网IP地址。
• 使用私有地址空间（如10.0.0.0/24），避免公网地址耗尽。
• NAT路由器维护转换表，记录WAN和LAN侧的IP+端口映射。
• 实现方式：
  • 内部设备发送数据包时，NAT替换源IP和端口。
  • 外部响应返回时，NAT根据端口查找并还原目标地址。
• 缺点：
  • 端口用于主机而非进程寻址，影响P2P连接。
  • 违反路由器应仅处理网络层的原则。
• 防火墙与入侵检测系统（IDS）常与NAT结合使用增强安全。

4.3.4 IPv6协议

• 地址长度从32位扩展至128位，解决IPv4地址枯竭问题。
• 支持单播、多播和任播地址类型。
• 报头结构简化，固定长度为40字节。
• 移除了IPv4中的以下字段：
  • 分片与重组（仅由源和目的处理）。
  • 首部校验和（由传输层和链路层保障）。
  • 选项字段（作为扩展首部实现）。
• 新增字段：
  • 流标签（Flow Label）支持QoS或实时服务。
  • 下一报头（Next Header）标识上层协议。
• IPv6过渡机制：
  • 隧道技术：将IPv6数据包封装在IPv4中穿越IPv4网络。
  • 不同于“flag day”方式，逐步部署更现实可行。
• 应用现状：
  • 美国政府约三分之一二级域名已启用IPv6。
  • Google统计显示约25%用户通过IPv6访问其服务。
  • 3GPP等标准组织已指定IPv6为移动网络标准。

地址分配机制

• 组织获取地址块：
  • 通过ISP获得连续地址块（如200.23.16.0/20）。
  • ISP可进一步划分为多个子块分配给客户。
• 全球地址管理：
  • 由ICANN负责全球IP地址分配。
  • 区域互联网注册机构（如ARIN、RIPE）执行区域管理。

DHCP动态主机配置协议

• 自动分配IP地址，支持静态分配或临时分配。
• 四步交互流程：
  1. DHCP发现（Discover）广播寻找服务器。
  2. DHCP提供（Offer）服务器响应地址提议。
  3. DHCP请求（Request）客户端选择并确认。
  4. DHCP确认（ACK）服务器最终确认分配。
• 支持即插即用（Plug-and-Play）功能，广泛用于企业、家庭及无线网络。## 4.4 通用转发与SDN

4.4.1 匹配（Match）

OpenFlow 1.0中的匹配字段

• 支持12种头部字段和入端口号的匹配。
• 涉及链路层、网络层和传输层字段，如：
  • 源/目的MAC地址
  • 源/目的IP地址
  • TCP/UDP源/目的端口
  • VLAN ID、TOS字段等
• 支持通配符匹配（例如：128.119.*.*）。
• 多个匹配项时优先使用高优先级条目。

抽象设计原则

• 不支持对TTL或数据报长度字段进行匹配。
• 设计权衡：功能与复杂度之间的平衡。
• 接口应捕获抽象的最小本质，避免过度泛化。

4.4.2 动作（Action）

常见动作类型

• 转发：
  • 发送到特定物理输出端口
  • 广播或多播到多个端口
  • 封装并发送给控制器
• 丢弃：
  • 无动作表示丢弃匹配的数据包
• 修改字段：
  • 可重写10个头部字段（除IP协议字段外）
  • 包括链路层、网络层和传输层字段

动作执行顺序

• 按照列表中指定的顺序执行多个动作。

4.4.3 OpenFlow 实例应用

示例一：简单转发

• 数据包从h5/h6发往h3/h4，路径为s3→s1→s2，绕过s3与s2之间的链路。
• s1流表条目：
  • 入端口=1；源IP=10.3..；目的IP=10.2..
  • 动作：转发至端口4
• s3流表条目：
  • 源IP=10.3..；目的IP=10.2..
  • 动作：转发至端口3
• s2流表条目：
  • 入端口=2；目的IP=10.2.0.3 → 转发至端口3
  • 入端口=2；目的IP=10.2.0.4 → 转发至端口4

示例二：负载均衡

• h3发往10.1..走s2→s1；h4发往10.1..走s2→s3→s1。
• s2流表条目：
  • 入端口=3；目的IP=10.1.. → 转发至端口2
  • 入端口=4；目的IP=10.1.. → 转发至端口1

示例三：防火墙

• s2仅接收来自s3连接主机的流量。
• 流表条目：
  • 源IP=10.3..；目的IP=10.2.0.3 → 转发至端口3
  • 源IP=10.3..；目的IP=10.2.0.4 → 转发至端口4

灵活性与优势

• 支持虚拟网络、多租户隔离、QoS等功能。
• 可通过编程实现多种逻辑行为。

4.5 中间盒（Middleboxes）

中间盒分类

• NAT转换
  • 私有地址映射为公网地址
  • 重写IP地址和端口号
• 安全服务
  • 防火墙：基于头部字段过滤流量
  • IDS：检测异常模式并过滤数据包
  • 应用层邮件过滤器：识别垃圾邮件、钓鱼攻击
• 性能增强
  • 压缩、缓存内容、请求负载均衡（如HTTP请求分发到多个服务器）

NFV与云外包

• 网络功能虚拟化（NFV）
  • 使用通用硬件+专用软件替代传统中间盒
  • 类似于SDN架构
• 云外包
  • 将中间盒功能迁移到云端处理

架构争议

• 违反“端到端原则” vs “满足实际需求”
• RFC 1958指出网络核心应保持简单，智能放在边缘
• 但中间盒在现实网络中广泛存在且不可或缺

IP沙漏模型（Hourglass Model）

• 网络层仅有IP协议，成为互联网架构的“窄腰”
• 所有设备必须实现IP协议
• 屏蔽底层差异，提供统一接口
• 促进互联网快速发展和异构网络互联

端到端论证（End-to-End Argument）

• 关键功能应在端点而非网络中实现
• 举例：可靠数据传输需由TCP完成，而非依赖链路层错误控制
• RFC 1958引用该原则作为互联网架构基础之一## 5.2 路由算法

5.2.1 链路状态（LS）路由算法

• 核心思想
  • 基于Dijkstra算法，计算从源节点到所有其他节点的最短路径。
  • 每个节点广播链路状态信息，构建完整的网络拓扑图。
• 关键步骤
  • 初始化：设定初始距离和前驱节点。
  • 迭代更新：每次选择最小距离节点加入已知集合，并更新其邻居的距离。
• 复杂度分析
  • 时间复杂度为O(n²)，n为节点数量。
  • 可通过堆优化降低时间复杂度。
• 潜在问题
  • 当链路成本依赖流量时可能出现震荡现象。
  • 解决方案包括避免动态链路成本、异步执行算法等。

5.2.2 距离向量（DV）路由算法

• 基本原理
  • 基于Bellman-Ford方程，每个节点维护到所有目标的距离向量。
  • 异步、分布式迭代更新机制。
• 运行流程
  • 每个节点定期或根据变化发送距离向量给邻居。
  • 接收新向量后更新自身距离表，并传播变化。
• 收敛性
  • 在所有节点持续交换信息的前提下，最终会收敛到实际最短路径。
• 应用场景
  • 广泛用于RIP、BGP等协议。
• 问题与改进
  • 计数到无穷问题（Count-to-Infinity）可能导致环路。
  • 使用毒性逆转（Poisoned Reverse）缓解局部环路问题。

LS与DV算法对比

• 消息复杂度
  • LS需O(|N|×|E|)消息量，DV依赖邻居间多次交换。
• 收敛速度
  • LS较快且确定，DV可能慢且存在环路风险。
• 鲁棒性
  • LS局部错误影响有限；DV错误可能扩散至全网。

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5.3 Internet内部AS路由：OSPF

OSPF概述

• 协议特点
  • 开放标准（RFC 2328），基于链路状态。
  • 使用Dijkstra算法计算最短路径树。
• 链路权重设置
  • 管理员可配置，支持最小跳数或按带宽调整。
  • 权重影响流量工程策略，如最小化最大链路利用率。

核心功能

• 链路状态广播
  • 定期更新（每30分钟）+ 实时通知链路变化。
  • OSPF报文直接封装在IP中（协议号89）。
• 邻居发现
  • HELLO协议检测链路可达性。
  • 同步链路状态数据库。

安全与扩展性

• 认证机制
  • 支持简单密码与MD5哈希认证，防止伪造路由信息。
• 多路径支持
  • 支持等价多路径（ECMP）负载均衡。
• 组播支持
  • MOSPF扩展支持组播路由。
• 区域划分
  • 分层结构：骨干区域（Backbone Area）连接各子区域。
  • 区域边界路由器（Area Border Router）负责跨区通信。

应用场景

• 适用于大规模自治系统内部路由。
• 支持灵活的网络分层管理。## 5.4 ISP之间的路由：BGP

5.4.1 BGP的作用

• 提供前缀可达性信息
  • 每个子网通过BGP广播其存在，确保全网路由器知晓。
  • 若无BGP，各子网将成为孤立“岛屿”。
• 确定最佳路径
  • 路由器可能学习到多个路径，需选择最优路径。
  • 路径选择基于策略和可达性信息。

5.4.2 BGP路由信息发布

示例网络结构

• 包含三个自治系统（AS）：AS1、AS2、AS3。
• AS3包含前缀x的子网。
• 网络中每个路由器为网关路由器或内部路由器。

BGP连接类型

• 外部BGP（eBGP）：跨AS的路由器之间建立的TCP连接（端口179）。
• 内部BGP（iBGP）：同一AS内路由器之间的TCP连接。

路由传播过程

• AS3通过eBGP向AS2发送路由信息（如“AS3 x”）。
• AS2通过iBGP将该信息转发给AS2内其他路由器。
• AS2再通过eBGP向AS1发送更新路径（如“AS2 AS3 x”）。
• 最终所有AS1和AS2路由器都了解前缀x及其路径。

5.4.3 最佳路径选择

BGP属性与路由定义

• AS-PATH：记录路径经过的AS序列。
• NEXT-HOP：下一跳接口的IP地址。
• 路由 = (NEXT-HOP, AS-PATH, 目标前缀)

路由选择算法

1. 本地偏好值（Local Preference）
   • 值越高优先级越高，由本AS管理员设定。
2. 最短AS路径
   • 类似距离向量算法，使用AS跳数作为度量。
3. 热土豆路由（Hot Potato Routing）
   • 选择最近的下一跳路由器。
4. 路由器标识符
   • 若仍有多个路径，则使用路由器ID决定。

示例分析

• 在图5.10中，AS1到x有两条路径：“AS2 AS3 x”和“AS3 x”。
• 根据规则2，优先选择较短路径“AS3 x”。

5.4.4 IP任播（IP-Anycast）

• 实现方式
  • CDN服务器配置相同IP地址。
  • 通过BGP广播该IP，不同服务器发布相同前缀。
• 效果
  • 用户访问时自动被导向“最近”的服务器。
• 应用场景
  • DNS根服务器广泛使用IP Anycast。

5.4.5 路由策略

• 策略优先于技术指标
  • 如拒绝某些AS路径，即使路径更短。
• 客户-提供商关系
  • 提供商仅转发源/目的在客户网络中的流量。
• 对等连接（Peering）
  • 两个骨干ISP间直接连接，不承担第三方流量。

5.4.6 构建互联网接入

• 获取互联网接入
  • 与本地ISP签约，获得IP地址段（如/24）。
• 域名注册
  • 与域名注册商签约，注册域名（如xanadu.com）。
• DNS部署
  • 配置DNS服务器并将其IP注册至顶级域服务器。
• BGP广播
  • ISP通过BGP广播你的前缀，使全球路由器识别你的网络。

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5.5 SDN控制平面

5.5.1 SDN控制平面组成

SDN控制器架构

• 通信层
  • 南向接口（Southbound API）：控制器与交换机通信（如OpenFlow）。
• 状态管理层
  • 维护网络拓扑、链路状态、主机信息、流表等全局状态。
• 北向接口
  • 提供RESTful API供应用调用，支持同步查询与异步事件通知。

SDN网络控制应用

• 路由应用
  • 实现Dijkstra算法计算最短路径。
• 访问控制
  • 控制哪些数据包应被丢弃。
• 负载均衡
  • 控制多路径转发以实现服务器负载分担。

5.5.2 OpenFlow协议

• 控制器到交换机消息
  • 配置（Configuration）：设置交换机参数。
  • 修改状态（Modify-State）：添加/删除/修改流表项。
  • 读取状态（Read-State）：获取统计信息。
  • 发送数据包（Send-Packet）：控制器主动发送数据包。
• 交换机到控制器消息
  • 流表移除（Flow-Removed）：流表项超时或被删除。
  • 端口状态（Port-Status）：端口变化通知。
  • 数据包入（Packet-in）：未匹配流表的数据包上报控制器。

5.5.3 数据与控制平面交互示例

场景：链路状态变更

1. s1检测到链路故障
   • 发送Port-Status消息通知控制器。
2. 控制器更新链路状态数据库
   • 通知链路状态管理模块。
3. 路由应用收到链路状态变更通知
   • 注册监听事件后触发。
4. 应用重新计算最短路径
   • 使用Dijkstra算法。
5. 应用请求更新流表
   • 流表管理模块生成更新指令。
6. 控制器下发流表更新
   • 通过OpenFlow协议更新s1、s4等受影响交换机。

5.5.4 SDN的发展历程与未来

• 起源
  • 2004年提出控制与数据平面分离理念。
  • Ethane项目演化为OpenFlow。
• 未来方向
  • 向大规模广域网扩展（如Google B4网络）。
  • 与NFV融合，替代专用中间盒设备。
  • 推动跨AS的SDN架构发展。

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5.6 ICMP：互联网控制报文协议

5.6.1 ICMP作用

• 错误报告机制
  • 报告不可达、超时、参数问题等网络异常。
• 网络诊断工具支持
  • Ping 和 Traceroute 基于ICMP实现。

5.6.2 ICMP报文格式

• 类型字段（Type）
  • 标识报文类型（如回显请求、目标不可达）。
• 代码字段（Code）
  • 进一步细化错误原因（如网络不可达、端口不可达）。
• 校验和字段
  • 用于完整性校验。

5.6.3 ICMP常见应用

• Ping命令
  • 发送ICMP Echo Request，接收Echo Reply验证连通性。
• Traceroute命令
  • 利用TTL递减和ICMP Time Exceeded报文探测路径。

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5.7 网络管理：SNMP

5.7.1 SNMP概述

• 网络管理模型
  • 管理站（Manager）与代理（Agent）协作。
  • 管理信息库（MIB）存储被管对象数据。

5.7.2 SNMP操作

• GetRequest
  • 获取一个或多个变量值。
• SetRequest
  • 设置变量值。
• GetNextRequest
  • 获取下一个变量值，用于遍历MIB树。
• Trap
  • 代理主动上报事件（如接口down）。
• InformRequest
  • 可靠的Trap通知，要求确认响应。

5.7.3 MIB结构

• 对象标识符（OID）
  • 分层命名结构，唯一标识每个可管理对象。
• 标准MIB
  • system、interfaces、ip、tcp、udp等标准组别。

5.7.4 SNMP版本演进

• SNMPv1
  • 基础功能，安全性差。
• SNMPv2c
  • 支持批量操作，仍使用明文社区字符串。
• SNMPv3
  • 引入认证与加密，提升安全性。## 5.6 ICMP：互联网控制报文协议

5.6.1 ICMP的基本功能

• ICMP用于主机和路由器之间在网络层交换控制信息。
• 主要用途是错误报告，例如“目标网络不可达”。
• ICMP消息封装在IP数据报中作为载荷传输。
• ICMP消息包含类型字段和代码字段，并附带引发错误的原始IP数据报头部及前8字节内容。

5.6.2 常见ICMP消息类型

• Echo Reply（类型0，代码0）：响应Ping请求。
• 目标网络不可达（类型3，代码0）
• 目标主机不可达（类型3，代码1）
• 目标协议不可达（类型3，代码2）
• 目标端口不可达（类型3，代码3）
• TTL超时（类型11，代码0）
• IP头部错误（类型12，代码0）
• Echo Request（类型8，代码0）：用于Ping程序。

5.6.3 Ping与Traceroute的实现

• Ping：发送ICMP Echo Request（类型8，代码0），接收方返回Echo Reply（类型0，代码0）。
• Traceroute：
  • 发送一系列UDP数据报，TTL依次递增（1, 2, 3…）。
  • 每个路由器在TTL减至0时发送ICMP TTL超时消息（类型11，代码0）。
  • 最终目标主机返回“端口不可达”ICMP消息（类型3，代码3），表示路径探测完成。

5.6.4 IPv6中的ICMPv6

• ICMPv6为IPv6重新定义了消息类型。
• 新增类型包括：
  • Packet Too Big（类型2）
  • Unrecognized IPv6 Options（类型4）

5.7 网络管理与SNMP、NETCONF/YANG

5.7.1 网络管理框架概述

• 管理服务器（Managing Server）
  • 网络管理中心，负责数据收集、分析与命令下发。
• 被管理设备（Managed Device）
  • 包括主机、路由器、交换机等，设备具有可配置参数和运行状态。
• 设备数据（Device Data）
  • 包括配置数据（如IP地址）、运行数据（如邻居列表）、统计信息（如丢包数）。
• 网络管理代理（Agent）
  • 运行在被管理设备上的软件，与管理服务器通信并执行命令。
• 网络管理协议
  • 提供管理服务器与代理之间的通信机制，用于查询状态、控制设备、接收异常通知。

5.7.2 简单网络管理协议（SNMP）与管理信息库（MIB）

SNMPv3协议概述

• 应用层协议，用于管理服务器与代理之间交换控制与状态信息。
• 采用请求-响应模式：
  • GetRequest：获取一个或多个MIB对象值。
  • GetNextRequest：获取MIB对象列表中的下一个值。
  • GetBulkRequest：一次性获取大量数据。
  • SetRequest：设置MIB对象值。
  • Response：对请求的响应。
  • Trap：代理主动发送的异常事件通知。
• 通常通过UDP传输，无可靠保证，需管理服务器自行处理重传。

管理信息库（MIB）

• MIB对象表示设备的配置与运行状态。
• 示例：ipSystemStatsInDelivers表示成功交付给上层协议的IP数据报数量。
• RFC定义了标准MIB模块，厂商也可定义私有MIB。
• 常见MIB模块：
  • [RFC 4293]：IP与ICMP管理对象。
  • [RFC 4022]：TCP管理对象。
  • [RFC 4113]：UDP管理对象。

5.7.3 网络配置协议（NETCONF）与YANG

NETCONF协议功能

• 提供对设备配置的获取、修改、锁定、解锁等操作。
• 支持订阅设备事件通知。
• 使用XML格式的远程过程调用（RPC）进行通信。
• 基于安全连接（如TLS over TCP）。

NETCONF操作示例

• <get>：获取设备的运行与配置数据。
• <get-config>：获取指定配置（如运行配置）。
• <edit-config>：修改设备配置，如设置接口MTU。
• <lock> / <unlock>：锁定配置数据库，防止并发修改。
• <create-subscription>：订阅设备事件通知。

YANG数据建模语言

• 用于定义NETCONF使用的配置与状态数据结构。
• 支持内置数据类型与用户定义约束，确保配置一致性。
• 可生成描述设备能力的XML文档。
• 与SMI在SNMP中作用类似，但更强大灵活。

5.7.4 网络管理方式比较

• CLI命令行接口
  • 直接操作设备，但易出错，难以自动化与大规模部署。
• SNMP/MIB
  • 用于监控设备状态与统计信息，SetRequest用于配置但使用较少。
  • 安全性不足，曾主要用于监控而非控制。
• NETCONF/YANG
  • 强调配置管理，支持多设备原子操作。
  • 更适合大规模、自动化网络管理。
  • 是当前主流网络管理发展方向。## 5.8 总结
• 控制平面的两种构建方式：
  • 基于每台路由器的控制
    • 每个路由器独立运行路由算法。
    • 路由器之间相互通信以交换路由信息。
  • 基于逻辑集中式控制的SDN
    • 控制器集中计算并分发转发表。
    • 路由器仅负责数据转发。
• 路由算法基础
  • 两种核心算法：
    • 链路状态路由（Link-State）
      • 每个节点掌握全网拓扑信息。
      • 使用Dijkstra算法计算最短路径。
    • 距离向量路由（Distance-Vector）
      • 每个节点维护到其他节点的距离向量。
      • 通过邻居交换信息逐步更新路径。
• 实际应用
  • OSPF：基于链路状态的内部网关协议。
  • BGP：基于距离向量的外部网关协议，用于自治系统间通信。
• SDN控制平面
  • SDN控制器三层结构：
    • 通信层：与设备通信。
    • 网络状态管理层：维护网络状态。
    • 网络控制应用层：实现策略与转发规则。
  • OpenFlow协议：
    • 定义控制器与设备之间的通信。
    • 支持流表管理与数据包转发。
• 网络管理
  • ICMP协议：
    • 用于网络诊断与错误报告。
    • 如ping和traceroute。
  • SNMP协议：
    • 用于网络设备管理。
    • 支持GetRequest、SetRequest和Trap消息。
  • NETCONF/YANG：
    • 提供更现代的配置管理接口。
• 后续章节展望
  • 下一章将进入链路层，研究如何在本地网络中传输数据包。
  • 链路层任务虽然局部，但涉及多个关键技术如差错控制、介质访问控制等。

作业与思考题

复习题

5.1 节

• R1：基于每台路由器的控制平面是什么意思？“单体实现”指什么？
• R2：基于逻辑集中式控制的控制平面是什么意思？控制平面与数据平面是否在同一个设备中？

5.2 节

• R3：比较集中式与分布式路由算法，举例说明。
• R4：比较链路状态与距离向量路由算法。
• R5：距离向量路由中的“计数到无穷大”问题是什么？
• R6：是否每个自治系统都必须使用相同的内部路由算法？为什么？

5.3–5.4 节

• R7：为何Internet使用不同的内部和外部路由协议？
• R8：OSPF发送链路状态信息是否只发送给直接邻居？
• R9：OSPF中“区域”的概念及引入原因。
• R10：比较子网、前缀和BGP路由。
• R11：BGP中NEXT-HOP和AS-PATH属性的作用。
• R12：ISP如何通过BGP配置实现策略控制。
• R13：BGP接收路径后是否必须添加自身标识？

5.5 节

• R14：SDN控制器的通信层、状态管理层、应用层各自作用。
• R15：在SDN中实现新路由协议应在哪一层？
• R16：SDN控制器的北向和南向API传输哪些消息？
• R17：OpenFlow消息的类型及其作用（如Packet-In、Flow-Removed等）。
• R18：OpenDaylight中服务抽象层的作用。

5.6–5.7 节

• R19：四种ICMP消息类型。
• R20：Traceroute使用的两种ICMP消息。
• R21：SNMP中的管理服务器、被管设备、代理、MIB定义。
• R22：GetRequest和SetRequest消息的作用。
• R23：Trap消息的作用。

编程实验

ICMP Ping 实验

• 编写一个基于ICMP的Ping程序。
  • 发送ICMP Echo Request，接收Echo Response。
  • 计算RTT、丢包率、统计延迟（最小、平均、最大、标准差）。
  • 使用Python实现，仅需编写客户端。

路由协议模拟实验

• 实现一个异步分布式距离向量路由协议。
  • 每个节点维护距离表。
  • 初始化函数rtinitX()设置初始距离。
  • 更新函数rtupdateX()接收邻居信息并更新距离表。
  • 当路径变化时，向邻居发送更新信息。
  • 使用模拟环境调用tolayer2()发送路由更新包。

Wireshark 实验：ICMP

• 使用Wireshark抓包分析ICMP协议行为。
  • 观察ICMP Echo Request/Reply。
  • 分析Traceroute过程中的TTL超时和端口不可达消息。
  • 理解ICMP报文结构和网络诊断机制。### Wireshark 实验：ICMP
• 实验内容涉及使用Wireshark分析ICMP协议在ping和traceroute命令中的应用。
• 实验资源可在教材官网获取：www.pearsonhighered.com/cs-resources。

人物访谈：Jennifer Rexford

职业背景

• 普林斯顿大学计算机科学系教授。
• 1996–2004年任职于AT&T实验室，研究网络测量、流量工程与路由器配置。
• 曾获ACM Grace Murray Hopper奖、ACM Athena讲座奖、IEEE互联网奖等多项荣誉。
• 美国国家工程院院士（2014年入选）。

代表项目与挑战

• 设计了路由控制平台（RCP），实现对ISP骨干网的集中式路由管理。
• 在单台普通计算机上计算全网路由，并兼容传统路由器。
• 该项目为后续SDN技术的发展奠定了基础。

对SDN未来的看法

• SDN应提供更好的编程抽象，支持多个独立应用协同工作。
• 应简化底层细节（如流表项、包头格式等）。
• 分布式设备更新需有良好的抽象机制，便于管理员理解更新过程中数据包的行为变化。
• 强调跨学科研究：网络、分布式系统与编程语言的结合具有重要实践价值。

对网络与互联网未来的展望

• 网络技术持续演进，受智能手机、云计算、物联网等驱动。
• 未来网络应“隐形”地支持创新，不成为性能与部署的瓶颈。
• 需要从更高层次抽象网络设备与协议，关注用户整体目标。

受启发的人物

• Sally Floyd：国际计算机科学研究所研究员。
• 致力于解决互联网关键问题，推动研究成果进入标准与设备。
• 开发了广泛使用的网络模拟器ns-2与ns-3。
• 积极参与社区服务，影响深远。

给学生的建议

• 网络领域高度跨学科，涉及排队论、博弈论、控制理论、机器学习等多个方向。
• 建议学生掌握相关领域的知识或与专家合作，夯实网络研究基础。
• 注重系统设计与构建能力，通过操作系统、计算机体系结构等课程提升实践水平。

链路层与局域网

6.1 链路层概述

6.1.1 链路层的基本服务

• 链路层功能
  • 在两个相邻节点之间传输数据报。
  • 数据封装为帧（Frame），包含头部和数据部分。
  • 支持多种链路协议，如以太网、WiFi、PPP等。
• 多路访问问题
  • 多个节点共享广播信道时如何协调帧的发送？
• 链路层地址
  • MAC地址用于标识本地网络中的设备。

6.1.2 链路层实现位置

• 硬件实现
  • 网络适配器（NIC）负责帧封装、错误检测等。
• 软件实现
  • 主机操作系统处理链路层配置、地址解析等。

6.2 错误检测与纠正技术

6.2.1 奇偶校验

• 单比特奇偶校验
  • 添加一个比特使总“1”数为偶数或奇数。
  • 只能检测奇数个错误，不能纠错。
• 二维奇偶校验
  • 检测并纠正单比特错误。
  • 支持双比特错误检测。

6.2.2 校验和方法

• Internet 校验和
  • 将数据视为16位整数求和，取反码作为校验和。
  • TCP/UDP中使用，适用于低出错率链路。

6.2.3 循环冗余校验（CRC）

• 基本原理
  • 使用生成多项式G(x)，计算余数R作为冗余位。
  • 接收方通过除法判断是否出错。
• 特点
  • 可检测所有长度小于r+1的突发错误。
  • 广泛用于链路层，如Ethernet、PPP。

6.3 多路访问链路与协议

6.3.1 信道划分协议

时间划分（TDM）

• 每个节点分配固定时间槽。
• 无冲突，但效率低，无法动态适应流量变化。

频率划分（FDM）

• 将带宽划分为多个子频段。
• 类似TDM，资源固定分配。

码分多址（CDMA）

• 每个节点使用唯一编码传输。
• 支持同时传输，抗干扰能力强。
• 广泛用于无线通信。

6.3.2 随机访问协议

ALOHA 协议

• 纯ALOHA
  • 节点随时发送，碰撞后随机延迟重传。
  • 最大效率：1/(2e) ≈ 18%。
• 时隙ALOHA
  • 所有节点同步发送，效率更高。
  • 最大效率：1/e ≈ 37%。

CSMA（载波侦听多路访问）

• CSMA
  • 发送前侦听信道是否空闲。
• CSMA/CD
  • 检测到冲突立即停止发送。
  • 用于以太网，效率随传播延迟增加而下降。
• 退避算法
  • 使用二进制指数退避选择K值，避免持续冲突。

6.3.3 轮流协议

轮询协议

• 由主节点轮询各节点。
• 无冲突，但存在轮询延迟。
• 若主节点失效，整个系统瘫痪。

令牌传递协议

• 令牌在节点间循环。
• 无需主节点，但节点故障可能中断系统。
• 实例：IEEE 802.5 Token Ring。

6.3.4 DOCSIS协议（有线网络链路层）

• 下行与上行信道
  • 使用FDM划分频率。
  • 下行单一源（CMTS），无冲突。
  • 上行多节点共享，需冲突控制。
• MAP帧与Mini-slot
  • CMTS通过MAP消息分配发送时段。
  • 请求帧采用随机接入方式，可能冲突。
• 冲突处理
  • 未收到响应则认为冲突发生。
  • 使用二进制指数退避机制重传。

6.4 交换式局域网

6.4.1 局域网寻址与ARP

• MAC地址
  • 48位全球唯一地址，用于局域网内通信。
• 地址解析协议（ARP）
  • 将IP地址映射为MAC地址。
  • ARP缓存维护IP-MAC对应关系。

6.4.2 以太网技术

• 帧格式
  • 包含目标MAC、源MAC、类型、数据、CRC。
• CSMA/CD机制
  • 早期以太网使用，现代全双工环境下不再需要。
• 速率发展
  • 从10Mbps → 100Mbps → 1Gbps → 10Gbps演进。

6.4.3 交换机工作原理

• 自学习能力
  • 维护交换表（MAC地址→端口）。
• 转发决策
  • 根据目的MAC查找端口转发。
• 广播与泛洪
  • 未知MAC地址时广播帧。

6.4.4 VLAN虚拟局域网

• 逻辑隔离
  • 同一物理网络中划分不同广播域。
• VLAN标签
  • IEEE 802.1Q标准定义VLAN ID字段。
• 跨交换机通信
  • Trunk链路携带多个VLAN信息。

6.4.5 数据中心网络

• 高性能需求
  • 高带宽、低延迟、可扩展性。
• 结构设计
  • Fat Tree、Clos架构支持大规模并行通信。
• SDN集成
  • 控制平面集中化，提升灵活性与管理效率。## 6.4 交换式局域网

6.4.1 链路层寻址与ARP

MAC地址

• 每个网络接口（适配器）具有唯一的MAC地址，长度为6字节（48位），全球唯一。
• MAC地址结构扁平化，不随位置变化而改变。
• IEEE负责管理MAC地址空间，分配前24位给厂商，后24位由厂商自定义。

ARP协议

• 作用：将IP地址解析为对应的MAC地址。
• 工作原理：
  • 主机维护ARP表，包含IP地址与MAC地址的映射关系及TTL（生存时间）。
  • 若ARP表中没有目标IP对应的MAC地址，则发送ARP广播请求。
  • 接收方回应其MAC地址，发送方更新ARP表并继续发送数据帧。
• 广播机制：
  • ARP请求使用广播MAC地址 FF-FF-FF-FF-FF-FF 发送。
• 跨子网通信：
  • 数据包需先发送到路由器接口，再由路由器转发至目标子网。
  • 路由器通过ARP获取下一跳MAC地址。

6.4.2 以太网技术

以太网帧格式

• 字段说明：
  • 目标MAC地址（6字节）
  • 源MAC地址（6字节）
  • 类型字段（2字节）：指示上层协议（如IP、ARP等）
  • 数据字段（46–1500字节）
  • CRC校验码（4字节）
• 最大传输单元（MTU）：1500字节，超过则需分片。
• 最小数据字段长度：46字节，不足时填充。

以太网发展

• 速率演进：
  • 10 Mbps → 100 Mbps → 1 Gbps → 10 Gbps → 40 Gbps
• 物理介质支持：
  • 双绞线（如100BASE-TX、10GBASE-T）
  • 光纤（如1000BASE-LX）
• 拓扑结构演变：
  • 总线型拓扑（早期）
  • 集线器星型拓扑（Hub-based）
  • 交换机星型拓扑（Switched Ethernet）

CSMA/CD机制

• 适用场景：共享总线或集线器连接的以太网。
• 冲突检测与退避：
  • 发送过程中持续监听信道状态。
  • 冲突发生时立即停止发送，并发出拥塞信号。
  • 使用二进制指数退避算法重传。

6.4.3 链路层交换机工作原理

转发与过滤

• 交换机功能：
  • 转发：确定数据帧应从哪个端口输出。
  • 过滤：判断是否丢弃数据帧。
• 交换表（Switch Table）：
  • 包含MAC地址、对应端口、记录时间。
  • 初始为空，通过自学习动态构建。
  • 老化机制：若某MAC地址在设定时间内未出现，则删除该条目。

自学习机制

• 过程：
  1. 接收到数据帧后，记录源MAC地址与输入端口。
  2. 更新交换表。
  3. 查找目标MAC地址：
     • 若存在，转发至指定端口。
     • 若不存在，向除输入端口外的所有端口广播。

交换机优势

• 消除冲突：每个端口独立通信，无需竞争带宽。
• 异构链路支持：不同速率和介质可共存。
• 易管理性：
  • 支持流量监控、统计信息收集。
  • 可隔离故障设备（如异常发送大量帧的适配器）。

6.4.4 虚拟局域网（VLAN）

VLAN概念

• 目的：在同一物理网络中划分多个逻辑广播域。
• 实现方式：
  • 基于端口的VLAN：交换机端口被分配到不同VLAN。
  • 广播域隔离：仅同VLAN内的设备可接收到广播帧。

VLAN配置示例

• 单一交换机划分为EE（电气工程）与CS（计算机科学）两个VLAN。
• 端口2–8属于EE VLAN；端口9–15属于CS VLAN。

VLAN间通信

• 解决方案：
  • 连接外部路由器，使不同VLAN之间通过路由器通信。
  • 使用三层交换机（集成路由功能的交换机）。

VLAN Trunking（干线连接）

• 用途：连接多个支持VLAN的交换机。
• 机制：
  • 使用Trunk端口承载多个VLAN的数据。
  • 使用IEEE 802.1Q协议，在以太网帧中插入4字节的VLAN标签。
    • 标签包括：TPID（固定值8100）、VLAN ID（12位）、优先级字段（3位）。

VLAN类型扩展

• 基于MAC地址的VLAN：根据设备MAC地址划分VLAN。
• 基于网络协议的VLAN：如IPv4、IPv6、AppleTalk等。
• 跨IP路由器的VLAN扩展：实现广域范围的虚拟局域网。## 6.6 数据中心网络

6.6.1 数据中心架构

• 数据中心的三大作用
  • 提供内容（如网页、邮件、视频）
  • 支持大规模并行计算（如搜索引擎索引）
  • 提供云计算服务（如AWS、Azure）
• 成本构成
  • 主机：45%
  • 基础设施（UPS、冷却）：25%
  • 电力：15%
  • 网络设备与带宽：15%
• 主机结构
  • 使用标准化“刀片服务器”
  • 每机架20–40个主机
  • TOR交换机连接机架内主机与其他网络设备
  • 主机通常具有40/100 Gbps以太网连接
• 拓扑结构
  • 分层设计（接入路由器 → Tier-1交换机 → Tier-2交换机 → TOR交换机）
  • 所有链路使用以太网协议（铜缆或光纤）
  • 支持扩展至数十万主机
• 负载均衡器
  • 接收外部请求并分发至合适主机
  • 实现NAT功能，隐藏内部IP结构
  • 又称“四层交换机”，基于IP+端口进行转发决策
• 冗余设计
  • 所有关键设备和链路均支持冗余配置
  • 每个TOR可连接多个Tier-2交换机
  • 每个子网进一步划分为VLAN（每个包含数百台主机）
• 通信瓶颈问题
  • 不同机架间通信受限于共享链路容量
  • 例如：100G链路被40个流共享 → 每流仅2.5G
  • 解决方案：
    • 升级高速交换设备（成本高）
    • 同构部署相关服务（灵活性差）
    • 多路径互联（如图6.31）
• 多路径路由
  • ECMP（等价多路径）实现流量随机分配
  • 高级方案支持更细粒度负载均衡
  • 个别方案支持包级多路径路由

6.6.2 数据中心网络发展趋势

• 层级化互连网络
  • 采用Clos网络结构（源自电话交换理论）
  • 支持任意主机间通信
  • 多路径提高容量与可靠性
• SDN集中控制
  • Google、Microsoft、Facebook等采用逻辑集中式控制
  • 明确划分数据平面（简单交换设备）与控制平面（软件定义）
• 虚拟化支持
  • VM迁移需保持网络连接一致性
  • 数据中心统一为扁平二层网络
  • 修改ARP机制为DNS式查询系统
• 物理约束优化
  • 极低延迟环境（微秒级）
  • TCP等拥塞控制协议难以适应
  • 引入数据中心专用TCP变种、RDMA技术、调度理论优化
• 模块化与定制化
  • 集装箱式模块数据中心（MDC）
  • 支持快速部署与替换
  • 核心网络设计挑战大
  • 自研网络设备、协议、软件成为趋势
• 可用区（Availability Zone）
  • Amazon提出的数据中心异地备份方案
  • 多个数据中心位于附近建筑，实现数据同步与容错

6.7 回顾：一次网页请求的一生

6.7.1 初始阶段：DHCP、UDP、IP、以太网

• 获取IP地址
  • 发送广播DHCP请求
  • 路由器回复DHCP ACK
  • 获取IP、默认网关、DNS服务器信息
• 封装过程
  • DHCP消息 → UDP段 → IP数据报 → 以太网帧
• 学习交换机
  • 第一次发送后交换机记录MAC地址位置
  • 后续单播帧直接转发至目标端口

6.7.2 DNS与ARP

• 域名解析
  • 浏览器发起HTTP请求前需通过DNS解析域名
  • 创建DNS查询消息 → UDP段 → IP数据报 → 以太网帧
• 获取网关MAC地址
  • 已知IP但未知MAC → 发送ARP请求
  • 网关回应ARP应答 → 获取MAC地址
• 帧发送
  • 帧目的MAC为网关
  • 数据报目的IP为DNS服务器

6.7.3 域内路由至DNS服务器

• 路由转发
  • 学校路由器根据转发表将DNS请求转发至Comcast网络
  • Comcast内部路由器使用RIP/OSPF/IS-IS+BGP决定下一跳
• DNS响应返回
  • DNS服务器查找缓存中的www.google.com记录
  • 返回IP地址64.233.169.105
  • 响应数据报经原路径返回Bob的电脑

6.7.4 Web客户端-服务器交互：TCP与HTTP

• 建立TCP连接
  • 发送SYN段 → 目标端口80（HTTP）
  • 经学校、Comcast、Google网络到达目标服务器
  • 服务器响应SYNACK段 → 客户端完成三次握手
• 发送HTTP请求
  • 浏览器创建GET请求 → 封装进TCP段 → IP数据报 → 以太网帧
  • 请求最终送达www.google.com服务器
• 接收HTTP响应
  • 服务器生成HTML响应内容 → 封装发送回客户端
  • 客户端浏览器接收响应 → 解析HTML → 展示网页
• 涉及协议总结
  • DHCP：动态获取IP
  • DNS：域名解析
  • ARP：IP→MAC映射
  • TCP：可靠传输
  • HTTP：应用层协议
  • IP：路由寻址
  • 以太网：链路层协议## 6.8 总结
• 链路层基本服务
  • 将网络层数据报从一个节点传输到相邻节点。
  • 数据封装为帧，包含头部和数据部分。
• 链路类型多样性
  • 点对点链路：单发送者与单接收者。
  • 多路访问链路：多个发送者与接收者共享信道。
  • MPLS链路：逻辑“链路”可能本身是一个网络。
• 链路层关键技术
  • 错误检测与纠正
    • 奇偶校验、校验和、CRC（循环冗余校验）。
  • 多路访问协议
    • 信道划分（TDM、FDM）、随机访问（ALOHA、CSMA）、轮流机制（轮询、令牌传递）。
  • 链路层地址
    • MAC地址用于局域网内唯一标识设备。
    • ARP协议实现IP地址到MAC地址的映射。
  • 虚拟化技术
    • VLAN（虚拟局域网）实现广播域逻辑隔离。
  • 交换式网络构建
    • 局域网扩展、数据中心网络设计。
• 以太网的发展
  • 从10Mbps逐步演进至10Gbps。
  • 使用CSMA/CD机制（现代全双工环境下已不常用）。
• MPLS与数据中心网络
  • MPLS提供链路层服务，支持流量工程。
  • 数据中心网络采用高性能架构（如Fat Tree、Clos结构）并集成SDN技术。
• 协议栈学习总结
  • 完成物理层、链路层、网络层、传输层、应用层的学习。
  • 后续章节将探讨无线网络、网络安全和多媒体网络等跨层主题。### Wireshark实验：802.11与以太网
• 提供Wireshark实验用于分析IEEE 802.3以太网协议。
• 实验包括观察Wireshark中的帧格式。
• 另一个实验分析家庭网络环境下的数据包轨迹。

人物访谈：Albert Greenberg（微软Azure网络负责人）

职业背景

• 现任微软Azure网络副总裁。
• 负责微软数据中心与边缘网络、全球光纤与海底网络、FPGA与SmartNIC卸载、容器网络、CDN、边缘网络等。
• 曾发表VL2论文，推动云计算网络发展。
• 早年任职于贝尔实验室与AT&T实验室，是SDN架构先驱之一。
• 拥有达特茅斯学院数学学士与华盛顿大学计算机科学博士。

学术与荣誉

• 美国国家工程院院士、ACM会士。
• 获IEEE Koji Kobayashi计算机与通信奖、ACM Sigcomm奖、Test of Time论文奖。

为何选择网络领域

• 热爱解决实际问题并结合数学建模。
• 受Ed Lazowska（系统方向）与Richard Ladner、Martin Tompa（理论方向）影响。

对网络专业学生的建议

• 网络领域正变得更加多样化、包容和开放。
• 鼓励更多女性与技术少数群体加入。
• 技术背景多样化：架构、编程语言、光学、形式化方法、数据科学、AI、容错系统等。
• 开源系统如SONiC正在改变网络生态。
• 推崇SDN与硬件解耦（Disaggregation）带来的开放性。

职业生涯中最激动人心的项目

• 云计算是近年来最具挑战性的领域。
• 涉及操作系统、分布式系统、性能、安全、机器学习、数据科学、管理等全栈技术。
• SDN在构建大规模软件定义数据中心中起核心作用。

对未来网络的展望

• 云计算尚处于10%的发展阶段。
• 端到端系统中的计算与存储分配将变得更加关键。
• 边缘计算将推动“横向”扩展，形成更丰富的端到端生态系统。
• 5G将成为未来网络的重要组成部分。

职业生涯中的启发来源

• 来自客户与实际网络运维的反馈。
• 与工程师和研究人员的合作带来深刻洞察。
• 尤其赞赏那些精通系统全生命周期的技术人员。