Network Connectivity

1. Important terminologies

1) Link 设备连接的连线。Link本身既可以是有线的，也可以是无线的。

2) Node 设备。电脑，笔记本电脑，手机都可以是Node。

3) Point-to-point 连接的设备只有两个。

4) Multiple access 连接的设备两个以上。多个设备同时去存取的这样一个Link。

5) Switched Network

-> Circuit Switched 通讯之前线路必须建立起来。有实实在在的实体线路，线路可能经过多个交换机，将双方连接起来    

-> Packet Switched 传送资料时，将资料分割成一个个packge（封包），将每一个封包丢到网络中去进行switch，也就是说，资料进行交换的单位是packet。

6) Message 原始的资料。比较大，比较长。

Packet 是 message 经过分割后的单元。如果将太大太长的资料直接丢到网络中去的话，网络可能无法处理。

7) Store-and-forward

网络的设备在处理packge时，通常将其先收起来(store)，收起来之后再看看这个packge到底要送给谁（我们在网络上收到packge时，一定要看看这个packge到底要送给谁，注意，资料上会有这个packge是谁送的以及送给谁的信息），因此我们需要去查表（这个表在router或者switcher里都会有），查表之后我们就会知道这个封包如果要送到某个destination的话，需要从哪个port出去。总结下，就是，先将封包(packge)store，然后查表得知从哪个port出去，再将封包(packge)转出去(forward)。每一个封包进来，网络设备（如路由器）的处理都是：收-查-转。

交换机与路由器的端口(port)通常很多，有的十来个，有的二十多个，有的甚至100多个。如果一下子有很多封包进来的话，实际上对设备存在着很大的考验。封包是存放在设备的memory里，如果封包进来的速度很快，会不会因为memory不够大导致来不及存储从而导致封包loss；还有，封包进来的速度很快，但是由port转出去的速度较慢（port有自己的传送速率，比如以太网一般稍快，无线较慢）也会导师封包loss（从快速的Link上收到大量的封包，当这些封包想要转到慢速的网络上去时，会出现问题。也就是进来的封包量太大，来不及消化，那么必须queue起来，放在所谓的buffer里（记忆体里），但是如果进来的还是太快，消化的还是太慢，那么queue就会爆掉，封包无法完全保留，就会开始掉封包）

8) Hosts 主机。

9) Switches

交换机。一般来说，交换机是layer2的设备。但是也会有layer3，layer4的交换机。网络上一般会有很多交换机，我们通常将其接成有回路的状态，因为在网络运作时，回路可以增加网络的可靠性。例如，网络上某一个link断掉，或者某一个交换机荡掉，此时，我们并不希望网络因此就被断掉或隔离开来。

但是，回路本身在package传送时，也会造成两个问题。一是，因为有回路，我们的package可能在网络上绕好几圈，甚至可能会收到好几次。第二个是，package在传输时，会做address learning，学习host到底在什么地方，如果有回路的话，会让address learning错误，这个以后再讲。

10) Spanning tree

为了让网络在运作时，暂时先不要有回路，网络会先建构成一个Spanning tree的结构。下图中红色的link部分就是一个Spanning tree。 

                       图1 A switched network

在一个树状结构中，任意两个Node之间都有唯一的路径。这个路径就是我们package走的路径。因此Spanning tree本身就提供了我们routing的路径。

图1，是一个switched network，我们是用交换机将很多主机连接起来的。这样一个网络我们还是称其为区域网络，因为它是局限在一个比较小的区域内的。而我们整个Internet是非常大的，我们需要将全世界都连接起来。

11) internetwork

如果将很多网络连接起来，就是所谓的internetwork，互联网。也就是将许多网络再连接起来，其中每一个网络都是图1那样的网络。

12) Router/gateway

将网络连接起来的设备就是router或者gateway。

                   图2 Interconnection of networks

用router将许多网络连接起来的就是internetwork，在我们的现实世界中，就是Internet。

13) Host-to-host connectivity

将两个可能在非常远的地方的host，用网络连接起来。它们中间的连接就是所谓的host-to-host connectivity。

14) Address

每一台电脑或者每一个网卡，都必须有一个位置，我们称之为address。因为只要这样我们才能知道它到底是谁，它在哪。

网卡的address 叫作 mac address。

主机的address 叫作 IP address。

15) Routing

在Internet上，我们怎样找到一条路径，将我的package送给对方。

16) Unicast/broadcast/multicast

送出去的package分为Unicast/broadcast/multicast。

Unicast指package只给特定的对象。

multicast指package丢给多个对象。

broadcast指package丢给所有对象。broadcast一般只在一个区域网络中形成。router一般会把broadcast挡掉，不然你一个broadcast，要把全世界都瘫痪掉了。

17) LAN (Local Area Networks)

18) MAN (Metropolitan Area Networks)

19) WAN (Wide Area Networks)

2. How datagrams are delivered in an Internet ?

，资料包，又称数据包、数据报、数据电报、数据段，在封包交换网络(package switched network )中的最小传输资料单元。

RFC_1594对资料包的定义如下：一个自我完备的独立资料实体，携带着足够的资讯，它能够从源头，选取路径，最终到达目的电脑，而不用依赖起始电脑、目的电脑以及传输网络预先交换的资讯。（摘自wikipedia）

        图3 How datagrams are delivered in an Internet ?

网络的状态随时在改变，一次封包传送的路径并不是固定的。router之间可以进行信息的交换，这样就可以知道哪边快一点，哪边拥塞等等。

router有将大封包分割成小封包的能力。为什么要分割成小封包呢？因为每一个网络都有一个封包上限值，对于不同的网络其值是不同的。例如对于以太网，封包上限值为1518个byte，而无线网络是2312个byte。如果我们的封包比较大，要进入一个网络时，发现大封包进不去，那就只好将其切成小封包。

切成小封包的做法是将其内容切成小片段，而对于切割后的每个小片段还是要将其包成封包的样子。举例来说，假设你要寄一封信，但是信件内容过多超重了，那么我们自然会将信件分成多封寄出去。但是对于信件的分割来说，我们只是将其内容进行分割，分割后的每一封信仍然需要有完整的信封。当然每一封信件不能超重啦（对于封包来说，就是不能超过要传送的网络的封包上限值）。此后，经分割后的每一封信件，都可以由不同的邮差经过不同的路线，送达给目的地（对于分割后的封包来说，可以由不同的路线送达destination）。

先送的封包，可能在Internet上绕来绕去，反而较晚到达destination；而后送的封包，可能选择了一条没有阻塞的路径，很快就到达了destination。因此先送未必先到。

更严重的是，可能封包在Internet中绕来绕去，最终却绕不出去。比如，网络一会再这边塞，一会在那边塞，就有可能发生这种情况。因此我们有这样一种机制：任何一个封包在网络上绕的时候，每经过一个router（注意：绕来绕去都是靠router），封包本身有一个数字会减1，当减到0时，就将该封包扔掉。因此Internet本身是unrelible的，你丢给它一个封包，它只是尽可能帮我们送达给对方，不排除封包会掉的可能。

封包会掉的一种原因就是上面所提的，封包在网络中绕太久绕不出去，router被丢掉。甚至更简单的原因可以是，一个router连接两个速度不用的网络，比如一个是lan，速度较快，一个是wan，速度较慢。那么如果从lan送进router的封包量比较大，而从router出去的速度又比较慢，那封包一定会暂时存储起来，因为来不及送出去。那么如果存起来的时间太久，或者是说进来的流量太大都不成比例了，那么router最后会留不住封包，因为router内存会满，那么就会把封包drop掉。因此Internet本身是不可靠的，它是尽可能(best effort)帮我们传送，但是万一封包被网络所丢掉，那么所谓的unreliable就意味着封包丢掉就是丢掉了。到目前为止，我们的Internet都是这样的。

如果我们要传送的封包很重要，就要自己想办法保证送到。而TCP是可以做到的(reliable)，这个后面再讲。

3. Cost-Effective Resource Sharing（网络上的资源如何做有效的共享？）

1) Resource: links and nodes

     图4 Multiplexing multiple logical flows over a single physical link

图4中，交换机之间的绿色的link就属于需要共享的resource，而router和switch也属于nodes，也属于resource。

2) How to share a link ?

a) Multiplexing

多路复用（Multiplexing，又称“多工”）是一个和领域的专业，在没有歧义的情况下，“多路复用”也可被称为“复用”。多路复用通常表示在一个上多路或的过程和技术。（摘自wiki） 

FDM: Frequency Division Multiplexing（频分复用）

例如此图，将频宽分成4份，也就是有4个频道，每个频道的频宽只有原来的1/4，但是这4个用户可以同时传送封包，只是速度慢些而已。每个用户都有专用的频道。我们将frequency分割(devide)了，因此称为频分。

Synchronous Time-division Multiplexing (TDM 时分复用)

将时间进行devide，不同的user在不同的时段传送封包（此处，每个时段user用的都是整个link的频宽）。

注意：无论FDM还是TDM都是Multiplexing的技术，但是其最大的问题就是：万一负载不平衡，比如有些用户想送的资料很多，而有些用户想送的很少，甚至没有，即使这样，频道或者时段也是不可以借用的（开始分配好，就固定下来了），因此效率还是比较差的。

那有没有技术，使得传的少的能借资源给传的多的呢？请看Statistical Multiplexing。

b) De-multiplexing Multiplexing的逆过程

c) Statistical Multiplexing（统计多工）

还是这张图，多个station共用中间那条用绿色粗线标记的Link。

-> Data is transmitted based on demand of each flow.

-> What is a flow?

flow，即为流量。其定义并不是固定的。flow可以是两个host之间所有的流量，也可是仅仅是两个应用比如skype之间的流量

-> FIFO, Round-Robin, Priorities (Quality-of-Service (QoS))

这些机制被交换机所运用。

FIFO：先进先出。每个host都有封包进来，先进的封包先出去，用的是link的所有频宽。当大家负载都差不多大的时候，大家所使用的资源是平均的。当有些用户负载较小时，当其送完，那么频宽就可以都给负载大的用户使用了，是相对公平的做法。

Round-Robin：每个用户的封包进入交换机后，都有一个queue。每个queue轮流送封包出去。公平。

Priorities：还可以为queue设立优先级，优先级高的先送。例如，视讯会议此类需要先送封包，保证了QoS的服务。而FDM，TDM此类是不会管这个的。

-> Congested ?（拥塞？）

肯定会掉封包，但是掉哪个，会有具体的策略，以后再说。

4. Logical Channels

两个host之间建立连线，属于Logical Channels，因为不会有实实在在的物理连线，而且封包传送时一般走的也是不同的path。

 

5. Network Reliability

Network should hide the errors.

1) Bits are lost

-> Bit errors (1 to a 0, and vice versa)

-> Burst errors – several consecutive errors

我们的资料在传送时，是一个bit一个bit传送的，而我们传送bit的link一般为同轴电缆，光纤或者无线。同轴电缆用电压高低表示0和1，容易受电场干扰，发生错误；光纤用光的亮度强弱表示0和1；而无线用电磁波强弱表示0和1，容易受电磁波干扰，发生错误。

2) Packets are lost (Congestion)

3) Links and Node failures

    link可能会断，node，例如router，如果停电或者设备故障，会荡掉

4) Messages are delayed

    封包在网络中绕来绕去，本身就delay了

5) Messages are delivered out-of-order

    封包在网络中绕来绕去，送达的顺序可能不一致，会有先送后到或者后送先到的情况发生。

6) Third parties eavesdrop

    我们的封包都是遵循 Store-and-forward 的机制，也就是说要先store，只要是存在记忆体中，就有可能被第三方所篡改。

Network Architecture

1. Example of a layered network system

我们先来看一个例子，将网络结构较为简单的、粗糙的分为4层，如下图：

最下面的是Hardware，也就是所谓的硬体层，一般是网络设备或者连线的设备，有link、网卡、理由器等等，我们将下面的整个网络都简化到一个所谓的Hardware。

在Hardware上面的一层是Host-to-Host Connectivity。由于我们网络的目的是能够让两端的主机能够连接，那我们在Hardware的上一层就可以想象成，我们有两个主机要连接起来做通讯，因此叫Host-to-Host Connectivity，表示两台主机之间可以做通讯。

而我们的主机上同时又会run很多应用，每一个应用可能会建好几个connection，变成process与process之间的通讯。因此Host-to-Host Connectivity的上一层是Process-to-process Channels.

而最上面的才是所谓的Application Programs.

2.  Protocols

在分层的概念下，一个很重要的元素或者一种很重要的机制就是Protocols，协议（或者叫作通讯的协定）。

那么为什么需要Protocol呢？这是因为我们的网络，是将很多不同的主机或者设备连结起来，那么当我的资料送给对方时，他要如何才能看得懂我送的资料？换句话说，我们要让主机与主机之间能够沟通，沟通就是要把封包扔给对方，那你封包扔给对方，对方为什么能看得懂？因此我们之间封包的格式需要一致。不仅仅是格式一致，封包通讯的流程也要正确，比如你丢给我第一个封包，我看到之后要回你什么封包，你看到我回的封包后要再回我什么封包。因此我们必须要制定Protocol，即双方通信的协议。大家都遵守这个协议的话，才可以通讯。如果你没有遵循这个协议的话，我送给你的资料你可能会看不懂，或者解读错误。

1) Protocol defines the interfaces between

-> the layers in the same system and with

-> the layers of peer system

2) Protocols are building blocks of a network architecture

3) Each protocol object has two different interfaces

-> Service interface: operations on this protocol

-> Peer-to-peer interface: messages exchanged with peer

4) Protocol Specification （协议规格）

pseudo-code（伪代码）

state transition diagram（状态转换图）

message format（信息格式）

注意：即使有明确的协议规格，各个公司或者工程师将其实现时（写成程序），通常也是不同的。当两个或多个实现能够互通时，我们称之为 Interoperable。

5) Interoperable

when two or more protocols that implement the specification accurately

6) IETF: Internet Engineering Task Force

Define Internet standard protocols

协议太多，我们需要有专门的组织来制定标准

3. Protocol Architecture

4. Encapsulation

5. OSI Architecture

将网络功能分成7层。

Physical Layer（实体层）

两台主机之间如何传送资料给对方？通过有线或者无线的媒介，如同轴电缆、光纤等。因此Physical Layer主要讨论的是如何将讯号（二进制）送给对方。

Data Link Layer（数据链路层）

将资料送到destination通常会经过很多网络，Data Link Layer 讨论的是如何将资料(frame)往前送一步，例如，中间有很多router，每送给一个router，就会依靠Data Link Layer。

需要注意的是，如果同一局域网中的一台主机要和另一台主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。而在TCP/IP协议中，网络层和传输层只关心目标主机的IP地址。因此我们需要一种方法，根据目的主机的IP地址，来获得其MAC地址。这就是ARP协议要做的事情。

所谓地址解析（address resolution）就是主机在发送帧(frame)前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。 另外，当发送主机和目的主机不在同一个局域网中时，即便知道目的主机的MAC地址，两者也不能直接通信，必须经过路由转发才可以。所以此时，发送主机通过ARP协议获得的将不是目的主机的真实MAC地址，而是一台可以通往局域网外的路由器的MAC地址。于是此后发送主机发往目的主机的所有帧，都将发往该路由器，通过它向外发送。这种情况称为ARP代理（ARP Proxy）。（摘自wiki）

注意：ARP是网络层的协议，但工作在数据链路层。

因此，我在一开始提到的，Data Link Layer 讨论的是如何将 frame 往前送一步是指：如果发送方和接收方在同一个区域网络（lan） 中，那么下一步就是指接收方（ sender 所填写的 mac address 就是receiver的mac address），如果不在同一个区域网络，则下一步是指 router（sender所填写的mac address 就是 router 的 address ）。

Network Layer（网络层）

讨论如何将一个封包(package)送给对方，即送到最远的那个destination，比 Data Link Layer 更远。Data Link Layer 是送一段，而 Network Layer 是送整条路线。

注意：通常，我们的host在接到router之前，中间可能会接触到我们的区域网络（lan），就以下图的Ethernet为例来说，

我们真正的连接是：主机接交换机，交换机接交换机，最后才是交换机接路由器。通常，Switch（这边指Layer 2 的 Switch）只处理 Data Link Layer 的 Protocol，而 Router 和 Host 都是处理 IP 的。而 Switch 根本不处理 IP ，或者说不处理 Network Layer 的 header 。当 package 往下送的时候，每一个 Ptotocol 为了与对方（Peer）沟通，必须将自己与对方沟通的资料添加在 Package 的 Header 里。（注意：Switch 根本不会处理 Network Layer 的 Protocol 的 Header，在此处，Switch 只会去处理我们图中的 Ethernet 的 Protocol 的 Header）

Switch 处理的是 Data Link Layer 的 Header，也就是说会去查看 mac address，也就是网卡的地址（主机接到交换机一定有一个网络口，里面会有一个网卡，现在的笔电一般网卡都是内置的），根据 mac address 就会知道 package 发往哪边。mac address 是网卡对网卡，而 IP 是主机对主机。

Transport Layer（传输层）

每一台主机会run很多不同的应用，比如browser，skype，online game，档案传输等等，每个应用本身在使用网络时会有不同的需求。例如，在做档案传输时，那网络一定要非常可靠（因为档案的内容不容有错）；如果在看一个vedio(such as YouTube)，YouTube的这个封包在传送时，如果稍微有点错，我们是可以忍受的，因为人的听觉和视觉没有灵敏到一点点错就可以察觉。

Transport Layer 就是负责将资料传送给对方，既可以是可靠的，也可是不可靠的。

6. Description of Layers

1. Physical Layer (如何将原始资料在 link 上传输)

-> Handles the transmission of raw bits over a communication link

a）Coaxial cable（同轴电缆）

b）Twisted pair （双绞线）

c）Optical Fiber （光纤）

d）Air space (wireless radio channel)

-> Different Signal Coding schemes

此处的 Coding 是指如何将bit（0或者1）在 Link 上呈现出来。铜线可以使用高低电位，光纤可以使用光的明暗。下图所示的就是电位。

用高低电位来分别表示1和0，就是一种 Coding 。但是实际上也没有我们想象的这么简单，如果一段很长的资料传过来，上面都是1，那么通通都是高电位，看起来就是一条直线。那么接收方看到的就是高电位拉上来的一条线，根本无法知道有多少个bit传送过来了。

因此每个电位还拥有一个 bit time 的属性，也就是图中电位的宽度。发送方在传送资料时，不仅要把0,1用高低电位表示出来，同时还得把自己发送的clock 隐藏在传送的信息中，接收方会抓出这个 clock ，之后根据这个 clock 用相同的速度来读取资料。之所以要把发送方要将自己的 clock 传送给对方，是因为每台电脑都有自己的clock（石英振荡器），各自石英振荡器的 clock 虽然很准，但是仍然会有误差，而这个误差是会累积的。因此，绝对不可以你用你的 clock 发送，我用我的 clock 接收。接收方必须把发送方的 clock 解读出来。（注释：也就是不能仅仅规定一个高电位或者低电位的 bit time 是多少，因为两边的 clock 解读同一个时间长度是会有误差的。也就是说，不仅要确定一个电位的时间宽度，还得确定以什么速度去接收，两边必须一致。clock 实际上代表了速度）