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建议看 计算机网络核心概念(二)

简介: 这是《计算机网络》系列文章的第二篇文章
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传输时延和传播时延的比较

计算机网络中的传输时延和传播时延有时候难以区分,在这里解释一下,传输时延是路由器推出分组所需要的时间,它是分组长度和链路传输速率的函数,而与两台路由器之间的距离无关。而传播时延是一个比特从一台路由器传播到另一台路由器所需要的时间,它是两台路由器之间距离的倒数,而与分组长度和链路传输速率无关。从公式也可以看出来,传输时延是 L/R,也就是分组的长度 / 路由器之间传输速率。传播时延的公式是 d/s,也就是路由器之间的距离 / 传播速率。

排队时延

在这四种时延中,人们最感兴趣的时延或许就是排队时延了 dqueue。与其他三种时延(dproc、dtrans、dpop)不同的是,排队时延对不同的分组可能是不同的。例如,如果10个分组同时到达某个队列,第一个到达队列的分组没有排队时延,而最后到达的分组却要经受最大的排队时延(需要等待其他九个时延被传输)。

那么如何表征排队时延呢?或许可以从三个方面来考虑:流量到达队列的速率、链路的传输速率和到达流量的性质。即流量是周期性到达还是突发性到达,如果用 a 表示分组到达队列的平均速率( a 的单位是分组/秒,即 pkt/s)前面说过 R 表示的是传输速率,所以能够从队列中推出比特的速率(以 bps 即 b/s 为单位)。假设所有的分组都是由 L 比特组成的,那么比特到达队列的平均速率是 La bps。那么比率 La/R 被称为流量强度(traffic intensity),如果 La/R > 1,则比特到达队列的平均速率超过从队列传输出去的速率,这种情况下队列趋向于无限增加。所以,设计系统时流量强度不能大于1

现在考虑 La / R <= 1 时的情况。流量到达的性质将影响排队时延。如果流量是周期性到达的,即每 L / R 秒到达一个分组,则每个分组将到达一个空队列中,不会有排队时延。如果流量是 突发性 到达的,则可能会有很大的平均排队时延。一般可以用下面这幅图表示平均排队时延与流量强度的关系

微信图片_20220412185154.png

横轴是 La/R 流量强度,纵轴是平均排队时延。

丢包

我们在上述的讨论过程中描绘了一个公式那就是 La/R 不能大于1,如果 La/R 大于1,那么到达的排队将会无穷大,而且路由器中的排队队列所容纳的分组是有限的,所以等到路由器队列堆满后,新到达的分组就无法被容纳,导致路由器 丢弃(drop) 该分组,即分组会 丢失(lost)

计算机网络中的吞吐量

除了丢包和时延外,衡量计算机另一个至关重要的性能测度是端到端的吞吐量。假如从主机 A 向主机 B 传送一个大文件,那么在任何时刻主机 B 接收到该文件的速率就是 瞬时吞吐量(instantaneous throughput)。如果该文件由 F 比特组成,主机 B 接收到所有 F 比特用去 T 秒,则文件的传送平均吞吐量(average throughput) 是 F / T bps。

协议层次以及服务模型

因特网是一个复杂的系统,不仅包括大量的应用程序、端系统、通信链路、分组交换机等,还有各种各样的协议组成,那么现在我们就来聊一下因特网中的协议层次

协议分层

为了给网络协议的设计提供一个结构,网络设计者以分层(layer)的方式组织协议,每个协议属于层次模型之一。每一层都是向它的上一层提供服务(service),即所谓的服务模型(service model)。每个分层中所有的协议称为 协议栈(protocol stack)。因特网的协议栈由五个部分组成:物理层、链路层、网络层、运输层和应用层。我们采用自上而下的方法研究其原理,也就是应用层 -> 物理层的方式。

应用层

应用层是网络应用程序和网络协议存放的分层,因特网的应用层包括许多协议,例如我们学 web 离不开的 HTTP,电子邮件传送协议 SMTP、端系统文件上传协议 FTP、还有为我们进行域名解析的 DNS 协议。应用层协议分布在多个端系统上,一个端系统应用程序与另外一个端系统应用程序交换信息分组,我们把位于应用层的信息分组称为 报文(message)

运输层

因特网的运输层在应用程序断点之间传送应用程序报文,在这一层主要有两种传输协议 TCPUDP,利用这两者中的任何一个都能够传输报文,不过这两种协议有巨大的不同。

TCP 向它的应用程序提供了面向连接的服务,它能够控制并确认报文是否到达,并提供了拥塞机制来控制网络传输,因此当网络拥塞时,会抑制其传输速率。

UDP 协议向它的应用程序提供了无连接服务。它不具备可靠性的特征,没有流量控制,也没有拥塞控制。我们把运输层的分组称为 报文段(segment)

网络层

因特网的网络层负责将称为 数据报(datagram) 的网络分层从一台主机移动到另一台主机。网络层一个非常重要的协议是 IP 协议,所有具有网络层的因特网组件都必须运行 IP 协议,IP 协议是一种网际协议,除了 IP 协议外,网络层还包括一些其他网际协议和路由选择协议,一般把网络层就称为 IP 层,由此可知 IP 协议的重要性。

链路层

现在我们有应用程序通信的协议,有了给应用程序提供运输的协议,还有了用于约定发送位置的 IP 协议,那么如何才能真正的发送数据呢?为了将分组从一个节点(主机或路由器)运输到另一个节点,网络层必须依靠链路层提供服务。链路层的例子包括以太网、WiFi 和电缆接入的 DOCSIS 协议,因为数据从源目的地传送通常需要经过几条链路,一个数据包可能被沿途不同的链路层协议处理,我们把链路层的分组称为 帧(frame)

物理层

虽然链路层的作用是将帧从一个端系统运输到另一个端系统,而物理层的作用是将帧中的一个个 比特 从一个节点运输到另一个节点,物理层的协议仍然使用链路层协议,这些协议与实际的物理传输介质有关,例如,以太网有很多物理层协议:关于双绞铜线、关于同轴电缆、关于光纤等等。

五层网络协议的示意图如下

微信图片_20220412185200.png

OSI 模型

我们上面讨论的计算网络协议模型不是唯一的 协议栈,ISO(国际标准化组织)提出来计算机网络应该按照7层来组织,那么7层网络协议栈与5层的区别在哪里?

微信图片_20220412185205.png

从图中可以一眼看出,OSI 要比上面的网络模型多了 表示层会话层,其他层基本一致。表示层主要包括数据压缩和数据加密以及数据描述,数据描述使得应用程序不必担心计算机内部存储格式的问题,而会话层提供了数据交换的定界和同步功能,包括建立检查点和恢复方案。

网络攻击

在计算机高速发展的 21世纪,我们已经越来越离不开计算机网络,计算机网络在为我们带来诸多便利的同时,我们也会遭受一些网络攻击,下面我们就一起来认识一下网络中的攻击有哪些

植入有害程序

因为我们要从因特网接收/发送 数据,所以我们将设备与因特网相连,我们可以使用各种互联网应用例如微信、微博、上网浏览网页、流式音乐、多媒体会议等,网络攻击很可能在这时不知不觉的发生,通过在这些软件中植入有害程序来入侵我们的计算机,包括删除我们的文件,进行活动监视,侵犯隐私等。我们的受害主机也可能成为众多类似受害设备网络中的一员,它们被统称为 僵尸网络(botnet),这些攻击者会利用僵尸网络控制并有效的对目标主机开展垃圾邮件分发分布式拒绝服务攻击

大多数有害程序都具有自我复制(self-replicating)的功能,传播性非常强,一旦它感染了一台主机,就会从这台感染的主机上寻找进入因特网的其他主机,从而感染新的主机。有害应用程序主要分为两种:病毒(virus)蠕虫(worm),病毒是一种需要某种形式的用户交互来感染用户的计算机,比如包含了病毒的电子邮件附件。如果用户接收并打开感染病毒的电子邮件的话,就会以某种方式破坏你的计算机;而蠕虫是一种不需要用户交互就能进入计算机的恶意软件,比如你运行了一个攻击者想要攻击的应用程序,某些情况下不需要用户干预,应用程序就可能通过互联网接收恶意软件并运行,从而生成蠕虫,然后再进行扩散。

攻击服务器和网络基础设施

另一种影响较大的网络攻击称为拒绝服务攻击(Denial-of-Service Dos),这种网络攻击使得网络、主机、服务器、基础网络设施不能常规使用。Web 服务器、电子邮件服务器、DNS 服务器都能成为 Dos 的攻击目标。大多数因特网 Dos 攻击分为以下三类

  • 弱点攻击。这涉及向一台目标主机上运行的易受攻击的应用程序或操作系统发送制作精细的报文,如果适当顺序的多个分组发送给一个易受攻击的应用程序或操作系统,该服务器可能停止运行。
  • 带宽洪泛。攻击者通过网络向主机或服务器发送大量的分组,分组数量太多使得目标接入链路变得拥塞,使得合法分组无法到达服务器。
  • 连接洪泛。和上面的带宽洪范攻击性质相似,只不过这次换成了通过创建大量的 TCP 连接进行攻击。因为 TCP 连接数量太多导致有效的 TCP 连接无法到达服务器。

互联网中攻击最多的就属于带宽洪泛攻击了,可以回顾一下我们上面讨论的时延和丢包问题,如果某服务器的接入速率为 R bps,那么攻击者则需要向服务器发送大于 R bps 的速率来产生危害。如果 R 非常大的话,单一攻击源可能无法产生足够大的流量来伤害服务器,所以还需要产生多个数据源,这就是屡见不鲜的 分布式Dos(Distributed Dos,DDos) 。攻击者通过控制多个数据源并让每个数据源发送大量的分组来致使服务器瘫痪。如下图所示

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嗅探分组

今天许多用户通过无线设备接入因特网。例如 WiFi 连接的计算机或者使用蜂窝因特网连接的手持设备。在带来便利的同时也会成为易受攻击的目标。在无线传输设备的附近放置一台被动的接收机,该接收机就能够得到传输的每个分组的副本!这些分组中包含了各种敏感信息,例如口令、密码等,记录每个流经分组副本的接收机被称为分组嗅探器(packet sniffer)。分组嗅探也能够应用于有线环境中,可以用 Wireshark 实验来进行模拟

IP 伪装

生成具有任意源地址、分组内容和目的地址的分组,然后将这个分组传输到互联网中。这种将虚假源地址的分组注入因特网的能力被称为 IP 哄骗(IP spoofing)。为了解决这个问题,我们需要采用 端点鉴别,它是一种使我们能够确信真正源目的地的机制。我们后面会再探讨这些机制。

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