COMP5416 Week 01 Introduction 讲课总结
COMP5416 Week 01 讲课总结：Introduction
课程：COMP5416 / COMP4416 — Advanced Network Technologies 讲师：Prof. Vincent Gramoli（研究方向为分布式系统、区块链） 来源：W1-Introduction.pdf（76 页）+ Week 01 Lecture 字幕
本讲前 40 页左右是学校统一的安全 / 学术诚信 / 支持服务模板，考试不会考。下面把行政信息压缩成一节速查表，然后把真正的技术内容（分层网络 + 博弈论分析）展开讲。
一、课程组织与考核（行政速查）
1.1 时间与人员
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| Lecture | 每周四 17:00–19:00 |
| Lab / Tutorial | 按各自课表，Week 2 开始，到 Week 12；Week 13 只有复习 lecture，可能没有 lab |
| Unit coordinator & lecturer | Vincent Gramoli，办公室 J12-417 |
| Office hour | 周四 16:00–17:00（16:00–16:30 给 COMP4416，16:30–17:00 给 COMP5416） |
| Tutors | Niruth Bogahawatta、Yuxuan Yang |
| 提问渠道 | EdStem.org 讨论区，不要发邮件（老师明确说邮件会被淹没） |
| 提交 / 成绩 | Canvas；Ed 目前只用于讨论，不用于提交作业 |
| 录播 | 通过 Canvas 链接到 Echo 360；老师会尽量录，但设备偶发故障，仍建议到场 |
| 教材 | Computer Networking: A Top-Down Approach, 8th/9th ed., Kurose & Ross（slides 大量取自其配套材料） |
老师补充的两点：Lab 既可能是"用电脑写程序"，也可能是"回答问题"的 tutorial，都在同一个房间做；学期中有公共假日会撞掉周一的 lab，可能整体顺延一周以保证所有组进度一致。
1.2 考核构成
| 评估 | 时间 | 权重 | 覆盖范围 | 形式 |
|---|---|---|---|---|
| Midterm Quiz | Week 6 的 lab 时间，Canvas 上做 | 20% | W1–W6 | 个人独立；MCQ、True/False，可能多选；禁止用 AI，禁止交流 |
| Programming Assignment | Week 10 周五 23:59 截止 | 20% | W1–W10 | 编程（Python 3.X）、Wireshark 实验、计算、扩展作答 |
| Final Exam | 考试周 | 60% | W1–W13 全部 | 见下 |
必须记住的三条硬规则：
- 40% barrier：School of CS 政策，final exam 至少拿到 40/100 才可能通过本课。38 或 39 分自动 FAIL，无论平时分多高。这是必要非充分条件——同时还要总评 ≥ 50。
- 迟交扣分：每迟交一天（或不足一天按一天算）扣满分的 5%。5 天后计 0 分。例：作业占 40%，迟交 1 小时 → 上限 38%；迟交 28 小时（算 2 天）→ 上限 36%。老师说也可能改成"临近截止直接给统一延期、不再罚分也不再额外延期"。
- Special Consideration：生病或意外影响表现时走学校正式流程（专业医师签 USyd 表格 + 线上提交扫描件），申请窗口很短。Midterm 一般不会补考，而是直接忽略该项权重。
老师关于 final exam 的口头澄清（很有价值）：
- 所有题目分值加起来通常凑成 100 分，但题数 ≠ 100，单题可能多于 1 分。
- 题型：MCQ + short answer。
- 不会考手写代码。编程能力由 programming assignment 考察，本课不是编程课。但会考协议行为，例如"发一条 SMTP HELO 命令，应该收到什么响应码"。
- 编程作业的评分关注协议实现是否正确工作，不抠代码语法风格。
1.3 先修与投入
- 面向 CS 方向研究生，默认已有本科 CS 基础：会编程 + 懂数学即可，没有额外指定先修课。
- 编程一律用 Python 3.X；有 Java / C 背景的人上手无压力。
- 期望每周在课外额外投入 6–9 小时：做评估、预习复习、整合概念、练习自测。
- 每周至少查一次 Canvas。
1.4 学术诚信与 AI 使用
- 违规类型：Plagiarism（抄袭）、Collusion（不正当合作）、Recycling（重复提交已评分作业）、Fabricating information（编造数据 / 伪造引用）、Contract cheating（代写）、Exam cheating、Misuse of AI。
- 分级：minor breach / major breach / misconduct，处罚从扣分到挂科、停学、开除；国际学生可能影响学生签证。
- 生成式 AI：用于日常学习（讲解概念、做练习题、规划学习）是允许的；监考考试和期中测验一律禁止，除非 coordinator 明确允许；其他作业默认允许，除非明确禁止。本课 midterm quiz 明确禁止使用 AI。
- 代写机构（常伪装成"tutoring"）在澳洲属违法，罚款最高 $100,000 或监禁；学生端还面临被勒索、数据泄露等风险。
- 新生必修 Canvas 模块：Respect@Sydney、Academic Honesty Education Module (AHEM1001)、Engaging with Civility、Anti-Slavery Awareness。
二、Syllabus：13 周主线
| 周 | 主题 | 一句话说明 |
|---|---|---|
| 1 | Introduction | 分层模型 + 博弈论引子（本讲） |
| 2 | Performance | 时延、吞吐、复杂度分析 |
| 3 | Application | 应用层协议 |
| 4 | Peer-to-Peer | 每台机器同时扮演 server 和 client |
| 5 | Transport | 传输层通用机制 |
| 6 | TCP | 具体传输协议 |
| 7 | Multimedia | 多媒体网络 |
| 8 | Real time | 实时通信 |
| 9 | Wireless | 无线通信 |
| 10 | Security | 网络安全 |
| 11 | WiFi | 无线局域网 |
| 12 | Mobile | 移动网络 |
| 13 | Review | 全课复习 |
"Advanced" 在本课体现为三个维度：
| 维度 | 具体内容 |
|---|---|
| Facts / Knowledge | 信息 / 消息 / 比特是怎么被传输的？怎么让通信更高效？为什么协议要这样设计？ |
| Theory | 分析（协议正确性、复杂度）+ 数学工具 |
| Practice | Python 3.X 编程 + Wireshark 抓包实验 |
注意第三个问题"Why does it work in this way?"——本课很多考点不是背协议字段，而是解释设计动机。
三、分层网络（Layered Network）
3.1 为什么要分层
网络通信是一个巨大的问题。分层就是把大问题拆成子问题，每层只解决自己那一层的抽象。
关键直觉（老师原话）：越往下越具体，越往上越抽象。最底层 physical 是电压和光信号，最顶层 application 是用户看到的服务。
3.2 ISO/OSI 模型 vs 本课模型
- ISO：International Organization for Standardization
- OSI：Open Systems Interconnection
四种常见分层法的对照（slide 47）：
| ISO/OSI 模型（7 层） | 本课程（5 层） | 部分教材（4 层） | 其他叫法 |
|---|---|---|---|
| application | application | application | application process |
| presentation | (并入 application) | — | — |
| session | (并入 application) | — | — |
| transport | transport | transport | transport |
| network | network | network | internetwork / Internet |
| link | link | link | network interface |
| physical | physical | (省略) | hardware |
考点提示：本课采用 ISO/OSI 的术语（最经典），但认为 session 和 presentation 层不真正存在，或视为 application 层的一部分——它们是可选的，本课省略。同时本课保留 physical 层（有些教材会完全省掉）。做题时按五层答：application / transport / network / link / physical。
3.3 每一层回答什么问题
从上往下，每一层对应一个核心问题（slide 48）：
| 层 | 核心问题 |
|---|---|
| Application | How to provide network applications that satisfy users?（怎样提供让用户满意的网络应用） |
| Transport | How to provide end-to-end connections for programs running at different devices?（怎样为不同设备上的程序提供端到端连接） |
| Network | How to send message to non-adjacent nodes?（怎样把消息发给非直接相邻的节点） |
| Link | How to organize data transfer among adjacent network nodes?（怎样组织相邻节点间的数据传输） |
| Physical | How to transfer bits from one device to another?（怎样把比特从一台设备传到另一台） |
记忆钥匙：adjacent（link）→ non-adjacent（network）→ process-to-process（transport），这是三层的分界线。
3.4 Physical Layer
职责：在连接网络节点的物理链路上传输原始比特（raw bits）。
- 关心的是介质本身：电（铜缆）、光（光纤）等。
- 老师的具体解释：用电压随时间的波动来区分比特——有活动（高电平）表示
1，无活动（低电平）表示0。这就是"信息的物理形态"。
3.5 Link Layer
职责：相邻（neighbouring）网络元素之间的数据传输。三个典型功能：
| 功能 | 说明 | 例子 |
|---|---|---|
| Bit error detection | 检测传输中的比特翻转 | 发送方发 010101，接收方收到
010100 —— 传输过程中发生了 bit flip，link
层负责检测出来 |
| Medium access control (MAC) | 两个设备同时说话怎么办？ | 共享信道的仲裁问题——正是本讲第四节博弈论例子的背景 |
| Link-layer addressing | 怎么确认"这条信息是给你的" | 保证正确的接收者收到信息 |
3.6 Network Layer
职责：把分组从（任意）源路由并转发到（任意）目的地（routing and forwarding）。
- 不只在邻居之间，而是"邻居的邻居的邻居……"逐跳中继。
- 信息到达 switch / router 时怎么继续转发？要走最短路径而不是最长路径，这才高效。
- 核心问题：如何构造路由表（routing table），让分组沿最短路径走。
3.7 Transport Layer
职责：管理程序到程序（process-to-process）的数据传输。
老师的展开：一个进程通过 socket 收发信息。socket 是绑定在进程上的通信媒介，进程往里读写数据，就能和远端机器上的另一个进程通信；数据实际是向下穿过各层流经网络的。
对比记忆：network 层管的是机器到机器，transport 层管的是进程到进程。
3.8 Application Layer
职责：支撑网络应用（support network applications）。
老师举例：Chrome、（已停运的）Skype、YouTube / Netflix 流媒体、邮件（SMTP、POP）、在线游戏。他补了一句现实观察：如今几乎所有应用都是网络应用，因为一切都跑在云上。
3.9 Internet Protocol Stack：实际协议对照
slide 54 把抽象层和真实协议对上号：
| 层 | 典型协议 / 技术 |
|---|---|
| application | HTTP, FTP, SMTP, DNS, P2P, Video/Audio, SIP, RTP, MQTT, CoAP, QUIC |
| transport | TCP, UDP, MPTCP；以及跑在 TCP/UDP 之上的传输协议 |
| network | ← Multimedia networking（跨 app /
transport / network） ← Network support for multimedia |
| link | ← Wireless network（跨 physical / link / network / transport） |
| physical | 同上 |
两个老师特别点出的边界问题：
- QUIC 放在 application 层，但有时也被视为 transport 层协议。
- Multimedia 和 Wireless 都是跨层主题——它们不属于单独一层，而是横跨多层的设计问题。这也解释了 syllabus 里 Multimedia / Wireless / WiFi / Mobile 为什么单独成周。
四、网络分析实例：用博弈论看信道竞争
这是本讲唯一的技术推导，老师明确说 Lab 1 会做对应练习，且是"为什么理论有用"的示范。
4.1 问题场景
一个 access point，两个用户，各拿一部智能手机通过同一个无线信道与 AP 通信。
- 如果两人同时发送 → collision（碰撞），谁都不成功。
- 这是纯粹的浪费：消耗了资源（尤其对手机是耗电），却什么也没传成。
把"发 / 不发"分别记作 on / off，收益表（slide 58）：
| 情况 | User 1 的收益 | User 2 的收益 |
|---|---|---|
| 1 off, 2 off | 0 | 0 |
| 1 on, 2 off | 10 | 0 |
| 1 off, 2 on | 0 | 10 |
| 1 on, 2 on | −5 | −5 |
为什么是负数：碰撞时不仅没通信成功，还白白消耗了资源（发射功率、时间），所以比什么都不做还糟，收益严格为负。而独占信道成功通信时收益严格为正（这里取 10，具体数值不重要）。
关键转折：在 cellular network 里，运营商可以公平调度用户 1 和用户 2。但在很多其他场景里，用户是自私的（selfish）——没有中央调度者。这时就需要博弈论。
4.2 Game Theory 是什么
Mathematical models of conflict and cooperation between intelligent rational decision-makers.
- rational（理性） 的含义：如果改变策略能让自己获益，用户一定会改。
- 传统上大量用于经济学问题。
- 用在网络上的动机：不想浪费力气发送一个收不到的信号——对移动设备/手机来说这是能量浪费。
4.3 Prisoner's Dilemma（囚徒困境）
设定：黑帮两名成员被捕，分别关押、无法互相通信。每人两个策略：confess（坦白） 或 keep silent（沉默）。
结果规则：
- 两人都坦白 → 各服刑 5 年
- 两人都沉默 → 各服刑 1 年
- 一人坦白、一人沉默 → 坦白者当场释放，沉默者服刑 10 年
收益矩阵（元组为 (A, B) 的
utility，行为 B 的决策，列为 A 的决策）：
| (A, B) utility | A: Confess | A: Keep silent |
|---|---|---|
| B: Confess | (−5, −5) | (−10, 0) |
| B: Keep silent | (0, −10) | (−1, −1) |
4.4 Nash Equilibrium（纳什均衡）
定义：一个策略组合满足 —— 没有任何一方能通过单方面改变自己的策略而获益。
用囚徒困境验证 (Confess, Confess) = (−5, −5)：
- 若 A 单方面改为沉默 → 落到 (−10, 0)，A 从 −5 变成 −10，更差 → A 不会改。
- 若 B 单方面改为沉默 → 落到 (0, −10)，B 从 −5 变成 −10，更差 → B 不会改。
- 双方都没有改变动机 ⇒ (Confess, Confess) 是 Nash Equilibrium。
再看 (Keep silent, Keep silent) = (−1, −1)：
- 从社会总量看这是最优的：总刑期只有 2 年，而其他三格总刑期都是 10 年。
- 但只要有一方单方面改为坦白，收益从 −1 变成 0，更好 → 一定会改。
- ⇒ 不是 Nash Equilibrium。
这就是"困境"所在：协作产生的最优解恰恰不是均衡点，因此极难达成——每个人都被"改一下能多拿"的诱惑拉走。
4.5 回到信道问题：纯策略分析
把同样的框架搬到无线信道（slide 69，元组为 (1, 2) 的
utility，行为 2 的决策，列为 1 的决策）：
| (1, 2) utility | 1: Transmit | 1: Keep silent |
|---|---|---|
| 2: Transmit | (−5, −5) | (0, 10) |
| 2: Keep silent | (10, 0) | (0, 0) |
逐格检查：
| 状态 | 是否 NE | 理由 |
|---|---|---|
| 都 Transmit → (−5,−5) | 否 | 任一方改为沉默即从 −5 升到 0 |
| 1 Transmit, 2 silent → (10,0) | 是 | 1 改则 10→0 变差；2 改则 0→−5 变差 |
| 1 silent, 2 Transmit → (0,10) | 是 | 对称同理 |
| 都 silent → (0,0) | 否 | 任一方改为发送即从 0 升到 10 |
⇒ 存在两个 Nash Equilibria。
为什么这仍然不理想：两个 NE 都要求"某一方永远沉默"。现实中两个对等的自私设备无法协调由谁牺牲，而且这对被牺牲方不公平。
4.6 混合策略（Mixed Strategy）
解法：允许每个玩家做概率性决策（老师的比喻：掷硬币，按结果决定发不发；实际靠伪随机数生成器）。
- User 1：以概率
发送，以概率 沉默 - User 2：以概率
发送，以概率 沉默
四种组合的发生概率：
| 事件 | 概率 |
|---|---|
| 两人都发送 | |
| 1 发送、2 沉默 | |
| 1 沉默、2 发送 | |
| 两人都沉默 |
User 1 的期望效用（把每格收益乘以概率再求和）：
后两项为 0，化简为：
4.7 自私情形：
把
代入
结论：只要对方取
于是没有任何一方有改变的动机 ⇒
直觉：自私的用户会把发送概率抬到 2/3 这么高，结果碰撞频繁，大部分时间都在失败，净收益归零。
4.8 协作情形：
如果用户不自私，可以共同选择
验算：
对称地
4.9 结果对比
| 情形 | 解 | 效用 |
|---|---|---|
| Selfish users（Nash Equilibrium） | (0, 0) | |
| Cooperative users（最优解） | (5/3, 5/3) |
这就是本讲的核心洞见：自私导致的均衡（发送太频繁）严格劣于协作最优解。降低发送概率、并让发送时刻随机化（不能总在同一时刻发），反而让双方都赚到正收益。
4.10 老师对现实性的补充（课堂问答）
学生问"现实中真有这种机制吗"，老师的回答值得记：
- 真实的无线协议里确实有防碰撞策略（如 CSMA 类机制、由 provider 控制的接入策略），来缓解碰撞影响。
- 但这里的模型是高度简化的：现实中碰撞未必导致收益完全为 0，可能还有部分比特能传过去。
- 这个例子的目的是演示分析方法，说明即使设备无法同步、共享同一信道、必然面临碰撞，也能用数学推出有效的通信策略。
五、考点重点
- 五层模型：会按本课口径答 application / transport / network / link / physical；知道 ISO/OSI 有 7 层，而 session 与 presentation 被并入 application 或视为不存在。
- 每层的核心问题：能一句话说清 adjacent（link）/ non-adjacent（network）/ process-to-process（transport）的分界。
- Link 层三大功能：bit error detection、medium access control、link-layer addressing。
- Network 层：routing + forwarding，routing table 与最短路径。
- Transport 层：socket 是进程与网络之间的接口；管的是 process-to-process 而非 host-to-host。
- 协议归层：HTTP/FTP/SMTP/DNS/SIP/RTP/MQTT/CoAP/QUIC → application；TCP/UDP/MPTCP → transport；注意 QUIC 的归属有争议，Multimedia 与 Wireless 是跨层主题。
- Nash Equilibrium 定义：没有任何一方能通过单方面改变策略而获益。要会在 2×2 矩阵里逐格验证。
- 囚徒困境：(Confess, Confess) 是 NE；(Silent, Silent) 社会最优但不是 NE——这就是 dilemma。
- 混合策略计算（最可能出计算题）：
- 会写期望效用
； - 会整理成
，令系数为 0 解出对手的均衡概率 ； - 会对
求导解出协作最优 ，并算出效用 5/3； - 记住结论对比：自私 (2/3, 2/3) → (0,0)；协作 (1/3, 1/3) → (5/3, 5/3)。
- 会写期望效用
- 概念性问题：为什么碰撞的收益是负数（浪费资源，比不发还差）；为什么两个纯策略 NE 仍不理想（需要一方永远牺牲，自私对等设备无法协调）。