1-计算机网络概述

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1.1-计算机网络基本概念

1.1.1-什么是计算机网络

计算机网络 = 通信系统 + 计算机技术

计算机网络是通信技术与计算机技术紧密结合的产物

通信系统模型：

计算机网络就是一种通信网络

定义：

计算机网络就是一个互连的、自治的计算机的集合。

自治：计算机之间没有主从关系

互连：互联互通

在主机太多时，我们引入交换网络互连主机，其中交换节点称为路由器或交换机

1.1.2-什么是Internet

计算机角度：

• 全球最大的互联网络

• Internet通过ISP（Internet Service Provider）网络互连成为网络之网络

• 百万互连的设备的集合

  • 主机（hosts） = 端系统（end systems）
  • 这些主机都能运行各种网络应用

• 通信链路：卫星、无线电、光纤、、、

• 分组交换：数据的分组转发

服务角度：

• 为网络应用提供通信服务的通信基础设施
• 为网络应用提供API

问题：

Q：仅有硬件（主机、链路、路由器……）连接，Internet能否顺畅运行？能保证应用数据有序交付吗？

A：不能，我们还需要网络协议

1.1.3-什么是网络协议

硬件（主机、路由器、通信链路等）是计算机网络的基础

计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则

定义：

网络协议(network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

协议规定了通信实体之间所交换的消息的格式、意义、顺序以及针对收到信息或发生的事件所采取的“动作”（actions）

协议三要素：

1. 语法（Syntax）：
   • 数据或控制信息的结构或形式
2. 语义（Semantic）：
   • 需要发送何种控制信息
   • 完成什么动作，做出什么反应
   • 差错控制
3. 时序（Timing）：
   • 事件顺序
   • 速度匹配

意义：

1. 协议规范了网络中所有信息发送和接收过程
   • e.g., TCP, IP, HTTP,Skype,802.11
2. 学习网络的重要内容之一
3. 网络创新的表现形式之一
4. Internet协议标准
   • RFC文档：request for comments
   • IETF：互联网工程项目组

1.2-计算机网络结构

1.2.1-计算机网络结构

结构上：

1. 网络边缘：主机、网络应用
2. 接入介质、物理介质：有线、无线通信介质
3. 网络核心：中继路由设备如交换机、路由器

网络边缘

构成：主机（端系统）

CS模型：客户发出请求，服务器响应请求，如web应用和FTP应用

P2P模型（对等应用模型）：无专用服务器，通信在对等实体之间直接通信，如QQ、Skype

接入网络

接入网络要解决的问题

Q：如何将网络边缘接入核心网？

A：接入网络

• 家庭接入网络
• 机构接入（学校、公司
• 移动接入

用户关心：

• 带宽（bandwidth）：每秒能传输多少信息
• 接入方式：独占/共享

eg：数字接入网络

• 利用已有的电话线连接中心局的DSLAM

  • 数据通信通过DSL电话线接入Internet

  • 语音（电话）通过DSL电话线接入电话网

• $<$ 2.5 Mbps上行传输速率（典型速率<1 Mbps)

• $<$ 24 Mbps下行传输速率（典型速率<10)

• FDM:

  • 50KHz - 1MHz 下行
  • 4 kHz - 50 kHz用于上行
  • 0 kHz - 4 kHz用于传统电话

eg: 电缆网络

HFC:混合光纤同轴电缆（hybrid fiber coax）

• ”非对称:下行高达30Mbps传输速率，上行为2Mbps传输速率

各家庭（设备）通过电缆网络一光纤接入ISP路由器

• 各家庭共享家庭至电缆头端的接入网络

• 不同于DSL的独占至中心局的接入

家庭接入网络

企业接入网络

主要用于公司、高校、企业等组织机构

典型传输速率：10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps

目前，端系统通常直接连接以太网交换机（switch )

无线接入网络

通过共享的无线接入网络连接端系统与路由器

• 通过基站（base station）或称为“接入点”（access point）

网络核心

关键功能：路由 + 转发

路由：确定分组从源到目的传输路径

转发：将分组从路由器的输入端口交换到正确的输出端口

网络核心通过数据交换实现了数据从源发送到目标

1.2.2-Internet结构

网络之网络：由很多网络互连的网络。

端系统通过接入ISP连接到Internet，接入ISP之间必须互连，构成复杂的网络互连的网络

ISP如何连接

• 每个ISP之间彼此互连

• 全球性ISP
  • 

• IXP（Internet Exchange Point）：ISP网络之间的交换节点

• 区域ISP

  • 用户先接入区域ISP再连接全球ISP

• 内容提供商网络
  • 如Google、微软

就近地为附近用户提供服务

结构

1.3-网络核心

数据交换：解决了如何将数据从源主机传输到目标主机的问题

$$N^2$$链路问题

如果主机数量特别大，主机距离特别远，那么效率就会很低。复杂度为$$\frac{N(N-1)}{2}$$

这时候就需要交换网络

动态转接

动态地在物理或逻辑上建立端口连接，将一个端口数据转移到另一个端口

电路交换

例子：电话网络

特点：

• 三个阶段：

  • 电路建立（呼叫）
  • 通信（说话）
  • 释放连接（挂电话）

• 独占资源：即时不说话，连接也会被占用

多路复用

多路复用（Multiplexing），简称复用

通信链路的传输能力远大于一路的传输能力，可以多路共享一个技术

基本原理：将信道资源划分成资源片，将资源片分配给各路呼叫，每路呼叫独占分配到的资源片进行通信。

典型多路复用算法

• 频分多路复用FDM
  • 在频率上进行划分
  • 有线电视网络
  • 每个用户占用自己的频率，分配后始终占用这个频带

• 时分TDM

  • 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每个用户在每个 TDM帧中占用固定序号的时隙，每个时隙允许用户发送数据。
  • 每个用户占用时隙周期性出现
  • 

• 波分WDM

  • 光通信中光的频分复用

• 码分CDM
  • 用于无线链路共享（蜂窝、卫星通信）
  • 每个用户分配一个唯一的mbit码片序列(chipping sequence)，其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示
  • 各个用户使用相同频率的载波，利用各自码片序列编码序列
  • 编码序号 = 原始数据 $$\times$$ 码片序列

    • 如发送比特 1（+1），则发送自己的mbit码片序列

    • 如发送比特 0（-1），则发送该码片序列的mbit码片序列的反码

  • 各个用户的码片序列相互正交：$$\frac{1}{m}{\mathbf{S}}_i\cdot {\mathbf{S}}_j=\{\begin{array}{ll}1,& i=j\\ 0,& i\ne j\end{array}\frac{1}{m}{\mathbf{S}}_i\cdot {\overline{\mathbf{S}}}_j=\{\begin{array}{cc}-1,& i=j\\ 0,& i\ne j\end{array}$$
  • 

报文交换与分组交换

报文：源应用发送信息整体

分组交换：源主机将报文拆分成较小的数据包。需要拆分重组、产生额外开销

存储转发

报文交换和分组交换都采用存储转发方式，只是数据包大小不同。

分组交换比报文交换更快、更灵活

例题

解：

1.4-计算机网络性能

速率

数据率/比特率：数据传输速率

单位时间内传输数据流量，单位 bps、kb/s、mb/s

速率往往是额定速率

带宽

• 信号构成中最高频率和最低频率只差，单位Hz

• 数字信道能传输的最大数据率，单位bps

延迟

• 节点处理延迟：

  • 差错检测
  • 确定输出链路
  • 通常小于ms级

• 排队延迟

  • 等待输出链路可用
  • 取决于路由器拥挤度

• 传输延迟L/R

  • 分组长度L, bits
  • 链路带宽R,bps

• 传播延迟

  • 传播距离
  • 介质

时延带宽积

$$时延带宽积=传播延迟\times 带宽$$

丢包

• 队列缓存容量有限

• 分组到达已满队列将被丢弃(即丢包)

• 丢弃分组可能由前序结点或源重发（也可能不重发）

吞吐量

表示在发送端与接收端之间传送数据速率(b/s)

• 即时吞吐量:给定时刻的速率

• 平均吞吐量:一段时间的平均速率

吞吐量取决于传输链路上的瓶颈链路

1.5-计算机网络体系结构

计算机体系结构是从功能上描述计算机网络结构，简称分层结构，每层遵循网络协议完成本层功能。

计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合

OSI模型

目的是支持异构网络系统的互联互通的理论模型

数据传输过程中层层封装

其中添加了控制信息（构造协议数据单元PDU），如地址信息，协议控制、差错检测、安全控制

物理层

解决了单一比特传输问题

• 接口特性：机械、电气、功能、规程

• 比特编码

• 数据率：与介质有关

• 比特同步：时钟同步技术

• 传输模式

  • 单工（Simplex）：电视
  • 半双工（half-duplex）：可以双向但是只能交替进行
  • 双工（Duplex）：双向同时收发数据，一般采用独立两个信道

数据链路层

解决了物理链路直接相连的相邻节点之间的数据传输，以帧为单位传输

• 负责**节点-节点（Node-to-node）**数据传输

• 组帧（Framing）：组成一个数据帧，让接收端能成功切分数据

• 物理寻址：在帧头增加发送端/接收端的物理地址标识数据

• 流量控制：匹配发送端和接收端的速度，避免淹没接收端

• 差错控制：检测并重传顺坏、丢失帧，避免重复帧

• 介入访问控制

网络层

负责源主机到目的主机数据分组（packet）的交付

• 可能跨越多个网络

• 逻辑寻址：全局唯一的逻辑地址（IP），保证正确送达

路由Routing：

• 路由器互连网络，分组至目的主机

传输层

从会话层得到数据，然后传给网络层

负责 源——目的（端到端）（进程间）完整报文传输

• 分段与重组

• SAP寻址：确保将完整报文传给进程如端口号

• 流量控制（部分）

• 连接控制（第一个端到端层）

• 差错控制（差错编码、差错纠正）

会话层

对话控制（dialog controlling）：建立维护会话

同步（sync）：插入同步控制点，可以恢复会话

功能最少

表示层

• 解决两个系统交换信息的**语法和语义（syntax and semantics）**问题

• 数据表示转化，大端数、小端数

• 加密解密、压缩解压缩

应用层

应用根据不同协议处理数据

支持用户通过用户代理或网络接口使用网络

如：HTTP、FTP、SMTP

TCP / IP 参考模型

大部分模型都基于 TCP、UDP 模型，所有应用都建立在 IP 之上，IP 可以应用到各式各样网络。

5层参考模型

综合 OSI 和 TCP/IP

• 应用层：FTP、SMTP、HTTP

• 传输层：TCP、UDP

• 网络层：IP

• 链路层：以太网、WiFi、PPP

• 物理层：比特传输

最后

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