專欄

計算機網路

計算機網路概述（上）

計算機網路基本概念

什么是計算機網路？

計算機網路=通訊技術+計算機技術

• 計算機網路是通信技術與計算機技術緊密結合的產物

• 通信系統模型：

• 計算機網路就是一種通信網路

• 定義：計算機網路就是互聯的、自治的計算機集合

• 自治-無主從關系

• 互連：互聯互通

  • 通信鏈路

• 距離遠、數量大如何保證互聯？

• 通過交換網路互聯主機

什么是Internet？-組成細節角度

• 全球最大的互聯網路

  • ISP(Internet Service Provider)網路互聯的“網路之網路”

• 數以百萬計的互聯計算設備集合

  • 主機(hosts)= 端系統(end systems)
  • 運行各種網路應用

• 通信鏈路

  • 光纖，銅纜，無線電，衛星…

• 分組交換：轉發分組（資料包）

  • 路由器(routers)和交換機(switches)
    

什么是Internet？-服務角度

• 為網路應用提供通信服務的通信基礎設施：
  • Web，VoIP，email，網路游戲，電子商務，社交網路，…
• 為網路應用提供應用編程介面（API）：
  • 支持應用程式“連接”Internet，發送/接收資料
  • 提供類似于郵政系統的資料傳輸服務

問題

• Q：僅有硬體（主機、鏈路、路由器…）連接，Internet能否順暢運行？能保證應用資料有序交付嗎？…
• A：No！
• 還需要協議！

什么是網路協議？

協議是計算機網路有序運行的重要保證

• 硬體（主機、路由器、通信鏈路等）是計算機網路的基礎
• 計算機網路中的資料交換必須遵守事先約定好的規則
• 如同交通系統

任何通信或資訊交換程序都需要規則

人類交談：

• 詢問時間
• 請假問題
• 人員引薦

…發送特定訊息

…采取特定“動作”

網路通信：

• 通信主體是“機器”而不是人
• 交換“電子化”或“數字化”資訊
• 計算機網路的所有通信程序都必須遵循某種/些規則——協議

網路協議定義

• 網路協議(network protocol)，簡稱為協議，是為進行網路中的資料交換而建立的規則、標準或約定
• 協議規定了通信物體之間所交換的資訊的格式、意義、順序以及針對收到資訊或發送的事情所采取的“動作” （actions）

協議的三要素

• 語法（Syntax）
  • 資料與控制資訊的結構或格式
  • 資訊電平
• 語意（Semantics）
  • 需要發出何種控制資訊
  • 完成何種動作以及做出何種回應
  • 差錯控制
• 時序（Timing）
  • 事件順序
  • 速度匹配

協議是計算機網路的重要內容

• 協議規范了網路中所有資訊發送和接收程序
  • e.g.，TCP，IP，HTTP，Skype，802.11
• 學習網路的重要內容之一
• 網路創新的表現形式之一
• Internet協議標準
  • RFC：Request for Comments
  • IETF：互聯網工程任務組（Internet Engineering Task Force）

計算機網路結構

• 網路邊緣：
  • 主機
  • 網路應用
• 接入網路，物理介質：
  • 有線或者無線通信鏈路
• 網路核心（核心網路）：
  • 互聯的路由器（或分組轉發設備）
  • 網路之網路

網路邊緣

• 主機（端系統）：

  • 位于“網路邊緣”
  • 運行網路應用程式
    • 如：Web，email

• 客戶/服務器(client/server)應用模型：

  • 客戶發送請求，接收服務器回應
  • 如：Web應用，檔案傳輸FTP應用

• 對等(peer-peer,P2P)應用模型：

  • 無（或不僅依賴）專用服務器
  • 通信在對等物體之間直接進行
  • 如：Gnutella，BT，Skype，QQ

接入網路

Q：如何將網路邊緣接入核心網（邊緣路由器）？

A：接入網路

• 住宅（家庭）接入網路
• 機構接入網路（學校，企業等）
• 移動接入網路

用戶關心的是：

• 帶寬（bandwidth）（bps）？
• 共享/獨占？

接入網路：數字用戶線路（DSL）

• 利用已有的電話線連接中心局的DSLAM
  • 資料通信通過DSL電話線接入Internet
  • 語音（電話）通過DSL電話線接入電話網
• < 2.5 Mbps上行傳輸速率（典型速率 < 1 Mbps）
• < 24 Mbps下行傳輸速率（典型速率 < 10）
• FDM：> 50 kHz - 1MHz用于下行
  • 4 kHz - 50 kHz用于上行
  • 0 kHz - 4kHz用于傳統電話

接入網路：電纜網路

頻分多路復用：在不同頻帶（載波）上傳輸不同頻道

• HFC：混合光纖同軸電纜（hybrid fiber coax）
  • 非對稱：下行高達30Mbps傳輸速率，上行為2Mbps傳輸速率
• 各家庭（設備）通過電纜網路 -> 光纖接入ISP路由器
  • 各家庭共享家庭至電纜頭端的接入網路
  • 不同于DSL的獨占至中心局的接入

典型家庭網路的接入

機構（企業）接入網路（Ethernet）

• 主要用于公司、搞笑、企業等組織結構
• 典型傳輸速率：10Mbps、100Mbps，1Gbps，10Gbps
• 目前，端系統通常直接連接以太網交換機（switch）

無線接入網路

• 通過共享的無線接入網路連接端系統與路由器
  • 通過基站（base station）或稱為“接入點”（access point）

無線局域網（LANs）：

• 同一建筑物內（30m）
• 802.11b/g（WiFi）：11Mbps、54Mbps傳輸速率

廣域無線接入：

• 通過電信運營商（蜂窩網），接入范圍在幾十公里
• 帶寬：1Mbps、10Mbps、100Mbps
• 3G、4G：LTE
• 移動互聯網
  

網路核心

• 互聯的路由器網路
• 網路核心的關鍵功能：路由 + 轉發
  

網路核心解決的基本問題

• Q：如何實作資料從源主機通過網路核心送達目的主機？
• A：資料交換
  

Internet結構

Internet結構：網路之網路

• 端系統通過接入ISP（access ISPs）連接到Internet
  • 家庭、公司和大小ISPs
• 接入ISP必須進一步互連
  • 這樣任意兩個主機才可以互相發送分組
• 構成復雜的網路互聯的網路
  • 經濟和國家政策是網路演進的主要驅動力
• 當前Internet結構
  • 無人能給出精準描述

Q：數以百萬計的接入ISP是如何互連在一起的呢？

可選方案：每個接入ISP直接彼此互連？

可選方案：將每個接入ISP連接到一個國家或全球ISP（Global ISP）？

但是從商業角度，必定有競爭者…，這些ISP網路必須互連

…可能出現區域網路（regional networks）連接接入ISP和運營商ISP

…內容提供商網路（content provider networks，如：Google，Microsoft等）可能運行其自己的網路，并就近為端用戶提供服務、內容

因此出現了

• 在網路中心：少數互連的大型網路
  • “一級”（tier-1）商業ISPs（如：網通、電信、Sprint、AT&T），提供國家或國際范圍的覆寫
  • 內容提供商網路（content provider network，如：Google）：私有網路，連接其資料中心與Internet，通常繞過一級ISP和區域ISPs

網路核心

資料交換—電路交換

為什么需要資料交換

• N2鏈路問題
• 連通性
• 網路規模
  

交換

• 動態轉接
  
• 動態分配傳輸資源
  

資料交換的型別

• 電路交換
• 報文交換
• 分組交換

電路交換的特點

• 最典型電路交換網路：電話網路
• 電話交換的三個階段：
  • 建立連接（呼叫/電路建立）
  • 通信
  • 釋放連接（拆除電路）
• 獨占資源
  

電路交換網路的鏈路共享

電路交換網路如何共享中繼線？

——多路復用（Multiplexing）

多路復用

• 多路復用（multiplexing），簡稱復用，是通信技術中的基本概念
  

多路復用（multiplexing）：

? 鏈路/網路資源（如帶寬）劃分為“資源片”

• 將資源片分配給各路“呼叫”（calls）
• 每路呼叫獨占分配到的資源片進行通信
• 資源片可能“閑置”（idle）（無共享）

典型多路復用方法：

• 頻分多路復用（frequency division multiplexing-FDM）
• 時分多路復用（time division multiplexing-TDM）
• 波分多路復用（Wavelength division multiplexing-WDM）
• 碼分多路復用（Code divison multiplexing-CDM）

頻分多路復用FDM

• 頻分多路復用的各用戶占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬（單位：Hz）而不是資料的發送速率）
• 用戶在分配到一定的頻帶后，在通信程序中自始至終都占用這個頻帶

時分多路復用TDM

• 時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀），每個用戶在每個TDM幀中占用固定序號的時隙

• 每用戶所占用的時隙是周期性出現（其周期就是TDM幀的長度）
  

• 時分復用的所有用戶是在不同的時間占用相同的頻帶寬度
  

波分多路復用WDM

• 波分復用就是光的頻分復用

碼分多路復用CDM

• 廣泛應用于無線鏈路共享（如蜂窩網，衛星通信等）
• 每個用戶分配一個唯一的m bit碼片序列（chipping sequence），其中“0”用“ -1 ”表示、“1”用“ +1 ”表示，例如：
  • S站的碼片序列：（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）
• 各用戶使用相同頻率載波，利用各種碼片序列編碼資料
• 編碼信號 =（原始資料）*（碼片資料）
  • 如發生位元1（+1），則發送自己的m bit碼片序列
  • 如發生位元0（-1），則發生該碼片序列的m bit碼片序列的反碼
• 各用戶碼片序列相互正交（orthogonal）

• 令{di}為原始資料序列，各用戶的疊加向量為

• 解碼：碼片序列與編碼信號的內積

碼分多路復用編/解碼舉例

多用戶碼分多路復用編/解碼舉例

資料交換—報文、分組交換(1)

報文交換（message switching）

• 報文：源（應用）發送資訊整體
  • 比如：一個檔案
    

分組交換（package switching）

• 分組：報文分拆出來的一系列相對較小的資料包
• 分組交換需要報文的拆分與重組
• 產生額外開銷

分組交換：統計多路復用（Statistical Multiplexing）

存盤-轉發（store-and-forward）

• 報文交換與分組交換均采用存盤-轉發交換方式

• 區別：

  • 報文交換以完整報文進行“存盤-轉發”
  • 分組交換以較小的分組進行“存盤-轉發”

• 哪種交換更好呢？

資料交換—報文、分組交換(2)

報文交換 vs 分組交換

分組交換：傳輸延遲

發送主機：

• 接收應用報文（訊息）
• 拆分為較小長度為 L bits的分組（packets）
• 在傳輸速率為R的鏈路上傳輸分組
  

有這么一個場景來對比，兩個主機通過兩個路由器連接在一起，現在有一個報文M發送到目的主機：

• 報文交換：
  • 報文長度為M bits
  • 鏈路帶寬為R bps
  • 每次傳輸報文需要M/R秒
• 分組交換：
  • 報文被拆分為多個分組
  • 分組長度為L bits
  • 每個分組傳輸時延為L/R秒

例：

• M=7.5Mbits，L=1500bits
  • M=5000L
• R = 1.5Mbps
• 報文交換：
  • 報文交付時間= ？ sec
• 分組交換：
  • 報文交付時間= ？ sec

由該場景可以得出，分組交換報文交付時間比報文交換報文交付時間短，況且，分組交換只需要1.5M的路由器快取，而報文交換需要至少7.5M的路由器快取，由此可知分組交換相比報文交換有很多優點，也因此現代網路尤其是計算機網路，也包括一些資料通信網路主要都采用分組交換技術，

分組交換的報文交付時間

• 報文：M bits
• 鏈路帶寬（資料傳輸速率）：R bps
• 分組長度（大小）：L bits
• 跳步數：h
• 路由器數：n
  

資料交換—報文、分組交換(3)

例題1.1

• 在下圖所示的采用“存盤-轉發”方式的分組交換網路中，所有鏈路的資料傳輸速率為100 Mbps，分組大小為1 000 B，其中分組頭大小為20 B，若主機H1向主機H2發送一個大小為980 000 B的檔案，則在不考慮分組拆裝時間和傳播延遲的情況下，從H1發送開始到H2接收完為止，需要的時間至少是多少？
  

• 【解】980 000 B大小的檔案需要分1000個分組，每個分組1 000 B，H1發送整個檔案需要的傳輸延遲為(980 000+20 * 1000) * 8/100 000 000 = 80ms；根據路由選擇基本原理，所有資料分組應該經過兩個路由器的轉發，所以再加上最后一個分組的兩次轉發的傳輸延遲，即2 * 1000 * 8/100 000 000 = 0.16ms，所以，H2收完整個檔案至少需要80+0.16 = 80.16ms，

分組交換 vs 電路交換

• 例：
• 1 Mb/s鏈路
• 每個用戶：
  • “活動”時需100 kb/s
  • 平時活動時間10%
• 電路交換：
  • 10用戶
• 分組交換：
  • 對于35個用戶，大于10個用戶同時活動的概率==<0.0004==
• 分組交換允許更多用戶同時使用網路！——網路資源充分共享

分組交換絕對優于電路交換？

• 適用于突發資料傳輸網路
  • 資源充分共享
  • 簡單、無需呼叫建立
• 可能產生擁塞（congestion）：分組延遲和丟失
  • 需要協議處理可靠資料傳輸和擁塞控制
• Q：如何提供電路級性能保障？
  • 例如，音/視頻應用所需的帶寬保障