計算機網路概述

什么是計算機網路？

計算機網路=通信技術+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

計算機網路就是一種通信網路

定義：計算機網路就是互連的、自治的計算機集合

自治-無主從關系

互連-互聯互通

距離遠、數量大如何保證互連？---通過交換網路互連主機

什么是 Internet？

組成細節角度

全球最大的互聯網路---ISP 網路互連的“網路之網路

數以百萬計的互連的計算設備集合: 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)

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

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

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

什么是網路協議?

• 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訊息的格式、意義、順序以及針對收到資訊或發生的事件所采取的“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
  • 信號電平
• 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

如何將網路邊緣接入核心網（邊緣路由器）?

• 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: 帶寬(bandwidth)和(bps)共享/獨占

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 -1 MHz 用于下行
  • 4 kHz -50 kHz 用于上行
  • 0 kHz -4 kHz 用于傳統電話

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 2 Mbps 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

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：1 Mbps、10 Mbps、100Mbps
  • 3G、4G: LTE
  • 移動互聯網 to Internetto Internet12

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
  • 路由(routing):確定分組從源到目的傳輸路徑
  • 轉發(forwarding): 將分組從路由器的輸入埠交換至正確的輸出埠

Internet 結構

• 端系統通過接入 ISP（access ISPs ）連接到 Internet
  • 家庭、公司和大學 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
• 構成復雜的網路互連的網路
  • 經濟和國家政策是網路演進的主要驅動力
• 當前 Internet 結構？
  • 無人能給出精確描述
  • 因為他的狀態是在不斷地發生變化

計算機網路之網盡其用主講人：李全龍 Q: 數以百萬計的接入 ISP 是如何互連在一起的呢？

直接互連不適用于大規模網路:O(N2)連接問題

將每個接入 ISP 連接到一個國家或全球 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

• 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

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

資料交換的型別有電路交換，報文交換和分組交換

電路交換的特點

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

電路交換網路通過多路復用（Multiplexing）實作共享中繼線？

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 division multiplexing-CDM)4

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（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

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）

波分多路復用

波分復用就是光的頻分復用

碼分多路復用

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 mbit 碼片序列(chippingsequence)，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，利用各自碼片序列編碼資料

編碼信號=(原始資料)×(碼片序列)

• 如發送位元 1（+1），則發送自己的 mbit 碼片序列
• 如發送位元 0（-1），則發送該碼片序列的 mbit 碼片序列的反碼

各用戶碼片序列相互正交(orthogonal)

解碼: 碼片序列與編碼信號的內積

資料交換—報文、分組交換

報文：源（應用）發送資訊整體,比如一個檔案

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

統計多路復用

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”

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Lbits 的分組（packets）,在傳輸速率為 R 的鏈路上傳輸分組

報文交換 vs 分組交換

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 Lbits,每個分組傳輸時延為 L/R 秒

在這里涉及到快取需要被考慮，顯然路由器在分組交換是要小于報文交換的

設： 報文: Mbits 鏈路帶寬（資料傳輸速率）: Rbps，分組長度（大小）: Lbits，跳步數: h，路由器數：n

則分組交換：T=M/R+(h-1)L/R=M/R+nL/R

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，平均活動時間 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

但是分組交換絕對優于電路交換？答案是不一定的

分組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，但可能產生擁塞（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

計算機網路性能

速率即資料率(data rate)或稱資料傳輸速率或位元率(bit rate),速率往往是指額定速率或標稱速率

• 單位時間（秒）傳輸資訊（位元）量
• 計算機網路中最重要的一個性能指標
• 單位：b/s（或 bps）、kb/s、Mb/s、Gb/s
• k=10^3、M=106、G=10^9

帶寬”(bandwidth)原本指信號具有的頻帶寬度，即最高頻率與最低頻率之差，單位是赫茲（Hz）,網路的“帶寬”通常是數字信道所能傳送的“最高資料率”，單位：b/s (bps),常用的帶寬單位:kb/s （10^{3b/s）,Mb/s（10}6b/s）,Gb/s（10^{9b/s）,Tb/s（10}12b/s）

分組交換為什么會發生丟包和時延?分組在路由器快取中排隊,分組排隊，等待輸出鏈路可用,分組到達速率超出輸出鏈路容量時,如果快取滿，到達分組被丟棄-丟包(loss)5

四種分組延遲

• 結點處理延遲（nodal processing delay）
  • 差錯檢測
  • 確定輸出鏈路
  • 通常< msec(很小很小)
• 排隊延遲（queueingdelay）
  • 等待輸出鏈路可用
  • 取決于路由器擁塞程度
• 傳輸延遲（transmission delay）
  • L: 分組長度(bits)
  • R: 鏈路帶寬(bps)
  • 傳輸延遲=L/R
• 傳播延遲（propagation delay）
  • d: 物理鏈路長度
  • s: 信號傳播速度(~2×108m/sec)
  • 傳播延遲= d/s

排隊延遲

R:鏈路帶寬(bps)，L:分組長度(bits)，a: 平均分組到達速率，流量強度（traffic intensity）= La/R

• La/R~ 0: 平均排隊延遲很小
• La/R -> 1: 平均排隊延遲很大
• La/R > 1: 超出服務能力，平均排隊延遲無限大！

時延帶寬積
時延帶寬積= 傳播時延*帶寬，鏈路的時延帶寬積又稱為以位元為單位的鏈路長度

分組丟失（丟包）：佇列快取容量有限，分組到達已滿佇列將被丟棄(即丟包)，丟棄分組可能由前序結點或源重發（也可能不重發），丟包率 = 丟包數/已分發的組總數

吞吐量:表示在發送端與接收端之間傳送資料速率(b/s)，即時吞吐量:給定時刻的速率，平均吞吐量:一段時間的平均速率

瓶頸鏈路（bottleneck link）：端到端路徑上，限制端到端吞吐量的鏈路

計算機網路體系結構

為什么需要計算機網路體系結構？

計算機網路是一個非常復雜的系統,涉及許多組成部分:主機（hosts），路由器（routers），各種鏈路（links），應用（applications），協議（protocols），硬體、軟體...，是否存在一種系統結構有效描述網路？利用什么樣的結構？至少用于討論網路？----分層結構

復雜系統的分層結構可以類比坐火車旅行，每層完成一種（類）特定服務/功能，每層依賴底層提供的服務，通過層內動作完成相應功能

網路體系結構是從功能上描述計算機網路結構，計算機網路體系結構簡稱網路體系結構(network architecture)是分層結構，每層遵循某個/些網路協議完成本層功能，計算機網路體系結構是計算機網路的各層及其協議的集合，體系結構是一個計算機網路的功能層次及其關系的定義，體系結構是抽象的

為什么采用分層結構?結構清晰，有利于識別復雜系統的部件及其關系---分層的參考模型（reference model ），模塊化的分層易于系統更新、維護----任何一層服務實作的改變對于系統其它層都是透明的，有利于標準化

分層網路體系結構基本概念：物體(entity) 表示任何可發送或接收資訊的硬體或軟體行程，協議是控制兩個對等物體進行通信的規則的集合，協議是“水平的”，任一層物體需要使用下層服務，遵循本層協議，實作本層功能，向上層提供服務，服務是“垂直的”，下層協議的實作對上層的服務用戶是透明的，同系統的相鄰層物體間通過介面進行互動，通過服務訪問點 SAP(Service Access Point)，交換原語，指定請求的特定服務，

OSI 參考模型

開放系統互連(OSI)參考模型是由國際標準化組織(ISO)于 1984 年提出的分層網路體系結構模型，目的是支持異構網路系統的互聯互通，是異構網路系統互連的國際標準，是理解網路通信的最佳學習工具（理論模型），但理論成功，市場失敗，一共有 7 層（功能）,每層完成特定的網路功能，自上而下依次是：應用層（Application）表示層（Presentation）會話層（Session）傳輸層（Transport）網路層（Network）資料鏈路層（Data link）物理層（Physical）

OSI 參考模型解釋的通信程序

OSI 參考模型資料封裝與通信程序

為什么需要資料封裝?

• 增加控制資訊,構造協議資料單元(PDU)
• 控制資訊主要包括
  • 地址（Address）: 標識發送端/接收端
  • 差錯檢測編碼（Error-detecting code）: 用于差錯檢測或糾正
  • 協議控制（Protocol control）: 實作協議功能的附加資訊，如: 優先級（priority）、服務質量（QoS）、和安全控制等 6

各層的功能

物理層功能

介面特性---機械特性、電氣特性、功能特性、規程特性；位元編碼；資料率位元同步；時鐘同步；傳輸模式：單工（Simplex），半雙工（half-duplex），全雙工（full-duplex）

資料鏈路層功能

負責結點-結點（node-to-node）資料傳輸；組幀（Framing）；物理尋址（Physical addressing），在幀頭中增加發送端和/或接收端的物理地址標識資料幀的發送端和/或接收端；流量控制（Flow control），避免淹沒接收端，兩端要保持同步；差錯控制（Error control），檢測并重傳損壞或丟失幀，并避免重復幀；訪問(接入)控制（Access control），在任一給定時刻決定哪個設備擁有鏈路（物理介質）控制使用權

網路層功能

負責源主機到目的主機資料分組（packet）交付，可能穿越多個網路；邏輯尋址（Logical addressing），全域唯一邏輯地址，確保資料分組被送達目的主機，如 IP 地址；路由（Routing），路由器(或網關)互連網路，并路由分組至最終目的主機，路徑選擇；分組轉發；

傳輸層功能

負責源-目的（端-端）（行程間）完整報文傳輸；分段與重組；SAP 尋址，確保將完整報文提交給正確行程，如埠號；連接控制；流量控制；差錯控制

會話層功能

對話控制（dialog controlling），建立、維護；同步(synchronization)，在資料流中插入“同步點”；是最“薄”的一層

表示層功能

處理兩個系統間交換資訊的語法與語意（syntax and semantics ）問題，資料表示轉化，轉換為主機獨立的編碼；加密/解密；壓縮/解壓縮，

應用層功能

支持用戶通過用戶代理（如瀏覽器）或網路介面使用網路（服務），典型應用層服務：檔案傳輸（FTP），電子郵件（SMTP），Web（HTTP）

TCP/IP 參考模型

5 層參考模型

綜合 OSI 和 TCP/IP 的優點,應用層:支持各種網路應用:FTP, SMTP, HTTP;傳輸層:行程-行程的資料傳輸:TCP, UDP;網路層:源主機到目的主機的資料分組路由與轉發,IP 協議、路由協議等;鏈路層:相鄰網路元素（主機、交換機、路由器等）的資料傳輸;相鄰網路元素（主機、交換機、路由器等）的資料傳輸,以太網（Ethernet）、802.11 (WiFi)、PPP;物理層:位元傳輸

5 層模型的資料封裝

標籤：其他

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