[豪の学习笔记] 计算机网络#001

1.1.1 - 什么是计算机网络

计算机网络 = 通信技术 + 计算机技术

计算机网络就是一种特殊的通信网络

定义：计算机网络就是互联的、自治的计算机集合

自治：无主从关系

互联：互联互通

Q：距离远、数量大如何保证互联？

通过交换网络互连主机

交换节点：路由器或交换机

Q：什么是Internet？

组成细节角度：

①全球最大的互联网络

ISP网络互连的“网络之网络”

②数以万计的互连的计算设备集合：

主机(hosts)=端系统(end systems)

运行各种网络应用

③通信链路

光纤、铜缆、无线电、卫星...

④分组交换：转发分组（数据包）

路由器(routers)

交换机(switches)

服务角度：

①为网络应用提供通信服务的通信基础设施

Web,VoIP,email,网络游戏,电子商务,社交网络...

②为网络应用提供应用编程接口(API)

支持应用程序“连接”Internet，发送/接收数据

提供类似于邮政系统的数据传输服务

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？

否，还需要网络协议

1.1.2 - 什么是网络协议

协议是计算机网络有序运行的重要保证

定义：网络协议，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”

协议的三要素：

①语法(Syntax)

数据与控制信息的结构或格式

信号电平

②语义(Semantics)

需要发出何种控制信息

完成何种动作以及做出何种相应

差错控制

③时序(Timing)

事件顺序

速度匹配

协议规范了网络中所有信息发送和接受过程

1.2.1 - 计算机网络结构

网络边缘：

①主机(端系统)：

位于“网络边缘”

运行网络应用程序

②客户/服务器(client/server)应用模型

客户发送请求，接收服务器响应

③对等(peer-peer，P2P)应用模型

无(或不仅依赖)专用服务器

通信在对等实体之间直接进行

接入网络：

①数字用户线路(DSL)

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

< 2.5Mbps 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： > 50 kHz - 1 MHz 用于下行

4 k Hz - 50 kHz 用于上行

0 kHz - 4 kHz 用于传统电话

②电缆网络

频分多路复用：在不同频带(载波)上传输不同频道

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-->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

③典型家庭接入网络：

④机构(企业)接入网络(Ethernet)：

主要用于公司、高校、企业等组织机构

典型传输速率：10Mbps,100Mbps,1Gbps,10Gbps

目前，端系统通常直接连接以太网交换机(switch)

⑤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

通过基站或称为接入点

无线局域网(LANs)：

同一建筑物内(30m)

802.11b/g(WIFI): 11Mbps、54Mbps传输速率

广域无线接入：

通过电信运营商（蜂窝网），接入范围在几十公里

带宽：1Mbps、10Mbps、100Mbps

3G、4G:LTE

移动互联网

⑥网络核心

互联的路由器网络

网络核心的关键功能：路由+转发

1.2.2 - Internet结构

端系统通过接入ISP连接到Internet

在网络中心：少数互连的大型网络

“一级”(tier-1)商业ISPs(如： 网通、电信、Sprint、AT&T)，提供国家或国际范围的覆盖

内容提供商网络(content provider network，如：Google)，私有网络，连接其数据中心与Internet，通常绕过一级ISP和区域ISPs

1.3.1 - 电路交换

最典型电路交换网络： 电话网络

电路交换的三个阶段：

建立连接(呼叫/电路建立)

通信

释放连接(拆除电路)

资源独占

Q：电路交换网络如何共享中继线？

多路复用

1.3.2 - 多路复用

多路复用技术，简称复用，是通信技术中的基本概念

链路/网络资源（如带宽）划分为“资源片”

将资源片分配给各路“呼叫”(calls)

每路呼叫独占分配到的资源片进行通信

资源片可能“闲置”(idle)(无共享)

典型多路复用方法

①频分多路复用FDM

②时分多路复用TDM

③波分多路复用WDM

④码分多路复用CDM

频分多路复用FDM

将信道资源在频率上进行划分

各用户占用不同的带宽资源(频率带宽Hz)

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带

时分多路复用TDM

时分复用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，每个用户所占用的时隙是周期性出现(其周期就是TDM帧的长度)

波分多路复用WDM

波分多路复用就是光的频分复用

码分多路复用CDM

广泛应用于无线链路共享(如蜂窝网，卫星通信等)

每个用户分配一个唯一的m bit码片序列，其中“0”用“-1”表示，“1”用“+1”表示

各个用户使用相同的频率的载波，利用各自码片序列编码数据

编码信号 = 原始数据 x 码片序列

如发送比特1 (+1)，则发送自己的m bit 码片序列

如发送比特0 (-1)，则发送该码片序列的m bit 码片序列的反码

各个用户码片序列相互正交

1.3.3 - 报文交换与分组交换

报文：源（应用）发送信息整体

分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包

分组交换需要报文的拆分和重组，会产生额外开销

报文交换与分组交换均采用“存储-转发”交换方式

报文交换以完整报文进行“存储-转发”

分组交换以较小的分组进行“存储-转发”

报文交换：

报文长度为 M bits

链路带宽为 R bps

每次传输报文需要 M/R 秒

分组交换：

报文被拆分为多个分组

分组长度为L bits

每个分组传输时延为 L/R 秒

分组交换相较于报文交换，路由器所需缓存更低，传输效率更高

分组交换相较于电路交换，分组交换允许更多用户同时使用网络，充分共享网络资源

分组交换适用于突发数据传输网络

充分共享资源

简单，无需呼叫建立

分组交换可能产生拥塞：分组延迟和丢失

需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制