计算机网络概述（上）

计算机网络（一）

计算机网络概述

计算机网络 = 通信技术+计算机技术

通信系统模型：

信源-》发送设备-》信道（受噪声源干扰）-》接受设备-》信宿

计算机网络就是一种通信源，是互连（互联互通）的、自治（计算机之间无主从关系）的计算机集合

距离远、数量大时，直连的数据链路不可行--》交换网络

交换节点（路由器或交换机）

Internet

-Internet 全球最大的互联网 ISP（Internet Service Provider）网络互连的“网络之网络”

-数以百万计的互连的计算设备集合：主机= 端系统（运行各种网络应用）

-通信链路，如光纤，卫星

-分组交换：转发分组 路由器、交换机

服务角度

-为网络应用提供通信服务的通信基础设施

-为网络应用提供了应用编程接口（API）

计算机网络协议

硬件（主机、路由器、通信链路等）是计算机网络的基础

而在实际的交换中，其数据交换必须遵守事先约定好的规则（可类别联想交通规则，为了保证交通系统/数据交换系统的有序进行）

网络协议，是为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”

-语法（规定交换信息的格式） 数据与控制信息的结构或格式、信号电平

-语义

（1）需要发出何种控制信息

（2）完成何种动作以及做出何种响应

（3）差错控制

-时序（规定了事件顺序及速度匹配）

规范了网络中所有信息的发送和接收过程

计算机网络结构

网络边缘：主机、网络应用

运行网络应用程序

客户/服务器应用模型：

-客户发送请求，接受服务器响应，如web应用，文本传输FTP应用

对等（P2P）应用模型：

-无专用服务器

-通信在对等实体之间直接进行

如QQ、Skype、BT、GnutElla

接入网络，物理介质：有线或无线通信链路

如何把网络边缘接入核心网？

按接入网络分类：

-住宅（家庭）接入网络

-机构接入网络（学校，企业等）

-移动接入网络

从用户角度：带宽（bps）、共享/独占

（一）接入网络：数字用户线路（DSL）

DSL多路复用器

-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<1Mbps）

-<24Mbps下行传输速率

-FDM：>50kHz - 1MHz用于下行，4kHz-50kHz用于上行，0kHz-4kHz用于传统电话

（二）接入网络：电缆网络

有限电视网络（不同频道对应的不同的频带

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

​ -个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

（三）机构（企业）接入网络（Ethernet）

-主要用于公司、高校。企业等组织结构

-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）

（四）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

-无线局域网（LANS）：同一建筑物内，WIFi

-广域无线接入：

​ --通过电信运营商，接入范围在几十公里+

​ --带宽：1Mbps、10Mbps、100Mbps

​ --3G、4G：LTE

​ --移动互联网

网络核心（核心网络）：互联的路由器（或分组转发设备）、网络之网络

Internet结构（动态性极强）：

-端系统通过接入ISP（access ISPs）连接到Internet

​ --家庭、公司和大学ISPs

-接入ISP必须进一步互连

​ --这样任意两个主机才可以互相发送给分组

-构成复杂的网络互连的网络

互联的路由器网络

网络核心的关键功能：路由+转发

路由：确定分组从源到目的地传输路径-路由算法

转发：将分组从路由器的输入端口交换至正确的输出端口

数据交换

典型的数据交换 N的平方，两两相连

-动态转接

-动态分配传输资源

数据交换的类型：

电路交换、报文交换、分组交换

电路交换：

可类比电话网络

整个过程如下： 呼叫/电路建立 通信 释放连接 资源独占

电路交换网络的链路共享，多路复用技术

将链路/网络资源（如带宽）划分为“资源片”，将资源片分配给各路“呼叫”，每路呼叫独占分配到的资源片进行通信，资源片可能“闲置”

典型多路复用方法（division multiplexing）：

频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM)、波分多路复用（WDM）、码分多路复用（CDM）

FDM：以频率（Hz）来划分，常见的是家用电视机、调频无线电台

各个用户占用不同的带宽资源，并且在分配到一定的 频带后，在通信过程中自始至终都在占用这个频带

TDM：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）的

时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度

WDM：光的频分复用

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（chipping sequence），其中“0”用“-1”表示，“1”用“+1”表示

各个用户使用相同频率载波，利用各自码片序列编码数据

编码信号=（原始数据）*（码片序列）

发送叠加向量，再解码（运算内积）

报文交换

message switching

报文：源（应用）发送消息整体

分组交换

package switching

分组：报文拆出来的一系列相对较小的数据包

对于报文中拆分出来的小的数据，要加上头部信息， 即分组交换需要报文的拆分与重组，会产生额外开销

共享链路，带宽被哪个主机占用看具体情况（按需共享链路），这种被称为统计多路复用

报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式，区别在于，报文交换以完整报文进行，而分组交换以较小的分组进行。

那么哪一种方式更加好呢？

传输延迟

由时间性问题来对比分组交换与报文交换

分组交换技术是当今计算机中广泛使用的技术，省时间，省缓存。

分组交换vs电路交换

有点类似并行与串行

但不能简单地认为分组交换绝对优于电路交换

分组交换适用于突发数据传输网络

-资源充分共享

-简单、无需呼叫建立

可能产生拥塞：分组延迟和丢失

-需要协议处理可靠的数据传输和拥塞控制

REFERENCE

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1、https://www.icourse163.org/course/HIT-154005

2、James F. Kurose， Keith W. Ross. 计算机网络-自顶向下方法（原书第4版）. 机械工业出版社. 2009.