计算机网络1：计算机网络概述

1 计算机网络概述

1.1 计算机网路基本概述

计算机网络的两大基础：硬件、协议。

硬件包括主机、路由器、通信链路等是计算机网络的基础。

协议是计算机网络所有通信过程必须遵守的某种或某些规则。

定义：

网络协议，简称协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。e.g., TCP, IP, HTTP, Skype, ...

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：

• 语法

  • 数据与控制信息的结构或格式
  • 信号电平

• 语义

  • 需要发出何种控制信息
  • 完成何种动作以及做出何种响应
  • 差错控制

• 时序

  • 事件顺序
  • 速度匹配

---

1.2 计算机网络结构

1.网络边缘：

• 主机
• 网络应用

应用模型：

• 客户/服务器（client/server）应用模型：客户发送请求，接受服务器响应。e.g., Web应用，FTP应用。
• 对等（peer-peer, P2P）应用模型：无（或不仅依赖）专用服务器，且通信在对等实体之间直接进行。e.g., BT, Skype, QQ。

2.接入网络，物理介质：

• 有线或无线通信链路

可以分为住宅接入网络、机构接入网络、移动接入网络等。用户关心的是带宽和接入方式（独占/共享）。

典型接入网络：

• 数字用户线路（DSL/ADSL）：电话线，独占。

• 电缆网络（HFC）：有线电视，共享。

典型家庭网络的接入：

机构接入网络：

无线接入网络：

3.网络核心（核心网络）:

• 互联的路由器（或分组转发设备）

  关键功能：路由+转发——需要有路由表（本地转发表）。

  路由（routing）：确定分组从源到目的传输路径。

  转发（forwarding）：将分组从路由器的输入端口交换至正确的输出端口。

• 网络之网络

---

1.3 网络核心

数据交换：

问题：N链路问题、连通性、网络规模...

方案：引入交换设备 -> 交换网络

功能：

• 动态转接：在端口之间建立物理上或者逻辑上的连接，要求可以并行。
• 动态分配传输资源。

类型：

1.3.1 电路交换

三个阶段：建立连接（呼叫/电路建立），通信，释放连接（拆除电路）。

最典型——电话网络。

独占资源。

电路交换网络如何共享中继线？

——多路复用

• 过程

  • 链路/网络资源划分为“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

• 典型方法

  • 频分多路复用（FDM）

• 时分多路复用（TDM）

• 波分多路复用（WDM）：就是光的频分复用

• 码分多路复用（CDM）

​ 多个用户传输数据示例：用户1的码片序列S₁=(1,1,1,-1,1,-1,-1,-1)，发送的原始数据是{d₁,d₀}={-1,1}，将它们相乘，再与用户2的向量叠加后进入信道传输；在接收端，譬如需要接收用户1的数据，则取用户1的码片序列S₁=(1,1,1,-1,1,-1,-1,-1)与信道中的总信号P作内积，即可得到{d₁,d₀}={-1,1}.

1.3.2 报文交换

报文：源（应用）发送的信息整体。比如：一个文件。

1.3.3 分组交换

分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包（头+数据）。

需要进行报文的拆分与重组 -> 需要额外开销

多路复用方法——统计多路复用：按需共享链路，对每个分组都带宽拉满。

交换方式：存储-转发方式。

• 报文交换与分组交换都采用存储-转发交换方式。区别是：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”。

分组交换的传输延迟（时延）：

​ 若每个分组为L bits，链路上的传输速率为R bits/sec，那么分组传输延迟为\(delay = \frac {L(bits)}{R(bits/sec)}\).

报文交换VS分组交换

分析：该例中报文交换时路由器必须有至少7.5Mbits的缓存，而分组交换只需要1500bits的缓存；报文交换在各个节点间的传输是串行的，而分组交换可以并行进行。因此分组交换已经大量使用。

分组交换的报文交付时间：

例题1.1

分组交换VS电路交换

---

1.4 计算机网络性能

1.4.1 速率

速率即数据率或称数据传输速率或比特率。

• 单位时间（秒）传输信息（比特）量
• 计算机网络中最重要的一个性能指标
• 单位：b/s（或bps）、kb/s、Mb/s、Gb/s...（k=10³、M=10⁶、G=10⁹）

1.4.2 带宽

“带宽”原指信号的频带宽度，单位是赫兹。网络的“带宽”通常是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位b/s.

1.4.3 延迟/时延

四种分组延迟：

• 节点处理延迟
• 排队延迟
• 传输延迟
• 传播延迟

1.4.4 时延带宽积

相当于以比特为单位的链路长度。

1.4.5 分组丢失（丢包）

1.4.6 吞吐量/率

---

1.5 计算机网络体系结构

计算机网络是一个非常复杂的系统，涉及许多组成部分，e.g.,主机、路由器、各种链路、应用、协议、硬件软件……

Q：是否存在一种系统结构有效描述网络？

-- 分层结构

计算机网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构的。

每层遵循某个/些网络协议完成本层功能。

体系结构是抽象的。

Q：为什么采用分层结构？

-- 结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系；模块化的分层易于系统更新、维护；有利于标准化。

1.5.1 OSI参考模型

开放系统互连（OSI）参考模型是于1984年提出的分层网络体系结构模型。

• 目的是支持异构网络系统的互联互通。
• 是异构网络系统互联的国际标准。
• 是理解网络通信的最佳学习工具。（理论模型）

一共7个层次：

OSI参考模型解释的通信过程：

实线：实通信路线。虚线：对等层之间交换数据的示意。

协议是水平对等的，数据传输时纵向的。

数据封装：

• 增加控制信息，构造协议数据单元（PDU），包括：

  地址：标识发送／接收端；

  差错检测编码：用于差错检测或纠正；

  协议控制：实现协议功能的附加信息，如优先级、服务质量、安全控制等。

1.5.1.1 物理层

简单来说，其功能就是实现在物理介质上进行每一比特的传输。

• 定义一些接口特性：机械特性、电气特性、功能特性、规程特性。
• 定义一些比特编码。
• 定义一些数据率。
• 解决比特同步：时钟同步。
• 定义传输模式：单工、半双工、全双工。

1.5.1.2 数据链路层

简单来说，其功能是结点与结点之间的数据传输（以帧的形式）。

• 组帧：加头加尾，譬如头加上地址，尾加上差错检测，还要保证能拆分出每一帧。
• 物理寻址：在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送到和/或接收端。

• 流量控制：控制发送和接收速度，避免淹没接收端。
• 差错控制：检测并重传损坏帧或丢失帧，并避免重复帧。
• 访问（接入）控制：在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）的控制使用权。

1.5.1.3 网络层

简单来说，其功能是负责源主机到目的主机数据分组（packet)的交付。

可能穿越多个网络，因此必须需要逻辑寻址。

• 逻辑寻址：全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址。
• 路由：路由器互连网络，并路由分组至最终目的主机；路径选择。
• 分组转发：网络层的逻辑地址一直不变。

1.5.1.4 传输层

简单来说，其功能是负责源-目的（端-端）（进程间）完整报文的传输。

将会话层传来的完整报文分割成段（segments），再交给网络层进行传输。

• 分段与重组

• SAP寻址

  • 确保将完整报文提交给正确进程，如端口号

• 连接控制：是一种逻辑连接。

• 流量控制：匹配数据发送和接收速度等。

• 差错控制：引入差错编码等。

1.5.1.5 会话层

接收来自表示层的协议数据单元，构造会话层的协议数据单元，然后发给传输层，只会在数据中插入一些控制信息。

• 对话控制：对话的建立、维护
• 同步：在数据流中插入“同步点”（如果数据传输在某个同步点附近中断了，下次恢复的时候只需恢复到最近的同步点）

1.5.1.6 表示层

处理两个系统间交换信息的语法和语义问题

• 数据表示转化

  • 转换成主机独立的编码

• 加密/解密

• 压缩/解压缩

1.5.1.7 应用层

各个应用遵循应用层协议处理用户数据（可能会加控制信息），构造出应用层的协议数据单元，交给表示层。

• 支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络服务
• 典型应用层服务：
  • 文件传输(FTP)
  • 电子邮件(SMTP)
  • Web(HTTP)

1.5.2 TCP/IP参考模型

4层参考模型：

展开为5层参考模型：

传输过程：

• 源主机：[应用层]-报文 -> [传输层]-构造段，添加段头 -> [网络层]-加上头，构造数据包 -> [链路层]-加头加尾，构造数据帧 -> [物理层]-将数据帧以比特传输到交换机。

• 交换机：物理层到链路层，发送给路由器。

• 路由器：接收到帧以后，还原到[链路层]-去掉帧头帧尾 -> 还原到[网络层]数据报，交换转发时再一次封装成数据帧，从特定端口发送给目的主机。

• 目的主机：与源主机过程相反。

1.6 计算机网络发展历史