计算机网络-概述

计算机网络学习笔记-概述

计算机网络基本概念

计算机网络

计算机网络 = 通信技术 + 计算机技术
通过交换网络互连主机

Internet

全球最大的互联网络
ISP(Internet Service Provider)
组成：
- 计算设备：运行各种网络应用
- 通信链路：光纤、铜缆、无线电、卫星等
- 分组交换（转发数据包）：路由器、交换机
服务：
- 为网络应用提供通信基础设施：web、email、社交网络
- 为网络应用提供接口：
  - 支持应用程序“连接”Internet，发送/接收数据
  - 提供数据传输服务(类似邮政系统)

网络协议

协议是计算机网络有序运行的重要保证：仅有硬件(主机、路由器、通信链路等)，还无法进行计算机网络中的数据交换，还必须遵守事先约定好的规则——协议。
协议规定了通信实体之间所交换信息的格式、意义、顺序，以及采取的动作
协议的三要素：语法、语义、时序
常见协议：TCP , IP , HTTP , Skype , 802.11
Internet协议标准
- RFC：Request for Comments
- IETF：互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force)

计算机网络结构

网络边缘

主机（端系统）
- 位于“网络边缘”
- 运行网络应用程序：Web、email等
网络应用
- 客户/服务器（client/server）应用模型
  - 客户发送请求，并接收服务器响应
- 对等（peer-peer，P2P）应用模型
  - 无专用服务器
  - 通信再对等的实体之间进行
  - 如：QQ

接入网络、物理介质

有线或无线通信链路
- 数字用户线路（DSL）
- 电缆网络
作用：将网络边缘接入核心网（边缘路由器）
- 家庭接入网络
- 机构(企业)接入网络
- 移动接入网络
  
  通过共享的无线接入网络连接端系统与路由器

网络核心(核心网络)

本质：互联的路由器
网络核心的关键功能：路由+转发
网络的网络
- 端系统通过**接入ISP（access ISPs）**连接到Internet
- 接入ISP必须进一步互连，构成复杂的网络互连的网络

网络核心

数据交换

如何实现数据通过网络核心从源主机到达目的主机？

——数据交换
为什么需要数据交换？
- N²链路问题
- 连通性
- 网络规模
交换的两层含义
- 交换设备具备动态转接功能
- 交换网络具备动态分配传输资源功能
数据交换的类型
- 电路交换
- 报文交换
- 分组交换

电路交换

最典型的电路交换网络：电话网络
电路交换的过程：
- 建立连接（呼叫/电路建立）
- 通信
- 释放连接（拆除电路）
电路交换的特点：资源独占

电路交换网络的链路共享

电路交换网络如何共享中继线？

——多路复用（Multiplexing）

报文交换

发送信息整体

例如：发电报

分组交换

将信息整体拆分成一系列相对较小的数据包进行发送

分组交换的共享链路采用统计多路复用

分组交换需要报文的拆分与重组

拆分和重组会产生额外时间开销，，分组时加上头部信息也会产生额外开销，因为是在源主机和目的主机上进行拆分和重组，所以额外开销并不严重，不再考虑

整个报文的传输时间+最后一个分组的传输时间（所有路由器都走一遍）

分组交换优于报文交换（传输时间衡量）

Internet的数据交换是分组交换

分组交换优点：

适用于突发数据传输网络（突发使用网络（发邮件等间歇性使用网络））
- 资源充分共享
- 简单、无需建立呼叫

分组交换劣势：

**可能产生拥塞（congestion）：**分组延迟和丢失
- 需要协议处理数据传输和拥塞控制

多路复用

多路复用（Multiplexing），简称复用，是通信技术中的基本概念

原理：

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”（calls）；
每路呼叫独占分配到的资源进行通信；
资源片可能“闲置”（idle）（无共享）

典型的多路复用方法：

频分多路复用（FDM ）

将信道资源按频率划分

例如：有线电视网络

频分多路复用的各用户占用不同的带宽资源**（频率带宽单位：HZ）**

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中始终占用这个频带

时分多路复用（TDM）

将信道资源按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传输数据

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）

所有用户在不同的时间占用相同的频带宽度

波分多路复用（WDM）

将信道资源按按光的波长划分

本质上是频分多路复用

码分多路复用（CDM）

统计多路复用

共享链路并非事先分配好带宽，而是按照所发送数据量按需共享链路

计算机网络性能

速率

速率即数据率或数据传输速率或比特率（bit rate）

单位时间（s）传输的信息量（bit）
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
$$ k=10^3、M=10^6、G=10^9、T=10^{12} $$

b是指比特（bit）代表一个2进制位（值为0或1）

B是指字节（Byte）1个字节由8个比特组成

1 Byte = 8 bit

带宽

在通信或信号处理领域，带宽指信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）

在计算机网络领域，带宽是指数字信道所能传送的‘’最高数据率‘’，单位：b/s（bps）

单位：kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s

1Mbps/s=1024kbps/s=1024Kb÷8/s=128KB/s

KB,Kb单位换算，网络带宽中的Kbps和KB/s到底是什么意思？ - 望穿秋水 - 博客园 (cnblogs.com)

延迟/时延

分组交换为什么会发生丢包和时延？

分组在路由器缓存中排队

节点处理延迟：分组的到达速率超出输出链路的容量
排队延迟：分组排队，链路中正在传输其他数据，等待输出链路可用

四种分组延迟

$$ d_{proc}：节点处理延迟 $$

差错检测
确定输出链路
通常<msec

$$ d_{queue}:排队延迟 $$

等待输出链路可用
取决于路由器拥塞程度

$$ d_{trans}:传输延迟 = L/R $$

L：分组长度（bits）
R：链路带宽（bps）

$$ d_{prop}:传播延迟 = d/s $$

d：物理链路长度
s：信号传播速度（~2*10^8(m/sec)）

时延带宽积

分组丢失（丢包）

吞吐量/率

计算机网络体系结构

概述

计算机网络体系结构是分层结构，按功能分层，每层遵循某个/些网络协议完成本层功能。

OSI参考模型

理论成功，市场失败

7层（功能），每层完成特定的功能

实线是数据流动方向

对等层之间遵循相应的网络传输协议

最顶层是应用层，最底层是物理层

假如主机A要向主机B发送数据：在主机A上数据由应用层到物理层逐层封装，通过传输介质到达中间系统（路由器）；在路由器上数据由物理层到网络层逐层解析，明确传输方向后，数据又由网络层到物理层逐层封装，通过传输介质到达主机B；在主机B上数据由物理层到应用层逐层解析。

物理层

物理层定义了：

接口特性
- 机械特性、电气特性、功能特性、规程特性
比特编码规则
数据传输速率
比特发送与接受的同步
- 时钟同步
传输模式
- 单工模式（Simplex）：数据只能单向传输（例如：电视信号）
- 半双工（half-duplex）：数据可以双向传输，但不能同时进行（对讲机）
- 全双工（full- duplex）：数据可以同时双向传输