计算机网络学习笔记（一）- 计算机网络概述

概述

计算机网络是通信技术与计算机技术紧密结合的产物，计算机网络就是一种通信网络

定义

计算机网络就是互连的、自治的计算机集合

• 自治：无主从关系
• 互连：互联互通
  

网络协议

1. 定义
   网络协议(network protocol)，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
2. 协议三要素
   • 语法（Syntax）
   数据与控制信息的结构或格式
   信号电平
   • 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响应
   • 时序（Timing）
   事件顺序
   速度匹配

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，如：Web, email
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
   • 如：Web应用，文件传输FTP应用
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
   • 如：Gnutella, BT, Skype, QQ

接入网络（物理介质）

1. 住宅（家庭）接入网络
   
2. 机构接入网络 (学校,企业等)

4. 移动接入网络
   • 无线局域网（LANs）：WiFi
   • 广域无线接入：移动互联网

网络核心

网络核心的关键功能:路由+转发

• 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

数据交换

电路交换

1. 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）
2. 多路复用(multiplexing)
   多路复用，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)
   

• 频分多路复用( frequency division multiplexing-FDM )
  频分多路复用的各用户占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽（单位：Hz）而不是数据的发送速率），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，下图中不同颜色对应的频带分别代表不同用户
  
• 时分多路复用( time division multiplexing-TDM )
  时分复用则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，每用户所占用的时隙是周期性出现（其周期就是 TDM 帧的长度），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
  
• 波分多路复用(Wavelength division multiplexing-WDM)
  波分复用就是光的频分复用，本质上还是频分复用

• 码分多路复用( Code division multiplexing-CDM )
  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，各用户使用相同频率载波，利用各自码片序列编码数据
  各用户码片序列相互正交(orthogonal)，可用以下公式表示，当发送端i用户与接收端j用户不一致时，接收端解码只能得到0，无法得到有效数据
  
  
  广泛应用于无线链路共享 (如蜂窝网,卫星通信等)
  

报文交换

• 报文：源（应用）发送信息整体，如：一个文件
  

分组交换

基于统计多路复用

1. 分组概念
   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与重组
   产生额外开销
   
2. 报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式
3. 时延
   长度为 L (bits)的包(packets)，在传输速率为R的链路上传输
   
   
   • 报文交换:
   报文长度为M bits
   链路带宽为R bps
   每段链路传输报文需要M/R秒
   • 分组交换:
   报文被拆分为多个分组
   分组长度为L bits
   每段链路每个分组传输时延为L/R秒
   • 对于如下情况：
   报文: M bits
   链路带宽（数据传输速率）: R bps
   分组长度（大小）: L bits
   跳步数: h
   路由器数：n
   
   
   报文传输：T = h *M/R= (n+1)*M/R
   分组传输：T = M/R+(h-1)*L/R = M/R+nL/R
4. 分组交换特点
   • 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（congestion）: 分组延迟和丢失，需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制

计算机网络性能

• 速率
  速率即数据率(data rate)或称数据传输速率或比特率(bit rate)
  • 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
  • 速率往往是指额定速率或标称速率
• 带宽
  带宽是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位：b/s (bps)
• 延迟/时延
  dproc: 结点处理延迟（nodal processing delay）
  • 差错检测
  • 确定输出链路
  • 通常小于毫秒级
  dqueue: 排队延迟（queueing delay）
  • 等待输出链路可用
  • 取决于路由器拥塞程度
  dtrans: 传输延迟（transmission delay）
  • L: 分组长度(bits)
  • R: 链路带宽 (bps)
  • dtrans = L/R
  dprop: 传播延迟（propagation delay）
  • d: 物理链路长度
  • s: 信号传播速度 (~2×108 m/sec)
  • dprop = d/s

• 时延带宽积
  时延带宽积 = 传播时延 × 带宽 = dprop × R (bits)
  • 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度
• 丢包率
  丢包率 = 丢包数 / 已发分组总数
  • 分组到达已满队列将被丢弃 (即丢包)
• 吞吐率
  表示在发送端与接收端之间传送数据速率 (b/s)，等于最慢的一条链路的速率

计算机网络的体系结构

概述

• 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
• 计算机网络体系结构简称网络体系结构(network architecture)是分层结构
• 每层遵循某个/些网络协议完成本层功能
• 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
• 体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义
• 体系结构是抽象的

分层结构概念

• 实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
• 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议是“水平的” 。
• 任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，服务是“垂直的”。
• 下层协议的实现对上层的服务用户是透明的。
• 同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点 SAP (Service Access Point)，交换原语，指定请求的特定服务
  

OSI参考模型

1. 通信过程
   
2. 数据封装
   • 增加控制信息：构造协议数据单元 (PDU)
   • 控制信息主要包括
   地址（Address）: 标识发送端/接收端
   差错检测编码（Error-detecting code）: 用于差错检测或纠正
   协议控制（Protocol control）: 实现协议功能的附加信息，如: 优先级（priority）、服务质量（QoS）、 和安全控制等
   
3. 综合 OSI 和 TCP/IP 的优点
   • 应用层：支持各种网络应用FTP, SMTP, HTTP
   • 传输层：进程-进程的数据传输TCP, UDP
   • 网络层：源主机到目的主机的数据分组路由与转发，IP协议、路由协议等
   • 链路层：相邻网络元素（主机、交换机、路由器等）的数据传输，以太网（Ethernet）、802.11 (WiFi)、PPP
   • 物理层：比特传输