计算机网络基础系列(一)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。既然涉及到通信技术，就需要先了解一下通信系统模型：

  通信系统模型是信源经过发送设备到信道，在信道传输过程中可能会接收到部分干扰，最终将信号传输到信宿：

  由于信源和信宿通常是计算机，因此将其称之为计算机网络。

  当计算机与计算机之间距离远、数量多了之后，通过交换网络将主机互联在一起。

  全球最大的互联网络Internet将数以百万计的互联的计算设备(主机hosts=端系统end systems)连接在一起，通过像光纤，铜缆，无线电，卫星等通信链路可以将计算机连接在一起，但是数量多了，距离远了之后就需要交换网络，比如一些路由设备(routers)和交换机(switches)实现分组转发。

  而这里面一个核心的问题就是：能否保证应用数据有序交付。这里就引入了另外一个概念协议，相当于网络信息传输的法律，每个信息都按照这个协议工作就可以达到这一点。

网络协议

  网络协议就是计算机网络中数据交换必须遵循的规则。具体来说，这个协议需要规定通信实体之间所交换的格式、意义、顺序以及针对收到信息或发生的事件所采取的”动作“。

  一般来说不同的协议，它的功能是不一样的，所要完成的任务也是不同的，交换的信息不同，信息的格式也不一样。但是作为一个协议，它有三个基本的要素：

1. 语法(syntax)：定义数据与控制信息的结构或格式，如果是底层信息的话，那定义的可能就是信号电平。
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响应。也就是告诉计算机这个信息要干嘛，就像寄快递需要填写收件人的地址信息和电话号类似。还有就是发错了咋办。
3. 时序(Timing)：时序定义协议双方需要遵循的事件顺序。以及交换信息的速度匹配问题。

数据交换

  那如何将源主机发送的数据通过网络核心送达目的主机呢？如果每个主机都和另外的一个主机通过链路连接，那肯定是不行的，因为主机的数量太过庞大。现在常用的是通过交换设备将各个主机连接在一起，每个主机只需要一个链路连接到交换设备即可。这种方式也存在问题，交换设备的端口与主机数量正相关，因此设立多个交换设备，将交换设备互联在一起组成交换网络，这样就更加灵活。

  交换网络需要将数据进行转发。这就需要交换设备在物理上或者逻辑上建立端口之间的连接，将一个端口的数据转移到另外一个端口。这里就会涉及到如何来动态分配传输资源这样一个问题：

  从技术分类上来分可以分为：电路交换、报文交换、分组交换这三大类。

电路交换

  最典型的电路交换网络就是电话网络。两台电话机之间先拨号请求建立链路，之后进行通信，完成之后链路释放：

  链路一旦建立，所占有的资源不能被第三方共享，也称为独占资源。但是并不是独占其经过的物理链路，物理链路可以被用于多路复用(Multiplexing)技术。

  多路复用通过将链路/网络资源(如带宽)划分为”资源片“，然后每路呼叫独占分配到的资源进行通信。

  依据复用的方法不同可以将其分为以下几类：

1. 依据各用户占用不同的频率带宽资源不同的：频分多路复用( frequency division multiplexing-FDM )
2. 依据用户所占用的时间间隙的不同：时分多路复用( time division multiplexing-TDM )
3. 依据光的频分复用：波分多路复用(Wavelength division multiplexing-WDM)
4. 码分多路复用( Code division multiplexing-CDM )：为每个用户分配一个唯一的m bit码片序列，各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) x (码片序列)。但是需要保证各个用户码片序列相互正交(orthogonal)。

报文交换

  报文是发送信息的整体，比如像一个文件，一张图片这样。按照报文交换，发送信息的时候需要将整个信息发送给路由器，然后路由器决定如何转发这个报文。

分组交换

  如果将报文拆分成一系列小的数据包(每个数据包通常会加上一个头部信息)，每个小的数据包相当于一个分组。

  因此它会有一个报文的拆分和重组过程，这个过程就会产生一些额外的开销。

  如上下图所示，A/B都需要传输数据，这里并不像电路交换一样先分配带宽等资源，而是以1.5Mb/s全部转发，按需共享链路。

  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”存储-转发“而分组交换以较小的分组进行”存储-转发“。

  通过这种分组交换的方式可以减少传输延迟，因为路由器不需要等待全部报文接收完毕再往下一个路由器发送数据。对于路由器的缓存也较少。

  如上图所示：其传输时间由报文传输时间加上路由的延迟时间两部分构成。

参考

  本文为中国大学mooc的课程笔记：https://www.icourse163.org/course/HIT-154005