计算机网络概述（协议、结构、数据交换）

计算机网络

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特殊的通信网络

定义

计算机网络就是互连的、自治的的计算机集合

• 自治，无主从关系
• 互连，互联互通
• 通过交换网络互连主机（交换节点：路由器或交换机）

Internet

1. 组成角度

• 全球最大的互联网络
  • 数以百万记的互连的计算设备集合
    • 计算设备通称主机或端系统，能够运行各种网络应用
      • 通信链路：光纤、铜缆、无线电、卫星……
      • 分组交换（转发分组（数据包））：路由器和交换机

2. 服务角度

• 为网络应用提供通信服务的通信基础设施
• 为网络应用提供应用编程接口（API）

网络协议

硬件是计算机网络的基础
协议是计算机网络有序运行的重要保证

• 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、顺序以及针对收到信息或发生的事件所采取的“动作”

协议规范了网络中所有信息发送和接收过程

协议三要素

• 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
  • 时间顺序
  • 速度匹配

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（如web，Email等）
• 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）
• 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

• 有线或无线通信链路

数字用户线路（DSL）

电缆网络

家庭网络

企业网络

无线接入网络

网络核心

• 互联的路由器网络

  • 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

• Internet结构：网络之网络

  • 端系统通过接入ISP（acess IPSs） 连接到Internet
    • 家庭、公司和大学IPSs
  • 接入IPS必须进一步互联
    • 这样任意两个主机才可以互相发送分组
  • 构成复杂的网络互连的网络
    • 经济和国家政策是网络演进的主要驱动力

  

数据交换

交换

两层含义

数据交换类型：

1. 电路交换

• 最典型的交换网络：电话网络
  
• 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）
• 独占资源

多路复用： 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)

典型多路复用方法：

• 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）

2. 报文交换
   
3. 分组交换
   

• 统计多路复用：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：

• 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：传输延迟
  
  分组交换与报文交换：
  

分组交换的报文交付时间

分组交换优于报文交换

分组交换与电路交换：

• 分组交换允许更多用户同时使用网络
• 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
• 分组交换可能产生拥塞：分组延迟和丢失
  • 需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制