一、计算机网络
计算机网络=通信技术+计算机技术
计算机网络是通信技术与计算机技术紧密结合的产物
通信系统模型：
计算机网络就是一种通信网络
1.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
距离远、数量大如何保证互连？
通过交换网络互连主机
2.Internet
全球最大的互联网络
ISP(Internet Service Provider)网络互连的“网络之网络”
3.组成
①数以百万计的互连的计算设备集合:
- 主机(hosts)=端系统（end systems）
- 运行各种网络应用
②通信链路
- 光纤, 铜缆, 无线电,卫星……
③分组交换:转发分组(数据包)
- 路由器(routers)
- 交换机(switches)
4.服务
为网络应用提供通信服务的通信基础设施:
- Web, VoIP, email, 网络游戏,电子商务, 社交网络, …
为网络应用提供应用编程接口（API）：
- 支持应用程序“连接”Internet，发送/接收数据
- 提供类似于邮政系统的数据传输服务
注意：仅有硬件（主机、链路、路由器……）连接，Internet能否顺畅运行？能保证应用数据有序交付吗？……
No！
还需要协议！
二、网络协议
协议是计算机网络有序运行的重要保证
硬件（主机、路由器、通信链路等）是计算机网络的基础
计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则
1.网络通信
- 通信主体是“机器”而不是人
- 交换“电子化”或“数字化”消息
- 计算机网络的所有通信过程都必须遵守某种/些规则—协议
2.网络协议的定义
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、顺序以及针对收到信息或发生的事件所采取的“动作”（actions）
3.协议的三要素
①语法（Syntax）
- 数据与控制信息的结构或格式
- 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
- 差错控制
③时序（Timing）
- 事件顺序
- 速度匹配
4.协议是计算机网络的重要内容
协议规范了网络中所有信息发送和接收过程
e.g., TCP, IP, HTTP, Skype,802.11学习网络的重要内容之一
网络创新的表现形式之一
Internet协议标准
RFC: Request for Comments
IETF:互联网工程任务组（Internet Engineering TaskForce）
三、计算机网络的结构
1.网络边缘
- 主机
- 网络应用
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
2.接入网络，物理介质:
- 有线或无线通信链路
住宅（家庭）接入网络
机构接入网络 (学校,企业等)
移动接入网络
①接入网络: 数字用户线路 (DSL)：
- 利用已有的电话线连接中心局的DSLAM
数据通信通过DSL电话线接入Internet
语音（电话）通过DSL电话线接入电话网 - < 2.5 Mbps上行传输速率 (典型速率 < 1 Mbps)
- < 24 Mbps下行传输速率 (典型速率 < 10)
- FDM: >50 kHz - 1 MHz用于下行
4 kHz - 50 kHz用于上行
0 kHz - 4 kHz用于传统电话
②接入网络: 电缆网络
频分多路复用 : 在不同频带（载波）上传输不同频道
- HFC: 混合光纤同轴电缆（ hybrid fiber coax ）
非对称: 下行高达30Mbps 传输速率，上行为2 Mbps传率输速率 - 各家庭（设备）通过电缆网络→ 光纤接入ISP 路由器
各家庭共享家庭至电缆头端的络接入网络
不同于DSL的独占至中心局的接入
③.典型家庭网络的接入
④机构（企业）接入网络 (Ethernet)
- 主要用于公司、高校、企业等组织机构
- 典型传输速率：10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps
- 目前，端系统通常直接连接以太网交换机（switch）
⑤无线接入网络
通过共享的 无线接入网络连接端系统与路由器
通过基站（base station）或称为“接入点”（access point）
3.网络核心（ 核心网络）:
- 互联的路由器（或分组转发设备）
- 网络之网络
- 网络核心的关键功能: 路由+ 转发
网络核心解决的基本问题：通过数据交换实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机
四、Internet结构
- 端系统通过入接入ISP （access ISPs ）连接到Internet
家庭、公司和大学ISPs - 接入ISP 必须进一步互连
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 - 当前Internet 结构？
无人能给出精确描述
1.网络之网络
①每个接入ISP直接彼此互连
② 将每个接入ISP 连接到一个国家或全球ISP（Global ISP ）
区域网络（regional networks）连接接入ISP和运营商ISP：
内容提供商网络(content provider networks ，
如： Google,Microsoft 等， 可能运行其自己的网络，并就近为端用户提供服务、内容：
在网络中心: 少数互连的大型网络
- “一级”(tier-1)商业ISPs (如：网通、电信、Sprint、 AT&T)，提供国家或国际范围的覆盖
- 内容提供商网络（content provider network， 如：Google)：私有网络，连接其数据中心与Internet，通常绕过一级ISP和区域ISPs
五、数据交换
数据交换：实现数据通过网络核心从源主机到达目的主机
为什么需要数据交换：
1.电路交换
①特点：
最典型电路交换网络：电话网络
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）
独占资源
电路交换网络共享中继线：多路复用（Multiplexing）
②多路复用
多路复用(multiplexing)，简称复用，是通信技术中的基本概念
多路复用(Multiplexing):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( frequency division multiplexing-FDM )
- 时分多路复用( time division multiplexing-TDM )
- 波分多路复用(Wavelength division multiplexing-WDM)
- 码分多路复用( Code division multiplexing-CDM )
频分多路复用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
时分多路复用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WDM
波分复用就是光的频分复用
码分多路复用CDM
- 广泛应用于无线链路共享 (如蜂窝网,卫星通信等)
- 每个用户分配一唯一的mbit码片序列 (chipping sequence)，其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示，例如：
S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1) - 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) × (码片序列)
如发送比特 1（+1），则发送自己的 mbit 码片序列
如发送比特 0（-1），则发送该码片序列的m bit 码片序列的反码 -
各用户码片序列相互正交(orthogonal)
image.png
令{d i }为原始数据序列，各用户的叠加向量为
image.png
解码 : 码片序列与编码信号的内积
码分多路复用编/ 解码举例：
2.报文交换
报文：源（应用）发送信息整体
比如：一个文件
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
分组交换需要报文的拆分与重组，产生额外开销
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”
传输延迟：
发送主机:
- 接收应用报文（消息）
- 拆分为较小长度为 L bits的分组（packets）
- 在传输速率为R的链路上传输分组
分组传输延迟（时延）（delay ）= L (bits) / R (bits/sec)
传输时延：
从发送一个分组的第一个bit开始，到最后一个bit发送结束的时间
传输延迟，传输时延 = 发送延迟，发送时延
- 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
T=M/R + (h-1)L/R=M/R + nL/R
例题：
在下图所示的采用“存储-转发”方式的分组交换网络中，所有链路的数据传输速率为100 Mbps，分组大小为1 000 B，其中分组头大小为20 B。若主机H1向主机H2发送一个大小为980 000 B的文件，则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，从H1发送开始到H2接收完为止，需要的时间至少是多少？
【 解】980 000 B大小的文件需要分1000个分组，每个分组1 000 B。H1发送整个文件需要的传输延迟为(980 000+201000)8/100 000 000=80ms；根据路由选择基本原理，所有数据分组应该经过两个路由器的转发，所以再加上最后一个分组的两次转发的传输延迟，即210008/100 000 000=0.16ms。所以，H2收完整个文件至少需要80+0.16=80.16ms。
分组交换和电路交换对比：
分组交换允许更多用户同时使用网络！—— 网络资源充分共享
分组交换适用场景：
- 适用于 突发络 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