【计算机网络】网络体系结构(1)

本系列笔记基于谢希仁编著的《计算机网络》第7版

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网络基础机构

当前互联网已经形成了多层次ISP的结构

互联网服务提供商（ISP）从互联网管理机构申请大量IP，用户向某个ISP缴纳费用获取某个IP的使用权（IP只能租不能“零售”）
在我国，大的ISP就是电信、联通和移动了。最近中国广电也加进来了，但还是通过和移动合作，目测成不了气候。

根据服务覆盖面积，ISP可以分为主干ISP、地区ISP和本地ISP三个层次

                           图1. 基于ISP多层结构的互联网
图中IXP称为互联网交换点，作用是允许两个网络直接相连交换分组，不需要通过第三个网络（主干ISP）连接起来了，可以有效减少分组转发耗时。

截至2016年，全球有226个IXP，主要分布在欧美。

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互联网通信方式

可以分为两大类：客户-服务器方式（C/S)和对等方式（P2P）

在C/S中，客户是服务请求方，服务器是服务提供方
而P2P并不区分服务请求和提供方，通信双方即提供服务也请求服务

互联网核心-路由器

路由器是实现分组交换的关键构件，任务是转发收到的分组
1）电路交换
电路交换的特点是：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

建立连接（拨号请求建立连接，被叫用户接受连接请求）-> 通话（一直占用通信资源） -> 释放连接（归还通信资源）

2）分组交换
可以看到，其实电路交换模式下，线路的传输效率比较低。而计算机通信一般是突发性的，不会一直上传或者下载。

分组交换将待发送的全部数据称为报文，首先将报文等分成一个个数据段，在每个数据段前面加上控制信息（目的地址，源地址等）就形成一个个分组（也称为包）

路由器收到一个分组后，先暂时储存，检查其和控制信息，查找转发表，根据目的地址确定合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器，直到最终的目的主机。

因此路由器需要及时更新网络拓扑的变化（加入、阻塞、节点故障等），创建和维护路由器中的转发表，才能在网络中找到最优的转发路径

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计算机网络体系结构

国际标准化组织ISO于1983年提出开放系统互连基本参考模型OSI，也就是所谓的“七层协议体系结构”

但因为历史原因，非国际标准的TCP/IP（四层协议）最终被广泛应用

                         图2. 计算机网络体系结构

• 应用层
  应用层协议定义的是应用进程间通信和交互规则
  如域名系统DNS、支持万维网应用的HTTP、支持电子邮件的SMTP等
  应用层交互的数据单元为报文
• 运输层
  运输层负责向两台主机进程间通信提供通用的数据传输服务
  运输层主要使用以下2种协议：
  1）TCP（传输控制协议）- 面向连接的、可靠的数据传输服务
  2）UDP（用户数据报协议）- 无连接的、尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输可靠性）
• 网络层
  网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务
  网络层把运输层生成的报文段（TCP）或用户数据报（UDP）封装成分组（也称包）进行传送
  在TCP/IP体系中，网络层使用IP协议，因此分组也叫IP数据报
• 数据链路层
  数据链路层将网络层产生的IP数据报组装成帧，每一帧包含数据和控制信息（如同步信息、地址信息、容错控制等）
• 物理层
  物理层传输的数据单位是比特
  其任务是确定多大电压表示“1”和“0”，以及连接电缆的插头应当有多少根引脚，各引脚应如何连接
  
                           图3. TCP/IP体系的表示方法

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物理层

数据通信系统

一个数据通信系统可以分为3大部分：源系统、传输系统和目的系统

                               图4. 数据通信系统模型
信道表示向某个方向传送信息的媒体
因此一条通信电路一般包含一条发送信道和一条接收信道

• 单向通信
  又称单工通信，无线电广播、有线电广播和电视广播属于该类型
• 双向交替通信
  又称半双工通信，一方发送另一方接收，过段时间可以反过来
• 双向同时通信
  又称全双工通信，通信双方可以同时发送和接收信息

一般将来自信源的信号称为基带信号
基带信号往往包含较多低频成分，而许多信道无法传输低频因此必须对基带信号进行调制：
1）基带调制
仅对基带信号的波形做变换，使其与信道特性相适应，也称编码
变换后的信号仍然是基带信号（数字信号）
一般有不归零制、归零制、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码几种方法

                               图5. 基带调制常用的几种方法
2）带通调制
使用载波做调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号
一般有调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）3种基本调制方法

                               图6. 带通调制常用的几种方法

传输媒介

分为引导型传输媒介（有线）和非引导型传输媒介（无线）
1）引导型传输媒介

• 双绞线
  可传输模拟/数字信号，传输距离10公里，再远需要加信号放大器，超5类线可达到125MHz带宽。成本低，应用非常广泛。
• 同轴电缆
  具有很好的抗干扰性，带宽接近1GHz，目前应用不多，基本被双绞线取代。
• 光纤
  利用光脉冲通信（有脉冲为1，否则为0）
  光纤包层折射率低，纤芯折射率高，从而使得光线发生全反射，沿着光纤一直传输
  
                               图7. 光纤通信原理
  光纤传输速率高，损耗小，可达到3000GHz的带宽
  抗雷电和电磁干扰性好，无串音干扰保密性高，体积小重量轻

2）非引导型传输媒介

• 微波通信
  频率范围为300MHz~300GHz，在空间中直线传播，因此需要中继站
  可传输电话、电报、图像、数据等信息，信道容量大，传输质量较高
• 卫星通信
  频带宽，信道容量大，通信距离远
  传播时延高，成本高

信道复用

1）频分复用（FDM）
用户在分到一定频带后，在通信过程中始终都占用这个频带
所有用户在同一时刻占用不同带宽资源
2）时分复用（TDM）
将时间分为等长的TDM帧，每个用户在每个帧中占用固定序号的时隙
所有用户在不同时刻占用同样的带宽资源
3）统计时分复用（STDM）
是TDM的改进，集中器缓存每个用户的数据到一个STDM帧（没有就不存），存满了就发送
4）波分复用（WDM）
针对光纤通信，指用一根光纤同时传输多个频率接近的光载波信号
5）码分复用（CDM）
也称码分多址（CDMA），每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信