计算机网络概论——网络实例

计算机网络概论

网络实例

网络分类（按地域规模）

• 个域网 PAN（ Personal Area Network ）
  • 能在便携式消费电器与通信设备之间进行短距离通信的网络
  • 覆盖范围一般在10米半径以内
  • 典型个域网设备：蓝牙耳机
• 局域网 LAN（Local Area Network）
  • 局部地区形成的区域网络，如企业网络
  • 分布地区范围有限，可大可小，大到一栋建筑、小到办公室内的组网
  • 电脑WLAN接入，打印机共享等等
  • 典型局域网设备：无线路由器
• 城域网 MAN（Metropolitan Area Network ）
  • 范围覆盖一个城市的网络
• 广域网 WAN（Wide Area Network）
  • 覆盖很大地理区域，乃至覆盖地区和国家

网络的网络

互联网（Internet）和 互连网（internet）：

• 相似之处
  • 网络的网络
    • 互联网（Internet）——这种类型的一个具体实例
    • 互连网（internet）——泛指这种类型
• 不同之处
  • 互联网（Internet）：
    • 特指遵循TCP/IP 标准、利用路由器将各种
      计算机网络互连起来而形成的、覆盖全球
      的、特定的互连网
    • 使用TCP/IP
    • 是一个专用名词
  • 互连网（internet）：
    • 泛指由多个不同类型计算机网络互连而成
      的网络
    • 除TCP/IP 外，还可以使用其他协议
    • 是一个通用名词

互联网的构成

• 网络边缘

  • 端系统：位于互联网边缘与互联网相连的计算机和其他设备
    • 端系统由各类主机(host)构成
      • 桌面计算机、移动计算机、服务器、其他智能终端设备

• 网络核心

  • 由互联端系统的分组交换设备和通信链路构成的网状网络
    • 分组交换（ 路由器、链路层交换机）
    • 通信链路(光纤、铜缆、无线电、激光链路)

网络边缘

• 主机Host
  • 客户端
    • 便携机、智能手机、平板电脑、智能手环等各类智能终端
    • 服务器：服务器通常位于数据中心
• 主机的功能
  • 容纳（即运行）应用程序
  • 产生信息并向接入网发送数据
  • 从网络接收数据并提供给应用程序

接入网

• 接入网的目标是将主机连接到边缘路由器上
• 边缘路由器是端系统Host去往任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器

如何将终端系统连接到边缘路由器？

• 有线网络接入技术
  • 光纤到户FTTH，以太网，同轴电缆，双绞线的DSL，“古老”的拨号上网
• 无线网络接入技术
  • WiFi、4G/5G，卫星广域
    覆盖
• 接入场景
  • 住宅（家庭）接入网，机构（学校、公司）接入网，移动接入网络（WiFi、4G/5G）

接入网技术

• 光纤到户FTTH

  • FTTH: Fiber To The Home
  • 我国及全球先进地区普遍采用的光纤通信的传输方法
  • 分为两类：有源光纤网络AON和无源光纤网络PON
  • 带宽大、线路稳定

• 无源光纤网络PON

  • PON：Passive Optical Network
  • OLT：局端的光线路终端
  • ONU光网络单元（如光猫ONT）
  • 光猫ONT通过一个或多个无源分光器，连接到局端的光线路终端OLT
    

• 数字用户线DSL：Digital Subscriber Line

  • 用电话线连接到数字用户线接入复用器(DSLAM)
    • DSL电话线上，语音和数据可以同时传输
    • 数据进入互联网，语音连接到电话网
  • 上下行速率不对称
    • 24-52 Mbps下行速率
    • 3.5-16 Mbps上行速率

• 无线接入网

  • 通过基站(“接入点”)将终端系统连接到路由器上
    • 无线局域网（WLAN）
    • 广域蜂窝接入网

物理介质

• 传输单元：位（bit）
  • 在发射机/接收机之间的物理介质上传播的数据的最小单元
  • 用比特表示（bit）

存储常用字节Byte
K/M/G层级为2^10进制
传输常用比特Bit
K/M/G层级为10^3进制

• 物理媒体

  • 是指发射机和接收机之间的具体链路介质
  • 引导型介质：信号在固体介质中传播，例如铜、光纤、同轴电缆
  • 非引导型介质：信号自由传播，例如无线电（陆地无线电、卫星无线电信道)

• 物理介质：光纤

  • 玻璃纤维携带光脉冲，每个脉冲一位
  • 高速运行
    • 高速点对点传输（10-100 Gbps 以上）
  • 低误码率
    • 中继器相距很远，对电磁噪声免疫

• 物理介质：双绞线和同轴电缆

  • 双绞线（Twisted Pair）
    • 两根绝缘铜线互相缠绕为一对
    • 电话线为1对双绞线
    • 网线为4对双绞线，广泛用于计算机网络（以太网）双向传输
    • 第5类：100 Mbps~1 Gbps
    • 第6类：10Gbps
  • 同轴电缆
    • 两根同心铜导线，双向传输
    • 电缆上的多个频率通道
    • 带宽可达100Mbps

• 物理介质：非引导型介质

  • 无线电
    • 电磁频谱中各种“波段”携带的信号
    • 没有物理“电线”
    • 不依赖介质的广播
  • 无线链路类型
    • 无线局域网（WiFi）
      • 9608Mbps；10米
    • 广域（如3/4/5G蜂窝）
      • 在~10公里范围内
    • 蓝牙：短距离，有限速率
    • 地面微波：点对点；45 Mbps
    • 卫星
      • 同步卫星：36000km高空， 280毫秒的往返时延
      • 低轨卫星：近地，但围绕地球高速运动，需要大量卫星才能覆盖地球

• 传播环境影响

  • 反射
  • 物体阻挡
  • 干扰/噪声

网络核心

• 网络核心
  • 目标：将海量的端系统互联起来
  • 由各类交换机（路由器）和链路，构成的网状网络
• 分组交换（也称包交换）
  • 主机将数据分成分组，发送到网络
  • 网络将数据分组从一个路由器转发到下一个路由器，通过从源到目标的路径上的链路，逐跳传输抵达目的地

网络核心的两大功能

功能1：路由

• 全局操作：确定数据分组从源到目标所使用的路径
• 需要路由协议和路由算法，产生路由表

功能2：转发

• 本地操作：路由器或交换机将接收到的数据分组转发出去（即移动到该设备的某个输出接口）
• 确定转发出去的接口/链路：根据从“入接口”收到分组头中的目的地址，查找本地路由表，确定“出接口”
  

路由器转发模型

电路交换

• 电路交换的主要特点
  • 电路交换通常采用面向连接方式
  • 先呼叫建立连接，实现端到端的资源预留
  • 预留的资源包括：链路带宽资源、交换机的交换能力
  • 电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，资源专用，即使空闲也不与其他连接共享
  • 由于建立连接并预留资源，因此传输性能好；但如果传输中发生设备故障，则传输被中断
• 电路交换的多路复用
  • 频分多路复用FDM
  • 时分多路复用TDM
  • ……
  • 在每一路上实现具有和专用链路类似的性能
  • 该路资源专用，即使空闲也不与其他连接共享

无法应对互联网中广泛存在的“突发”（Burst）流量

报文交换

• 存储&转发
  • 路由器需要接收到完整的整个数据报文后，才能开始向下一跳发送
• 存储转发带来报文的传输延迟
  • 将L位数据报文，以R bps的速率，发送到链路中： 需要L/R秒

分组交换

• 将大报文拆分成多个小分组
• 通信双方以分组为单位、使用存储——转发机制，实现数据交互的通信方式
• 以分组作为数据传输单元
• 每个分组的首部都含有地址（目的地址和源地址）等控制信息
• 每个分组在互联网中独立地 选择传输路径
• 支持灵活的统计多路复用

主机A和B的报文分组按需共享带宽，称为统计多路复用（statistical multiplexing）

三种交换的比较

• 电路交换需要建立连接并预留资源，难以实现灵活复用
• 报文交换和分组交换较灵活，抗毁性高，在传送突发数据时可提高网络利用率
• 由于分组长度小于报文长度，分组交换比报文交换的时延小，也具有更好的灵活性。分组交换适合有大量突发数据传输需求的互联网