学习笔记：计算机网络

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前言

此笔记为学习教材《计算机网络》(第7版)-谢希仁以及中国大学MOOC 哈尔滨工业大学李全龙老师的视频所记录的一些知识点

1.1 计算机网络基本概念

什么是计算机网络？

计算机网络=通信技术+计算机技术

通信系统模型：

graph LR

A[信源]-->B[发送设备]
B[发送设备]-->C[信道]
D[噪声源]-->C[信道]
C[信道]-->E[接收设备]
E[接收设备]-->F[信宿]

计算机网络就是一种通信网络

定义：计算机网络就是互连的、自治的计算机集合。

（互连：无主从关系互联：通过通信链路完成互联互通）

主机距离远、数量大需要通过交换网络互连主机

交换网络中的交换节点：路由器或交换机

Internet组成细节角度

全球最大的互联网络 IPS网络互连的“网络之网络”

计算设备集合：主机(hosts)=端系统(end systems)

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
Internet服务角度

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...

为网络应用提供编程接口（API）：支持应用程序“连接”Internet,发送/接收数据；提供数据传输服务...

然鹅，仅有硬件（主机、通信链路、路由器...）连接，Internet是无法顺畅运行的（无法保证应用数据有序交付），因此协议

什么是网络协议？

网络协议主要是为了让网络资源物尽其用。

协议是计算机网络有序运行的重要保证
- 硬件
- 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则

网络协议(network protocol)，简称协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准。

协议规定了通信实体之间所交换消息的格式、意义、排序以及针对收到信息或发生事件所采取的“动作”。

协议的三要素
- 语法(Syntax)
  
  数据与控制信息的结构或格式
  
  信号电平(底层信息)
- 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
- 时序(Timing)
  
  事件顺序
  
  速度匹配

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的发送和接收过程
  
  eg: 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(权威)
  - IETF:互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force)

1.2 计算机网络结构

计算机网络结构

网络边缘

主机
- 位于“网络边缘”
- 运行网络应用程序，例如：web，email
网络应用
- 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：Skype,QQ

接入网络（物理介质）

有线或无线通信链路

接入网络主要为将网络边缘接入核心网络

接入网络分为：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

用户关心的是：带宽(bandwidth，bps) ；独占/共享？

举个栗子：

栗子一，接入网络：数字用户线路（DSL）

1. 家庭用户利用**已有的**电话线连接中心局的DSLAM（数据通过DSL电话线接入Internet,语音/电话通过DSL电话线接入电话网）
2. <2.5Mbps上行传输速率(典型速率<1Mbps)   ~上传速度
3. <24Mbps 下行传输速率(典型速率<1Mbps)   ~下载速度
4. FDM(利用不同的频带传输)：50 kHz- 1MHz用于下行；4 kHz- 50kHz用于上行；0 kHz- 4kHz用于传统通话；

栗子二，接入网络：电缆网络

FDM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（非对称，下行高达30Mbps传输速率，上行2Mbps传输速率）

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接入网络；不同DSL的独占至中心局的接入）

栗子三，接入网络：典型家庭网络的接入
栗子四，接入网络：机构(企业)接入网络

主要用于公司、高校等组织机构 (个人或家庭也可以用)

典型传输速率：10Mbps,100Mbps,1Gbps,10Gbps

目前，端系统通常直接连接以太网交换机(switch)

栗子五，交换网络：无线接入网络

通过共享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）"】

例如，无线局域网(LANs)
- 同一建筑物内(30m)
- 802.11b/g(WiFi):11Mbps\54Mbps传输速率
例如，广域无线接入
- 通过电信运营商（蜂窝网），接入范围几十公里
- 带宽：1Mbps、10Mbps、100Mbps
- 移动互联网

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是：路由+转发

网络核心解决的基本问题是：用数据交换的方法实现数据源主机通过网络核心送达目的主机

Internet结构

端系统通过接入ISP（access ISPs）连接到Internet，例如家庭、公司和大学ISPs

接入ISP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）

当前Internet结构无人能给出精确描述

1.3 网络核心

电路交换

考虑：链路问题，连通性，网络规模

交换的含义：1.动态转接；2.动态分配传输资源；

数据交换的类型：

电路交换
报文交换
分组交换

电路交换的特点
- 最典型的交换网络：电话网络
电路交换的三个阶段:
1. 建立连接（呼叫/电路建立）
2. 通信
3. 释放连接（拆除电路）
独占资源（释放连接之后电路资源才可被第三方占有）

【然而电路交换网络中，每条电路不是独占其经过的物理链路的，至于电路交换网络如何实现链路共享，这又扯到多路复用】

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：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 divsion multiplexing，FDM）
- 时分多路复用（time divsion multiplexing，TDM）
- 时分多路复用（Wavelength divsion multiplexing，WDM）
- 码分多路复用（Code divsion multiplexing，CDM）

频分多路复用（FMD）
- 频分多路复用的个用户占用不同的带宽资源（这的“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十分复用帧（TDM帧），每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙。
- 每个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）

WDM的实质是FDM
码分多路复用（CDM）

详细码分多址（CDMA）
- 广泛应用于无线链路共享（如蜂窝网，卫星通信等）
- 每个用户分配一个唯一 m bit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m bit 码片序列
  
  如发送比特 0 （-1），则发送自己的m bit 码片序列的反码
- 各用户序列相互正交（orthogonal）
  
  $\frac{1}{m} S_0 \cdot S_j = \left \{ \begin{aligned} 1, i=j \\\\ 0, i \not = j \end{aligned} \right. \\\\ \frac{1}{m} S_0 \cdot S_j = \left \{ \begin{aligned} -1, i=j \\\\ 0, i \not = j \end{aligned} \right.$
  
  此用于判断是否为用户自己的码片序列，令为原始数据序列，各用户的叠加向量为：

解码：码片序列与编码信号的内积

例题：站点A、B、C通过CDMA共享链路，A、B、C的码片序列（chipping sequence）分别是（1,1,1,1）、（1，-1,1，-1）和（1，1,-1，-1），若C从链路上收到的序列是（2,0,2,0,0，-2,0，-2,0,2,0,2），则C收到A发送的数据是（）

A.000

B.101

C.110

D.111

正确答案是 B

C接收到的是A，B发送过来的叠加码片，C想要看A发送的数据，就将接收到的叠加码片与A的码片序列进行规格化内积操作：（2，0，2，0；0，-2，0，-2；0，2，0，2）每四位与（1，1，1，1）进行规格化内积，（2 * 1+0 * 1+2 * 1+0 * 1)/4=1;（0 * 1+2 * 1+0 * 1+2 * 1)/4=-1，-1即0;（0 * 1+2 * 1+0 * 1+2 * 1)/4=1;可以得到结果101