计算机网络概述（上）

Posted 2021-09-05 FantasyQin

目录

• 专栏
• 计算机网络概述（上）
• • 计算机网络基本概念
  • • 什么是计算机网络？
    • • 什么是Internet？-组成细节角度
      • 什么是Internet？-服务角度
      • 问题
    • 什么是网络协议？
    • • 网络协议定义
      • 协议的三要素
      • 协议是计算机网络的重要内容
  • 计算机网络结构
  • • 网络边缘
    • 接入网络
    • • 接入网络：数字用户线路（DSL）
      • 接入网络：电缆网络
      • 典型家庭网络的接入
      • 机构（企业）接入网络（Ethernet）
      • 无线接入网络
    • 网络核心
    • Internet结构
  • 网络核心
  • • 数据交换—电路交换
    • • 为什么需要数据交换
      • 交换
      • 数据交换的类型
      • 电路交换的特点
      • 电路交换网络的链路共享
      • 多路复用
      • • 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
    • 数据交换—报文、分组交换(1)
    • • 报文交换（message switching）
      • 分组交换（package switching）
      • • 分组交换：统计多路复用（Statistical Multiplexing）
      • 存储-转发（store-and-forward）
    • 数据交换—报文、分组交换(2)
    • • 报文交换 vs 分组交换
      • • 分组交换：传输延迟
      • 分组交换的报文交付时间
    • 数据交换—报文、分组交换(3)
    • • 例题1.1
      • 分组交换 vs 电路交换
      • 分组交换绝对优于电路交换？

专栏

计算机网络

计算机网络概述（上）

计算机网络基本概念

什么是计算机网络？

计算机网络=通讯技术+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

• 定义：计算机网络就是互联的、自治的计算机集合

• 自治-无主从关系

• 互连：互联互通

  • 通信链路

• 距离远、数量大如何保证互联？

• 通过交换网络互联主机

什么是Internet？-组成细节角度

• 全球最大的互联网络

  • ISP(Internet Service Provider)网络互联的“网络之网络”

• 数以百万计的互联计算设备集合

  • 主机(hosts)= 端系统(end systems)
  • 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(routers)和交换机(switches)
    

什么是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，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

问题

• Q：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？…
• A：No！
• 还需要协议！

什么是网络协议？

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
• 如同交通系统

任何通信或信息交换过程都需要规则

人类交谈：

• 询问时间
• 请假问题
• 人员引荐

…发送特定消息

…采取特定“动作”

网络通信：

• 通信主体是“机器”而不是人
• 交换“电子化”或“数字化”信息
• 计算机网络的所有通信过程都必须遵循某种/些规则——协议

网络协议定义

• 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信息的格式、意义、顺序以及针对收到信息或发送的事情所采取的“动作” （actions）

协议的三要素

• 语法（Syntax）
  • 数据与控制信息的结构或格式
  • 信息电平
• 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 Task Force）

计算机网络结构

• 网络边缘：
  • 主机
  • 网络应用
• 接入网络，物理介质：
  • 有线或者无线通信链路
• 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

网络边缘

• 主机（端系统）：

  • 位于“网络边缘”
  • 运行网络应用程序
    • 如：Web，email

• 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

Q：如何将网络边缘接入核心网（边缘路由器）？

A：接入网络

• 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）？
• 共享/独占？

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 - 1MHz用于下行
  • 4 kHz - 50 kHz用于上行
  • 0 kHz - 4kHz用于传统电话

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
  • 不同于DSL的独占至中心局的接入

典型家庭网络的接入

机构（企业）接入网络（Ethernet）

• 主要用于公司、搞笑、企业等组织结构
• 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）

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）

无线局域网（LANs）：

• 同一建筑物内（30m）
• 802.11b/g（WiFi）：11Mbps、54Mbps传输速率

广域无线接入：

• 通过电信运营商（蜂窝网），接入范围在几十公里
• 带宽：1Mbps、10Mbps、100Mbps
• 3G、4G：LTE
• 移动互联网
  

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
  

网络核心解决的基本问题

• Q：如何实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机？
• A：数据交换
  

Internet结构

Internet结构：网络之网络

• 端系统通过接入ISP（access ISPs）连接到Internet
  • 家庭、公司和大小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
• 构成复杂的网络互联的网络
  • 经济和国家政策是网络演进的主要驱动力
• 当前Internet结构
  • 无人能给出精准描述

Q：数以百万计的接入ISP是如何互连在一起的呢？

可选方案：每个接入ISP直接彼此互连？

可选方案：将每个接入ISP连接到一个国家或全球ISP（Global ISP）？

但是从商业角度，必定有竞争者…，这些ISP网络必须互连

…可能出现区域网络（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

因此出现了

• 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

网络核心

数据交换—电路交换

为什么需要数据交换

• N²链路问题
• 连通性
• 网络规模
  

交换

• 动态转接
  
• 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

• 最典型电路交换网络：电话网络
• 电话交换的三个阶段：
  • 建立连接（呼叫/电路建立）
  • 通信
  • 释放连接（拆除电路）
• 独占资源
  

电路交换网络的链路共享

电路交换网络如何共享中继线？

——多路复用（Multiplexing）

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 divison 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）
• 每个用户分配一个唯一的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，利用各种码片序列编码数据
• 编码信号 =（原始数据）*（码片数据）
  • 如发生比特1（+1），则发送自己的m bit码片序列
  • 如发生比特0（-1），则发生该码片序列的m bit码片序列的反码
• 各用户码片序列相互正交（orthogonal）

• 令{di}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

码分多路复用编/解码举例

多用户码分多路复用编/解码举例

数据交换—报文、分组交换(1)

报文交换（message switching）

• 报文：源（应用）发送信息整体
  • 比如：一个文件
    

分组交换（package switching）

• 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

分组交换：统计多路复用（Statistical Multiplexing）

存储-转发（store-and-forward）

• 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”

• 哪种交换更好呢？

数据交换—报文、分组交换(2)

报文交换 vs 分组交换

分组交换：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
  

有这么一个场景来对比，两个主机通过两个路由器连接在一起，现在有一个报文M发送到目的主机：

• 报文交换：
  • 报文长度为M bits
  • 链路带宽为R bps
  • 每次传输报文需要M/R秒
• 分组交换：
  • 报文被拆分为多个分组
  • 分组长度为L bits
  • 每个分组传输时延为L/R秒

例：

• M=7.5Mbits，L=1500bits
  • M=5000L
• R = 1.5Mbps
• 报文交换：
  • 报文交付时间= ？ sec
• 分组交换：
  • 报文交付时间= ？ sec

由该场景可以得出，分组交换报文交付时间比报文交换报文交付时间短，况且，分组交换只需要1.5M的路由器缓存，而报文交换需要至少7.5M的路由器缓存。由此可知分组交换相比报文交换有很多优点，也因此现代网络尤其是计算机网络，也包括一些数据通信网络主要都采用分组交换技术。

分组交换的报文交付时间

• 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
  

数据交换—报文、分组交换(3)

例题1.1

• 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+20 * 1000) * 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2 * 1000 * 8/100 000 000 = 0.16ms。所以，H2收完整个文件至少需要80+0.16 = 80.16ms。

分组交换 vs 电路交换

• 例：
• 1 Mb/s链路
• 每个用户：
  • “活动”时需100 kb/s
  • 平时活动时间10%
• 电路交换：
  • 10用户
• 分组交换：
  • 对于35个用户，大于10个用户同时活动的概率==<0.0004==
• 分组交换允许更多用户同时使用网络！——网络资源充分共享

分组交换绝对优于电路交换？

• 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
• Q：如何提供电路级性能保障？
  • 例如，音/视频应用所需的带宽保障