计算机网络Mooc课件整理第一章

计算机网络之网尽其用

1.1 计算机网络基本概念

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结合的产物。

• 通信系统模型
  

• 计算机网络就是一种通信网络

什么是计算机网络？

• 计算机网络是互联的、自治的计算机集合。

  • 自治-无主从关系
  • 互联-互联互通

• 通过交换网络互联主机。

  • 交换结点-路由器或交换机

    什么是Internet？-组成细节角度

• 全球最大的互联网络

  • ISP网络互联的网络之网络

• 数以百万计的互联的计算设备集合

  • 主机(host) = 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，VolP，email，网络游戏……

• 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

    仅有硬件连接，Internet不能保持顺畅运行，无法保证应用数据有序交付，还需网络协议。

    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。

• 计算机网络的数据交换必须遵守事先约定好的规则。

  什么是网络协议？

• 网络协议简称协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或规定。

• 协议规定了通信实体之间所交换的信息、意义、顺序以及针对收到信息或发生的事件所采取的的“动作”。

  • 协议的三要素
    • 语法
      • 数据与控制信息的结构或格式
      • 信号电平
    • 语义
      • 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
      • 时间顺序
      • 速度匹配

        协议有什么作用？

• 协议规范了网络中所有信息发送和接收的过程

• 学习网络的重要内容之一

• 网络创新的表现形式之一

  1.2 计算机网络的结构

• 网络边缘

  • 主机
  • 网络应用

• 接入网络，物理介质

  • 有线或无线通信链路

• 网络核心

  • 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

• 通讯方式

  • 客户/服务器(C/S)应用模型
    • 客户发送请求，接收服务器响应
  • 对等(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进行

      接入网络

• 如何将网络边缘接入核心网(边缘路由器)？*
  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(bps)

网络核心

• 互联网的路由器网络
• 网络核心的关键功能：路由+转发
• 网络核心解决的基本问题
  • 利用数据交换实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机

    Internet结构：网络之网络

• 端系统通过接入ISP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能互相发送分组
• 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

数以百万计的接入ISP时如何连接在一起的？
答：可选方案：将每个接入ISP连接到一个国家或全球ISP。
然而，从商业角度来看，必定有竞争者，利用IXP进行互连，可能会出现区域网络连接接入ISP和运营商ISP，内容提供商也可能运行其自己的网络，并就近为端用户提供服务、内容。

1.3 网络核心

利用数据交换实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机

为什么需要数据交换？

答：N²链路问题、连通性、网络规模

什么是交换？

• 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

  电路交换的特点

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
通话过程中电路占用的电路资源不能被第三方使用(但不能说电路交换网络中，每条电路独占其经过的物理链路，因为一条物理链路要多路复用)。
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。

多路复用

​ 多路复用，简称复用，是通信技术中的基本概念。

• 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”
• 每路呼叫独占分配到的资源片进行通信
• 资源片可能“闲置”(无共享)

典型多路复用方法

• 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)

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(这里的带宽是频率带宽Hz,不是数据发送速率)

• 用户在分配到一定频带后，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。

• 每个用户所占用的时隙周期性出现(其周期就是TDM帧的长度)

  
  

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，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
  

报文交换

• 报文：源(应用)发送信息整体
  

分组交换

• 分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包(头部+数据)
• 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
  

存储-转发

• 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

报文交换 vs 分组交换？(只有结果，不懂看视频)


• 报文交换
  

• 分组交换
  

  • 分组交换的报文交付时间(忽略传播时延跟处理时延用)
    
    • 一般计算：第一个分组到达目的需要的总时间+其余分组从起点发出的时间

分组交换 vs 电路交换？

分组交换绝对优于电路交换吗？

• 分组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
  • 但可能产生拥塞，在成分组延迟和丢失
    • 需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制

      1.4 计算机网络性能

速率

• 速率即数据率或称数据传输速率或比特率

  • 单位时间(秒)传输信息(比特)量
  • 计算机网络中最重要的一个性能指标
  • 单位：b/s(bps)、kb/s、Mb/s、Gb/s
  • k=10³、M=10⁶、G=10⁹

• 速率往往是指额定速率或标称速率

带宽

• “带宽”原本指信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(Hz)
• 网络的“带宽”通常是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位b/s (bps)
• 常用的带宽单位：
  • kb/s(10³ b/s)
  • Mb/s(10⁶ b/s)
  • Gb/s(10⁹ b/s)
  • Tb/s(10¹² b/s)

延迟/时延

分组交换为什么会产生丢包和时延？

答：分组在路由器缓存中排队

• 四种分组延迟

  • 结点处理延迟和排队延迟
    

  • 传输延迟和传播延迟
    

  • d_nodal=d_proc+d_queue+d_trans+d_prop

  • 排队延迟
    

时延带宽积

• 时延带宽积=传播时延×带宽=d_prop×R (bits)

  

分组丢失(丢包)

吞吐量/率

• 吞吐量表示在发送端与接收端之间传送数据速率(b/s)
  • 即时吞吐量：给定时刻的速率
  • 平均吞吐量：一段时间的平均速率

1.5 计算机网络的体系结构

​ 为方便讨论，引入体系结构，从功能上来描述的计算机网络。计算机网络体系结构简称网络体系结构，是一种抽象的分层结构，每层遵循某些网络协议完成本层功能

采用分层结构的原因？

• 结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系

• 模块化的分层易于系统的维护、更新

  • 任何一层服务实现的改变对系统其它层都是透明的

• 有利于标准化

分层网络体系结构基本概念

• 实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
• 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议是水平的
• 任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，服务是垂直的
• 下层协议的实现对上层的服务用户是透明的
• 同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点SAP，交换原语，指定请求的特定服务

1.5.1 OSI参考模型

• OSI参考模型是由ISO在1984年提出的分层结构
• 目的是支持异构网络系统的互联互通，是异构网络互联系统的国际标准
• 是理解网络通信的最佳学习工具（理论成功，市场失败）
• 具有7层，每个层次完成不同的功能

OSI参考模型解释的通信过程

​ Tips:传输层及之上为端到端通信

OSI参考模型数据封装与通信过程

为什么要数据封装？

• 增加控制信息

  • 构造协议数据单元PDU

  控制信息主要包括：

  • 地址：标识发送端/接收端
  • 差错检测编码：用于差错检测或纠正
  • 协议控制：实现协议功能的附加信息，如：优先级、服务质量和安全控制等

OSI参考模型-物理层功能

• 接口特性
  • 机械特性、电气特性、功能特性、规程特性
• 比特编码
• 数据率
• 比特同步
  • 时钟同步
• 传输模式
  • 单工通信
  • 半双工通信
  • 全双工通信

OSI参考模型-数据链路层功能

• 负责结点-结点的数据传输
• 组帧
• 物理寻址
  • 在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端
• 流量控制
  • 避免淹没接收端
• 差错控制
  • 检错并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧
• 访问/接入控制
  • 在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权

为什么要有物理寻址的功能？

若不能物理寻址，数据发出后没有办法保证被正确接收！

OSI参考模型-网络层功能

• 负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付

  • 可能穿越多个网络

• 逻辑寻址

  • 全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如：IP地址

• 路由（routing）

  • 路由器（或网关）互连网络，并路由分组至最终目的主机
  • 路径选择

• 分组转发

  

OSI参考模型-传输层功能

• 负责源-目的（端-端）（进程间）完整报文传输

• 分段与重组

• SAP寻址

  • 确保将完整报文提交给正确进程，如端口号

    

• 连接控制

• 流量控制

• 差错控制

OSI参考模型-会话层功能

• 对话控制

  • 建立、维护

• 同步

  • 在数据流中插入“同步点”

功能少，最薄的一层
PS：在实际的网络中，不存在会话层这一层

OSI参考模型-表示层功能

表示层处理两个系统间交换信息的语法与语义问题

• 数据表示转化
  • 转换为主机独立的编码
• 加密/解密
• 压缩/解压缩

OSI参考模型-应用层功能

支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）

典型应用层服务：

• 文件传输（FTP）
• 电子邮件（SMTP）
• Web（HTTP）等

1.5.2 TCP/IP参考模型

1.5.3 五层参考模型

五层参考模型的数据封装

1.6 计算机网络与Internet发展历史

(lll￢ω￢) 一看就不是考点是吧，不打了。