一、計算機網(wǎng)絡
計算機網(wǎng)絡=通信技術(shù)+計算機技術(shù)
計算機網(wǎng)絡是通信技術(shù)與計算機技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物
通信系統(tǒng)模型：
計算機網(wǎng)絡就是一種通信網(wǎng)絡
1.定義：
計算機網(wǎng)絡就是互連的、自治的計算機集合。
自治：無主從關系
互連：互聯(lián)互通
距離遠、數(shù)量大如何保證互連？
通過交換網(wǎng)絡互連主機
2.Internet
全球最大的互聯(lián)網(wǎng)絡
ISP(Internet Service Provider)網(wǎng)絡互連的“網(wǎng)絡之網(wǎng)絡”
3.組成
①數(shù)以百萬計的互連的計算設備集合:
- 主機(hosts)=端系統(tǒng)（end systems）
- 運行各種網(wǎng)絡應用
②通信鏈路
- 光纖, 銅纜, 無線電,衛(wèi)星……
③分組交換:轉(zhuǎn)發(fā)分組(數(shù)據(jù)包)
- 路由器(routers)
- 交換機(switches)
4.服務
為網(wǎng)絡應用提供通信服務的通信基礎設施:
- Web, VoIP, email, 網(wǎng)絡游戲,電子商務, 社交網(wǎng)絡, …
為網(wǎng)絡應用提供應用編程接口（API）：
- 支持應用程序“連接”Internet，發(fā)送/接收數(shù)據(jù)
- 提供類似于郵政系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸服務
注意：僅有硬件（主機、鏈路、路由器……）連接，Internet能否順暢運行？能保證應用數(shù)據(jù)有序交付嗎？……
No！
還需要協(xié)議！
二、網(wǎng)絡協(xié)議
協(xié)議是計算機網(wǎng)絡有序運行的重要保證
硬件（主機、路由器、通信鏈路等）是計算機網(wǎng)絡的基礎
計算機網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換必須遵守事先約定好的規(guī)則
1.網(wǎng)絡通信
- 通信主體是“機器”而不是人
- 交換“電子化”或“數(shù)字化”消息
- 計算機網(wǎng)絡的所有通信過程都必須遵守某種/些規(guī)則—協(xié)議
2.網(wǎng)絡協(xié)議的定義
網(wǎng)絡協(xié)議(network protocol)，簡稱為協(xié)議，是為進行網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定
協(xié)議規(guī)定了通信實體之間所交換的消息的格式、意義、順序以及針對收到信息或發(fā)生的事件所采取的“動作”（actions）
3.協(xié)議的三要素
①語法（Syntax）
- 數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式
- 信號電平
②語義（Semantics）
- 需要發(fā)出何種控制信息
- 完成何種動作以及做出何種響應
- 差錯控制
③時序（Timing）
- 事件順序
- 速度匹配
4.協(xié)議是計算機網(wǎng)絡的重要內(nèi)容
協(xié)議規(guī)范了網(wǎng)絡中所有信息發(fā)送和接收過程
e.g., TCP, IP, HTTP, Skype,802.11學習網(wǎng)絡的重要內(nèi)容之一
網(wǎng)絡創(chuàng)新的表現(xiàn)形式之一
Internet協(xié)議標準
RFC: Request for Comments
IETF:互聯(lián)網(wǎng)工程任務組（Internet Engineering TaskForce）
三、計算機網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)
1.網(wǎng)絡邊緣
- 主機
- 網(wǎng)絡應用
①主機(端系統(tǒng)):位于“網(wǎng)絡邊緣”運行網(wǎng)絡應用程序如：Web, email
②客戶/服務器(client/server)應用模型：客戶發(fā)送請求，接收服務器響應。如：Web應用，文件傳輸FTP應用
③對等(peer-peer, P2P)應用模型:無（或不僅依賴）專用服務器，通信在對等實體之間直接進行。如：Gnutella, BT, Skype, QQ
2.接入網(wǎng)絡，物理介質(zhì):
- 有線或無線通信鏈路
住宅（家庭）接入網(wǎng)絡
機構(gòu)接入網(wǎng)絡 (學校,企業(yè)等)
移動接入網(wǎng)絡
①接入網(wǎng)絡: 數(shù)字用戶線路 (DSL)：
- 利用已有的電話線連接中心局的DSLAM
數(shù)據(jù)通信通過DSL電話線接入Internet
語音（電話）通過DSL電話線接入電話網(wǎng) - < 2.5 Mbps上行傳輸速率 (典型速率 < 1 Mbps)
- < 24 Mbps下行傳輸速率 (典型速率 < 10)
- FDM: >50 kHz - 1 MHz用于下行
4 kHz - 50 kHz用于上行
0 kHz - 4 kHz用于傳統(tǒng)電話
②接入網(wǎng)絡: 電纜網(wǎng)絡
頻分多路復用 : 在不同頻帶（載波）上傳輸不同頻道
- HFC: 混合光纖同軸電纜（ hybrid fiber coax ）
非對稱: 下行高達30Mbps 傳輸速率，上行為2 Mbps傳率輸速率 - 各家庭（設備）通過電纜網(wǎng)絡→ 光纖接入ISP 路由器
各家庭共享家庭至電纜頭端的絡接入網(wǎng)絡
不同于DSL的獨占至中心局的接入
③.典型家庭網(wǎng)絡的接入
④機構(gòu)（企業(yè)）接入網(wǎng)絡 (Ethernet)
- 主要用于公司、高校、企業(yè)等組織機構(gòu)
- 典型傳輸速率：10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps
- 目前，端系統(tǒng)通常直接連接以太網(wǎng)交換機（switch）
⑤無線接入網(wǎng)絡
通過共享的 無線接入網(wǎng)絡連接端系統(tǒng)與路由器
通過基站（base station）或稱為“接入點”（access point）
3.網(wǎng)絡核心（ 核心網(wǎng)絡）:
- 互聯(lián)的路由器（或分組轉(zhuǎn)發(fā)設備）
- 網(wǎng)絡之網(wǎng)絡
- 網(wǎng)絡核心的關鍵功能: 路由+ 轉(zhuǎn)發(fā)
網(wǎng)絡核心解決的基本問題：通過數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)數(shù)據(jù)從源主機通過網(wǎng)絡核心送達目的主機
四、Internet結(jié)構(gòu)
- 端系統(tǒng)通過入接入ISP （access ISPs ）連接到Internet
家庭、公司和大學ISPs - 接入ISP 必須進一步互連
這樣任意兩個主機才可以互相發(fā)送分組 - 構(gòu)成復雜的網(wǎng)絡互連的網(wǎng)絡
經(jīng)濟和國家政策是網(wǎng)絡演進的主要驅(qū)動力 - 當前Internet 結(jié)構(gòu)？
無人能給出精確描述
1.網(wǎng)絡之網(wǎng)絡
①每個接入ISP直接彼此互連
② 將每個接入ISP 連接到一個國家或全球ISP（Global ISP ）
區(qū)域網(wǎng)絡（regional networks）連接接入ISP和運營商ISP：
內(nèi)容提供商網(wǎng)絡(content provider networks ，
如： Google,Microsoft 等， 可能運行其自己的網(wǎng)絡，并就近為端用戶提供服務、內(nèi)容：
在網(wǎng)絡中心: 少數(shù)互連的大型網(wǎng)絡
- “一級”(tier-1)商業(yè)ISPs (如：網(wǎng)通、電信、Sprint、 AT&T)，提供國家或國際范圍的覆蓋
- 內(nèi)容提供商網(wǎng)絡（content provider network， 如：Google)：私有網(wǎng)絡，連接其數(shù)據(jù)中心與Internet，通常繞過一級ISP和區(qū)域ISPs
五、數(shù)據(jù)交換
數(shù)據(jù)交換：實現(xiàn)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡核心從源主機到達目的主機
為什么需要數(shù)據(jù)交換：
1.電路交換
①特點：
最典型電路交換網(wǎng)絡：電話網(wǎng)絡
電路交換的三個階段：
- 建立連接（呼叫/電路建立）
- 通信
- 釋放連接（拆除電路）
獨占資源
電路交換網(wǎng)絡共享中繼線：多路復用（Multiplexing）
②多路復用
多路復用(multiplexing)，簡稱復用，是通信技術(shù)中的基本概念
多路復用(Multiplexing):鏈路/網(wǎng)絡資源（如帶寬）劃分為“資源片”
- 將資源片分配給各路“呼叫”（calls）
- 每路呼叫獨占分配到的資源片進行通信
- 資源片可能“閑置”(idle)(無共享)
典型多路復用方法:
- 頻分多路復用( frequency division multiplexing-FDM )
- 時分多路復用( time division multiplexing-TDM )
- 波分多路復用(Wavelength division multiplexing-WDM)
- 碼分多路復用( Code division multiplexing-CDM )
頻分多路復用FDM：
- 頻分多路復用的各用戶占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬（單位：Hz）而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）
- 用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶
時分多路復用TDM
- 時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM 幀），每個用戶在每個 TDM 幀中占用固定序號的時隙
- 每用戶所占用的時隙是周期性出現(xiàn)（其周期就是TDM 幀的長度）
- 時分復用的所有用戶是在不同的時間占用相同的頻帶寬度
波分多路復用WDM
波分復用就是光的頻分復用
碼分多路復用CDM
- 廣泛應用于無線鏈路共享 (如蜂窩網(wǎng),衛(wèi)星通信等)
- 每個用戶分配一唯一的mbit碼片序列 (chipping sequence)，其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示，例如：
S 站的碼片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1) - 各用戶使用相同頻率載波，利用各自碼片序列編碼數(shù)據(jù)
- 編碼信號 = (原始數(shù)據(jù)) × (碼片序列)
如發(fā)送比特 1（+1），則發(fā)送自己的 mbit 碼片序列
如發(fā)送比特 0（-1），則發(fā)送該碼片序列的m bit 碼片序列的反碼 -
各用戶碼片序列相互正交(orthogonal)
image.png
令{d i }為原始數(shù)據(jù)序列，各用戶的疊加向量為
image.png
解碼 : 碼片序列與編碼信號的內(nèi)積
碼分多路復用編/ 解碼舉例：
2.報文交換
報文：源（應用）發(fā)送信息整體
比如：一個文件
3.分組交換
分組：報文分拆出來的一系列相對較小的數(shù)據(jù)包
分組交換需要報文的拆分與重組，產(chǎn)生額外開銷
報文交換與分組交換均采用存儲-轉(zhuǎn)發(fā)交換方式
區(qū)別：
- 報文交換以完整報文進行“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”
- 分組交換以較小的分組進行“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”
傳輸延遲：
發(fā)送主機:
- 接收應用報文（消息）
- 拆分為較小長度為 L bits的分組（packets）
- 在傳輸速率為R的鏈路上傳輸分組
分組傳輸延遲（時延）（delay ）= L (bits) / R (bits/sec)
傳輸時延：
從發(fā)送一個分組的第一個bit開始，到最后一個bit發(fā)送結(jié)束的時間
傳輸延遲，傳輸時延 = 發(fā)送延遲，發(fā)送時延
- 報文: M bits
- 鏈路帶寬（數(shù)據(jù)傳輸速率）: R bps
- 分組長度（大?。? L bits
- 跳步數(shù): h
- 路由器數(shù)：n
T=M/R + (h-1)L/R=M/R + nL/R
例題：
在下圖所示的采用“存儲-轉(zhuǎn)發(fā)”方式的分組交換網(wǎng)絡中，所有鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mbps，分組大小為1 000 B，其中分組頭大小為20 B。若主機H1向主機H2發(fā)送一個大小為980 000 B的文件，則在不考慮分組拆裝時間和傳播延遲的情況下，從H1發(fā)送開始到H2接收完為止，需要的時間至少是多少？
【 解】980 000 B大小的文件需要分1000個分組，每個分組1 000 B。H1發(fā)送整個文件需要的傳輸延遲為(980 000+201000)8/100 000 000=80ms；根據(jù)路由選擇基本原理，所有數(shù)據(jù)分組應該經(jīng)過兩個路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，所以再加上最后一個分組的兩次轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸延遲，即210008/100 000 000=0.16ms。所以，H2收完整個文件至少需要80+0.16=80.16ms。
分組交換和電路交換對比：
分組交換允許更多用戶同時使用網(wǎng)絡！—— 網(wǎng)絡資源充分共享
分組交換適用場景：
- 適用于 突發(fā)絡 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡
資源充分共享
簡單、無需呼叫建立 - 可能產(chǎn)生擁塞（congestion ）: 分組延遲和丟失
需要協(xié)議處理可靠數(shù)據(jù)傳輸和擁塞控制
