1-计算机网络概述

[TOC]

1.1-计算机网络基本概念

1.1.1-什么是计算机网络

计算机网络 = 通信系统 + 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：

计算机网络就是一个互连的、自治的计算机的集合。

自治：计算机之间没有主从关系

**互连：**互联互通

在主机太多时，我们引入交换网络互连主机，其中交换节点称为路由器或交换机

1.1.2-什么是Internet

计算机角度：

全球最大的互联网络
Internet通过ISP（Internet Service Provider）网络互连成为网络之网络
百万互连的设备的集合
- 主机（hosts） = 端系统（end systems）
- 这些主机都能运行各种网络应用
通信链路：卫星、无线电、光纤、、、
分组交换：数据的分组转发

服务角度：

为网络应用提供通信服务的通信基础设施
为网络应用提供API

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：不能，我们还需要网络协议

1.1.3-什么是网络协议

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

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消息的格式、意义、顺序以及针对收到信息或发生的事件所采取的“动作”（actions）

协议三要素：

语法（Syntax）：
- 数据或控制信息的结构或形式
语义（Semantic）：
- 需要发送何种控制信息
- 完成什么动作，做出什么反应
- 差错控制
时序（Timing）：
- 事件顺序
- 速度匹配

意义：

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文档：request for comments
- IETF：互联网工程项目组

1.2-计算机网络结构

1.2.1-计算机网络结构

结构上：

网络边缘：主机、网络应用
接入介质、物理介质：有线、无线通信介质
网络核心：中继路由设备如交换机、路由器

网络边缘

构成：主机（端系统）

CS模型：客户发出请求，服务器响应请求，如web应用和FTP应用

P2P模型（对等应用模型）：无专用服务器，通信在对等实体之间直接通信，如QQ、Skype

接入网络

接入网络要解决的问题

Q：如何将网络边缘接入核心网？

A：接入网络

家庭接入网络
机构接入（学校、公司
移动接入

用户关心：

带宽（bandwidth）：每秒能传输多少信息
接入方式：独占/共享

eg：数字接入网络

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:
- 50KHz - 1MHz 下行
- 4 kHz - 50 kHz用于上行
- 0 kHz - 4 kHz用于传统电话

eg: 电缆网络

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）通过电缆网络一光纤接入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

家庭接入网络

企业接入网络

主要用于公司、高校、企业等组织机构

典型传输速率：10 Mbps, 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）

网络核心

关键功能：路由 + 转发

路由：确定分组从源到目的传输路径

转发：将分组从路由器的输入端口交换到正确的输出端口

网络核心通过数据交换实现了数据从源发送到目标

1.2.2-Internet结构

网络之网络：由很多网络互连的网络。

端系统通过接入ISP连接到Internet，接入ISP之间必须互连，构成复杂的网络互连的网络

ISP如何连接

每个ISP之间彼此互连

全球性ISP

IXP（Internet Exchange Point）：ISP网络之间的交换节点
区域ISP
- 用户先接入区域ISP再连接全球ISP

内容提供商网络
- 如Google、微软

就近地为附近用户提供服务

结构

1.3-网络核心

数据交换：解决了如何将数据从源主机传输到目标主机的问题

$N^{2}$ 链路问题

如果主机数量特别大，主机距离特别远，那么效率就会很低。复杂度为 $\frac{N ( N - 1 )}{2}$

这时候就需要交换网络

动态转接

动态地在物理或逻辑上建立端口连接，将一个端口数据转移到另一个端口

电路交换

例子：电话网络

特点：

三个阶段：
- 电路建立（呼叫）
- 通信（说话）
- 释放连接（挂电话）
独占资源：即时不说话，连接也会被占用

多路复用

多路复用（Multiplexing），简称复用

通信链路的传输能力远大于一路的传输能力，可以多路共享一个技术

基本原理：将信道资源划分成资源片，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。

典型多路复用算法

频分多路复用FDM
- 在频率上进行划分
- 有线电视网络
- 每个用户占用自己的频率，分配后始终占用这个频带

时分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，每个时隙允许用户发送数据。
- 每个用户占用时隙周期性出现
波分WDM
- 光通信中光的频分复用

码分CDM
- 用于无线链路共享（蜂窝、卫星通信）
- 每个用户分配一个唯一的mbit码片序列(chipping sequence)，其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示
- 各个用户使用相同频率的载波，利用各自码片序列编码序列
- 编码序号 = 原始数据 $\times$ 码片序列
  - 如发送比特 1（+1），则发送自己的mbit码片序列
  - 如发送比特 0（-1），则发送该码片序列的mbit码片序列的反码
- 各个用户的码片序列相互正交： $\frac{1}{m} S_{i} \cdot S_{j} = {1, 0, i = j i \neq = j \frac{1}{m} S_{i} \cdot \overline{S}_{j} = {- 1, 0, i = j i \neq = j$