之前学习过本课程，由于没有做好笔记，导致很多知识点有所忘记，这次再学一遍，希望起到温故而知新的效果。

一、概述部分

1.计算机网络基本概念

1.1什么是计算机网络

• 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（特殊之处在于信源和信宿都是计算机）
• 定义：计算机网络就是互连的、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：光纤、铜缆、无线电、卫星等
• 网络规模较大时通过交换网络互连主机（主机连接上交换节点（路由器或交换机））

1.2什么是Internet

全球最大的互联网络

• ISP网络互连的“网络之网络”

数以百万计的互连的计算设备集合：

• 主机（hosts）=端系统（end systems）
• 运行各种网络应用

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，电子商务，社交网络，…

为网络应用提供应用编程接口（APl）：

• 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

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！

还需要网络协议

1.3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
• 计算机网络的所有通信过程都必须遵守某种/些规则—协议

1.4什么是网络协议

• 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）

1.5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

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

1.6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 TaskForce）

2.计算机网络结构

2.1网络边缘：

2.11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

2.12接入网络，物理介质：

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）接入网络令机构接入网络（学校，企业等）
• 移动接入网络
  用户关心是：
• 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
• <2.5Mbps上行传输速率（典型速率<1Mbps）
• <24Mbps下行传输速率（典型速率<10）
• FDM：>50kHz-1MHz用于下行；
  4kHz-50kHz用于上行；

0kHz-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）

接入网络：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）

2.2Internet网络结构

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

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

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

3.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
• 路由（routing）：
  确定分组从源到目的传输路径
• 转发（forwarding）：
  将分组从路由器的输入端口交换至正确的输出端口

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

网络核心

1.数据交换一电路交换

• 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

为什么需要数据交换？

传统连接的弊端：随着主机数的增加，每台主机所要维护的链路数急剧增加。假设主机数量为N，在下图结构中，每台主机要维护的链路数是：

在经济上是不可行的；在技术上也很难实现。

于是引入了交换设备：

为了维护连通性、实现网络规模，我们可以把交换设备互联在一起，构造成为交换网络。

让主机通过交换网络转发数据最终送到目的地，即实现了交换。

交换的涵义？

1. 实现数据的动态转接功能，由交换设备在所有交换设备端口之间在物理上或逻辑上建立端口之间的连接，将一个端口上的数据转移到另外一个端口，这种连接在很多设备里可以并行地进行。

1. 动态分配传输资源，实现数据从源主机穿越交换网络送到正确的目的主机（主要研究对象）。

数据交换的类型：

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换

电路交换：

特点：资源独占（通信双方建立/占用的通信资源不能被第三方共享）！

最典型的电路交换网络：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）

拨号（请求建立一条电路）-->通话-->电路切断

电路交换网络如何共享中继线？

多路复用（Multiplexing）技术！

多路复用（复用）技术

该技术是通信技术中的基本概念

多路复用(Multiplexing):

1. 链路/网络资源(如带宽)划分为“资源片“
2. 将资源片分配给各路”呼叫“（calls）
3. 每路呼叫独占分配到的资源片进行通信
4. 资源片可能”闲置“（idle）（无共享）

典型的多路复用方法：

• 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 division multiplexing-CDM）

频分多路复用FDM

将信道资源在频率上进行划分，分成一个个频带的子信道，让每路信号只是使用其中的某一个频带的子信道（因为频率之间是隔离开的），互不干扰。

应用：如有线电视网络（一根通路电缆接到电视机上，电视就能看很多频道，这些电视信号通过该方法传输）

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（既不划分时间，又不划分频率，划分的是“码”）

广泛应用于无线链路共享（如蜂窝网，卫星通信等）

• 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0（-1），则发送该码片序列的m bit码片序列的反码
  • 如发送比特1（+1），则发送自己的m bit码片序列
• 各用户码片序列相互正交（ orthogonal）

解码：

码分多路复用编/解码举例

单用户发送：

多用户发送：

数据交换一报文、分组交换

报文交换（ message switching）

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

在第一个分组由路由器发送到目的主机时，源主机也在向路由器发送第二个分组。

数据发送完毕后，目的主机将分组报文合并为原始报文，传输完成。

分组交换：统计多路复用（Statistical Multiplexing）

该复用方案的显著特征就是：按需共享链路。

因此，在分组交换网络中，统计多路复用对于链路带宽的共享是非常有利的。

存储转发（ store-and- forward）

即交换设备先把数据接收过来暂存一下，然后确定再从哪个链路往下发出去，并且目标链路可用，则发送（转发）。

不难发现，报文交换和分组交换均采取上述方式，即报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式。

二者之间的区别：

• 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”

那么，哪种交换更好呢？

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 bts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？

• 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

例题：假设我们要发送一个长度为7.5Mbits的报文，链路带宽为1.5Mbps，分组交换会将其拆分成5000个报文，每个报文长度为1500bits，求报文交换和分组交换哪种更好？信息如下图：

报文交换：

路由器需要至少被占用7.5Mbits的缓存（传输更大的报文会需要更大的缓存）。

分组交换：

第二个毫秒后的状态：

第5000毫秒时的状态：

第5.002秒，传输完毕：

相比报文交换速度更快的原因：并行传输（中间路由器不闲置）

主要正因如此，分组交换技术被现代计算机网络以及大部分的数据网络广泛使用。

理论上，上述示例中中间路由器只需占用1500bit缓存即可完成数据传输。

分组交换的报文交付时间（从源主机到目标主机所需时间）

在该场景下，跳步数即链路数，为路由器数+1.

其中，

• M/R：整个报文的传输延迟；
• L/R ：一个小的分组的传输延迟时间
• 相当于M/R（整个报文的传输延迟）+n(L/R)（相当于最后一个分组传输时间）

例题：2009年全国研究生考试题

分析：时间最少，当然路径需要最短。

分组交换vs电路交换？

假设有1Mbps的共享链路带宽；每个用户进行活动的时候需要的链路带宽是100kb/s（100kbps）；每个用户平均活动时间10%。

电路交换：最多只能支持同时10个用户建立10条电路。

分组交换：“用户只管发送请求，分组交换安排数据通信机制，也就是系统只要错开使用时间就可以为大量用户服务”。

研究表明：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！
--实现了网络资源充分共享

那么，分组交换绝对优于电路交换？

答案显然是否定的（如果如此，则完全不需要电话了）

分组交换的优势：

• 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

分组交换的劣势：

• 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

• 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

课程链接：

https://www.icourse163.org/learn/HIT-154005?tid=1206679208

版权属于：soarli

本文链接：https://blog.soarli.top/archives/323.html

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