計算機網絡——第一章、計算機網絡概述

一、計算機網絡概述

1.1 計算機網絡基本概念

  計算機網絡是通信技術與計算機技術緊密結合的產物。可以說，計算機網絡就是一種特殊的通信網絡。 它的信源和信宿都是計算機，傳輸的主要是數字化的一些信息。

通信技術模型

  定義：計算機網絡就是互連的、自治的計算機集合。

• 自治：無主從關係。
• 互連：主機通過通信鏈路（例如光纖、WIFI、同軸電纜等等）互聯互通。

交換網絡

  與交換網絡對應的是直接鏈路連接，主機之間直接相連無法解決遠距離、大規模的主機互連的，而使用交換網絡可以解決。交換網絡中的設備是交換節點，在計算機網絡中，交換節點一般是指路由器或者交換機。

Internet

  全球最大的互聯網，是一個“網絡的網絡”，全球各大ISP組成一個網路，小的ISP分別連接到各個大ISP上組成更大的網絡，機構組織內部的網絡再連接到小的ISP網絡上，就實現了全球互聯。

• 從組成細節上：Internet由無數計算設備（又叫主機或者端系統）、通信鏈路（光纖、銅纜、電磁波）和交換節點（路由器、交換機）組成。
• 從服務角度：Internet是爲網絡應用提供通信服務的通信基礎設施；爲網絡應用提供應用編程接口。

網絡協議

  計算機網絡只有硬件顯然是不夠的，需要一套規則來說明數據如何傳輸，這就是網絡協議。
  定義：網絡協議（network protocol），簡稱爲協議，是爲進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定。
  這套網絡協議具體規定什麼內容呢？協議規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生的事件所採取的動作。
  上述可得一個網絡協議有三個要素：

• 語法（Syntax）：數據與控制信息的結構或格式；信號電平；
• 語義（Semantics）：需要發出何種控制信息；完成何種動作以及做出何種響應；差錯控制；
• 時序（Timing）：時間順序；速度匹配；

1.2 計算機網絡結構

  計算機網絡從結構來看分爲：網絡邊緣（主機、網絡應用）、接入網絡和物理介質（有線或無線通信鏈路）和網絡核心（路由器、分組轉發設備和網絡的網絡）。

• 網絡邊緣
  • 主機（端系統）：位於網絡邊緣，運行網絡應用程序。
  • 客戶/服務器應用模型（client/server）：客戶端發送請求，接收服務器響應；如web應用，文件傳輸FTP服務等。
  • 對等應用模型（peer-peer，P2P）：不依賴專屬服務器，通信在對等實體間進行；如QQ、Skype、BT等。
• 接入網絡
  • 數字用戶電路（DSL）：利用電話線，通過多路複用技術傳輸網絡數字信號。用戶獨佔至中心局的接入。
  • 電纜網絡（如：混和光纖同軸電纜HFC）：多路複用技術傳輸網絡數字信號。各家庭共享電纜頭端的接入網絡。
  • 機構接入網
  • 無線接入網，包括無線局域網（LAN）和廣域無線接入（蜂窩網）。
• 網絡核心（關鍵功能：路由+轉發）
  • 路由：根據路由算法計算出路由表，確定分組從源到目的的傳輸路徑。
  • 轉發：將分組從路由器的輸入端口交換至正確的輸出端口。
  • 網絡核心負責把數據從源主機送達目的主機

Internet結構：頂級ISP互連，頂級包含很多次一級，次一級又包含很多更次一級。它們之間有可能會使用IXP高速網絡做連接。

1.3 網絡核心（提供數據交換功能）

電路交換

  最典型的電路交換網絡是電話網絡。電路交換有三個階段：建立連接、通信和釋放連接。電路交換最顯著的特點是：建立連接之後，就算你沉默不說話，也會一直獨佔通信資源，直到連接被釋放。
  獨佔通信資源並不意味着連接經過的物理鏈路就只有這一個連接，有多路複用技術來讓多個連接通道共享一條物理鏈路。多路複用是將鏈路資源分成多個資源片，每個連接獨佔一個資源片，對於每個資源片來說是不能共享的。 典型的多路複用方法有：頻分多路複用（FDM）、時分多路複用（TDM）、波分多路複用（WDM）、碼分多路複用（CDM）。

• 頻分多路複用：資源片是頻率，每個連接佔用一段頻率。
• 時分多路複用：資源片是時間段，先把時間劃分爲等長的時間段叫時分複用幀，再把一個幀劃分爲許多時隙，每個連接佔用一個時隙。也就是每個連接在每個幀的某一個時隙中發送數據。屬於週期性的發送數據。
• 波分多路複用：就是光的頻分複用。因爲光傳輸時習慣用波長描述。
• 碼分多路複用：廣泛應用於無線鏈路共享。碼分複用爲每個用戶分配一個 m bit的碼片序列，其中“0”用“-1”表示，“1”用“+1”表示，每個用戶的碼片是互相正交的（也就是內積兩兩爲0）。當一個用戶要發送數據的時候，如果想發送1，那麼就在物理鏈路裏面發送自己的碼片，如果想發送0，就發送自己碼片的反碼。每個用戶都這樣發送數據，當你某一時刻想接收某個用戶的數據時，就用那個用戶的碼片對鏈路中受到的數據做規格化內積，結果就是那個用戶發送的數據（因爲用戶都是兩兩正交的，目的用戶之外的其他用戶和目的用戶的數據的規格化內積肯定爲0）。

報文交換：應用發送信息的整體，如：一個文件；就是報文。報文交換需要將一個報文全部接收完成之後再選擇從哪一個端口發送出去。
分組交換：將報文分成多個較小的數據包，每個數據包添加一些控制信息，在信源將報文拆分，然後分組傳輸，最後在信宿將報文組合起來。顯然，每個分組的控制信息和對報文的拆分組合都算是額外的開銷。 分組交換網絡的鏈路複用是統計多路複用，誰有數據包，誰就發送。

存儲-轉發

  報文交換和分組交換都採用存儲-轉發的數據交換方式（先把數據完整接收，暫存在節點內部，然後判斷要轉發到哪個端口，最後再進行轉發）。

分組和報文比較（傳輸延遲）

  假設一個分組爲L(bits)，鏈路傳輸速率爲R(bits)，那麼：
$分組傳輸延遲(delay)=\frac{L(bits)}{R(bits/sec)}$
  如下場景，報文 M bits，跳數 h，路由器數 n=(h-1) ：

  那麼分組交換的傳輸時間是：
$T=\frac{M}{R}+(h-1)\frac{L}{R}=\frac{M}{R}+n\frac{L}{R}$

分組和電路比較

  比起報文交換，分組交換要優秀很多，那麼分組交換和電路交換比較起來怎麼樣呢？因爲電路交換建立連接時需要獨佔資源，而一般用戶聯網時發送數據的頻率非常非常低，這就造成了通信資源的浪費。使用分組交換可以極大的提高資源利用率。

小結

  分組交換適用於突發數據傳輸網絡，資源充分共享，簡單、無需呼叫建立。而缺點是可能會產生擁塞（也就是分組延遲和丟失），這就需要一些手段來處理可靠數據傳輸和擁塞控制。也是因爲擁塞的可能性，音/視頻應用無法做到電路交換的性能。

1.4 計算機網絡性能

  要衡量一個計算機系統的好壞，需要有一些性能指標，包括：速率、帶寬、延遲、時延帶寬積、吞吐量、丟包率。

1. 速率（也叫數據率、數據傳輸速率或比特率）：單位時間（s）內傳輸的數據量（bits），是計算機網絡中最重要的一個性能指標，單位一般有：b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s和Tb/s，其中k、M、G、T分別指10的3、6、9、12次方。速率往往是指額定速率或標稱速率。
2. 帶寬：是數字通道所能傳輸的最大速率。帶寬就是最大速率。
3. 延遲/時延：
     節點處理延遲：節點對分組的處理花費的時間，要做：差錯檢驗、確定輸出鏈路，通常不超過毫秒級。
     排隊延遲：處理完成後排隊等待發送花費的時間，要等待輸出鏈路可用，時長取決於路由器的擁塞程度。
     因爲排隊延遲的不確定性，又有專門的指標來衡量排隊情況，叫流量強度，La/R，其中a表示平均分組到達速率（也就是一秒有幾個分組到達節點），流量強度趨於0表示平均排隊延遲很小，趨於1表示平均排隊延遲很大，如果大於1則表示超出處理能力了，延遲無限大，也就是比特到達的速率大於帶寬，越來越多發不完了。
     傳輸延遲：分組發送第一個比特開始，到最後一個比特發送完成所花費的時間，顯然，這個取決於分組的長度（L）和鏈路的帶寬（R），所以可用L/R來計算。
     傳播延遲：信號在物理鏈路中傳播所用的時間，取決於物理鏈路的長度（d），和信號傳播速度（s）。可用d/s計算。其中的信號傳播速度典型的銅纜中是0.7倍的光速，大約2乘10的8次方每秒。
4. 時延帶寬積：傳播延遲✖帶寬，也就是在這個帶寬下，這條物理鏈路能容納多少比特，所以時延帶寬積又叫以比特爲單位的鏈路長度。
5. 分組丟失（丟包）：分組到達節點時，節點緩存已滿，所以就丟了，用丟包率=丟包數/已發分組總數；來衡量。
6. 吞吐量/率：指發送端到接收端之間的數據傳輸速率，不是中間某一條鏈路的速率（這個叫帶寬）。包括即時吞吐量和平均吞吐量。端到端是總體上來看的速率，會受到帶寬最小的那條中間鏈路的限制。

1.5 計算機網絡體系結構

  從功能的角度來看計算機網絡，把計算機網絡按照不同的功能劃分爲幾個不同的層級。一下是幾個填空題：

• 計算機網絡體系結構簡稱網絡體系結構是分層結構。
• 每層遵循某個/些網絡協議完成本層功能。
• 計算機網絡體系結構是計算機網絡各層極其協議的集合。
• 體系結構是一個計算機網絡的功能層次及其關係的定義。
• 體系結構是抽象的。

  爲什麼要採取分層呢？好處在於：

• 結構清晰，有利於識別複雜系統的部件及其關係。
• 模塊化的分層易於系統的更新、維護。
• 有利於標準化

  分層結構中，每一個實體之間，通過協議協作，層與層之間通過交換原語SAP協作，下層會向上層提供服務，並且對上層透明。同樣有幾個填空題：

• 實體表示任何可發送或接受信息的硬件或軟件進程。
• 協議是控制兩個對等實體進行通信的規則的集合，協議是“水平的”。
• 任一層實體需要使用下層提供服務，遵循本層協議，實現本層功能，向上層提供服務，服務是“垂直的”。
• 下層協議的實現對上層的服務用戶是透明的。
• 同系統的相鄰層實體間通過接口進行交互，通過服務訪問點SAP，交換原語，指定請求的特定服務。

OSI參考模型

  分成七層：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。發送數據時，自頂向下封裝數據，每一層都要添加自己的控制信息（一般包含地址、差錯檢測編碼、協議控制的附加信息等），到了目的地之後再逐層，自下向上的拆包。

• 物理層：實現每一個比特的傳輸，在這一層要定義物理層的接口特性，包含機械特性、電氣特性、功能特性、規程特性；還要定義比特編碼，什麼樣的電平表示0之類的通信相關內容；定義數據率、比特同步（和時鐘同步有關）、傳輸模式（單工、半雙工、全雙工）。
• 數據鏈路層：負責結點到結點的數據傳輸；以幀爲數據單位，要讓接受端能把幀與幀區分開，完成組幀；負責物理尋址，明確要傳到哪個接收端。；負責流量控制，避免淹沒接收端；負責差錯控制，一般在數據幀尾部；負責訪問控制，決定某一時刻哪個設備擁有物理介質的使用權。
• 網絡層：負責從源主機到目的主機數據分組的交付，要跨越多個網絡，而鏈路層的協議是針對用物理介質直接連接在同一個網絡中的情況的，跨越網絡時就不能用了；負責全網的邏輯尋址；負責路由，幫助路由器選擇路徑；負責分組轉發。
• 傳輸層：負責進程與進程之間的通信；負責分段與重組；做SAP尋址，確保將完整的報文交給正確的進程，如端口號；負責連接控制；負責流量控制；負責差錯控制。
• 會話層：對話控制、同步。現在的Internet應該是沒有這一層。
• 表示層：處理兩個系統間交換信息的語法與語義；負責數據表示的轉化；負責加密/解密，壓縮/解壓縮；實際網絡由應用層代爲完成；
• 應用層：HTTP、FTP、SMTP等。支持用戶通過用戶代理（瀏覽器等）或網絡接口使用網絡（服務）。

TCP/IP參考模型

  以IP協議爲核心，一切都建立在IP協議之上。