计算机网路基础 - 一些基本概念与网络结构

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1. 基本概念

计算机网络 = 通信技术+计算机技术，是两项技术紧密结合的产物。

通信系统的基础模型：

计算机网络，是指将地理位置不同、具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

即互连的、自治的计算机及设备的集合，并通过交换网络互连主机。

2. 计算机网络的组成

ISP（Internet Service Provider）

全球ISP、区域ISP、移动网络、家庭网络、机构网络等等，均属于计算机网络的组成部分。

• 计算设备：主机（Host），即端系统（end system），PC、服务器、无线笔记本、手机等
• 通信链路：分为有线链路和无线链路，如光纤、铜缆、无线电、卫星等
• 分组交换：转发分组，如路由器、交换机等

3. 计算机网络的服务

• 为网络应用提供通信服务的通信基础设施：Web、语音电话、Email、网络游戏等。
• 为网络应用提供应用编程接口（API）：支持应用程序连接Internet，提供传输服务。

4. 计算机网络协议

仅有主机和链路等硬件设施，无法组成计算机网络，还需要网络协议。

协议是计算机网络有序运行的重要保证。硬件是计算机网络的基础，而协议是计算机网络中数据交换必须遵守的规则。

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、顺序以及针对收到的信息或发生的事件所采取的动作（actions）。

协议规范了网络中所有信息发送和接收到过程，如TCP、IP、HTTP、802.11等。也是学习网络的重要形式、网络创新的表现形式等。Internet协议标准通常由一些特定的组织进行制订，为全球网络通信的通用准则，如RFC（Request of Comments）、IETF（Internet Engineering Task Force）互联网工程任务组等。

协议的三个要素：

• 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、完成何种动作以及作出何种相应、差错控制
• 时序（Timing）：事件顺序、速度匹配

5. 计算机网络的数据交换

数据交换，是计算机网络实现数据通过网络核心，从源主机到达目的主机的方法。

数据交换需要保持网络的连通性，并解决在一定网络规模下的连通性问题。

数据交换的分类：

• 电路交换（CS, Circuit  Switching）：通信网络中最早出现的交换方式，也是应用最普遍的一种方式，主要应用与电话通信网络中。
• 报文交换（Message  Switching）：不要求两个通信结点之间建立专用通路，结点把要发送的信息组织成一个数据包——报文，该报文中含有目标结点的地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传送。
• 分组交换（Packet Switching）：也称包交换技术。将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组，通过传输分组的方式传输信息的一种技术。

5.1 电路交换

• 典型应用：电话网络
• 通信过程：连接建立、信息传送、连接拆除
• 特点：独占资源，实时性好，可靠性高

5.1.1 多路复用技术

多路复用（Multiplexing），简称复用。将链路、网络资源划分为“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进行通信。资源片可能出现闲置状态（idle）。

典型多路复用方法：

• 频分多路复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）
• 时分多路复用 TDM（Time Division Multiplexing）
• 波分多路复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）
• 码分多路复用 CDM（Code Division Multiplexing）

频分多路复用，各用户占用不同的频率带宽（Hz），用户在分配到这个频带狗，在通信过程中自始至终都都独占这个频带。

时分多路复用，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。每个用户所占的时隙是周期性出现的，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，即光的频分复用。

• 发送端：将两种或多种不同波长的光载波信号经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输。
• 接收端：经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。

这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。

码分多路复用，是用一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号。靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式，主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术，包括无线和有线接入。

如在多址蜂窝系统中以信道来区分通信对象，一个信道只容纳一个用户进行通话，许多用户同时通话，则以信道来区分。

码分复用被广泛的应用于无线链路共享技术，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（chipping sequence），其中“0”用“-1”表示，“1”用“+1”表示，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（orthogonal）

另{ di }为原始数据序列，各用户的叠加向量为：

码分复用的解码时，码片序列与编码信号计算内积：

5.2 报文交换

报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式。

每一个结点接收整个报文，检查目标结点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点。经过多次的存储——转发，最后到达目标，因而这样的网络叫存储——转发网络。其中的交换结点要有足够大的存储空间（一般是磁盘），用以缓冲收到的长报文。

交换结点对各个方向上收到的报文排队，对照下一个转结点，然后再转发出去，这些都带来了排队等待延迟。报文交换的优点是不建立专用链路，但是线路利用率较高，这是由通信中的等待时延换来的。

优势：

• 不需要预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文
• 存储转发优势，传输高可靠性，提供多目标服务，允许建立数据传输优先级
• 高通信线路的利用率

劣势：

• 存储转发劣势，高转发时延（含接收报文、检验正确性、排队、发送时间等），网络通信量越大，造成的时延越大。实时性差，不适合传送实时交互式业务的数据。
• 只适用于数字信号。
• 对网络中每个结点的缓冲区有较高要求，成本较高，优势要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传输时延。

5.3 分组交换

报文分拆出来的一系列相对较小的数据包，称为分组。分组交换需要报文的拆分与重组，因此会产生额外开销。

报文交换与分组交换均采用存储转发的交换方式：

• 报文交换以完整报文进行存储出转发
• 分组交换以较小的分组进行存储转发

5.3.1 分组交换的传输延迟计算

发送主机接收应用报文，拆分为较小的长度L bits的分组（packets），在传输速率为R的链路上传输分组。

分组传输时延（delay）= L（bits）/ R（bits/sec）

5.3.2 分组交换的报文交付时间计算

报文 M bits，链路带宽（数据传输速率） R bps，分组长度（大小） L bits，跳步数 h，路由器数 n。

路由器数目等于跳步数减1，即 n = h - 1

分组报文交付时间 T = M / R + （h - 1）× L / R = M / R + n × L / R

例：在图中存储转发方式的分组交换网络中，所有链路的数据传输速率为100 Mbps，分组大小为1000B，其中分组头大小为20B。若主机H1向H2发送一个大小为980000B的文件，则在不考虑分组拆装时间的和传播延迟的情况下，从H1发送开始到H2接收完为止，需要的时间至少是多少？

答：每个分组1000B，分组头20B，每个分组可耻传输980B，则980000B的文件需要传输1000个分组。H1发送整个文件，需要：

（980000 + 20 × 1000） ×  8 / 100,000,000 = 80ms

根据路由选择基本原理，所有数据分组至少会经过两个路由，所以再加上最后一个分组的两次转发的传输延迟：

2 × 1000 × 8 / 100,000,000 = 0/16ms

所以H2收完整个文件至少需要80.16ms

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