计算机网络笔记（更新中）

2023-10-08 12:43:40

第1章 计算机网络与因特网

1.1 计算机网络与协议

1.1.1 计算机网络

概念

计算机网络 = 通信技术 + 计算机技术 = 通信网络
= 互连（用交换节点组成的交换网络）的、自治（无主从关系）的计算机集合
ISP：网络服务提供商
Internet：ISP网络互连的网络之网络

组成部分

  1. 组成细节角度
    计算设备：主机/端系统 运行分布式应用
    通信链路
    分组交换：路由器 和 （链路层）交换机
    硬件基础
  2. 服务角度
    为应用提供 通信服务 和 通信基础设施
    为应用提供 应用编程接口（类似于邮政系统） 有服务、有规则

1.1.2 协议

协议

  • 有序运行的保证
  • 数据交换必须遵守的约定好的规则

网络协议

  • 为进行网络中的数据交换而进建立的规则、标准或规定。
  • 规定通信实体间的信息格式、意义、顺序、及对应执行动作

三要素

  • 语法
    数据与控制信息的结构或格式
    信号电平
  • 语义
    需何时发出何种控制信息
    完成何种动作和作出何种响应
    差错控制
  • 时序
    事件顺序
    速度匹配

Internet协议标准 RFC

协议规范了网络中所有信息的接受和发送过程。

1.2 网络结构

1.2.1 计算机网络结构

  • 网络边缘
  • 接入网络
  • 网络核心

网络边缘
主机/端系统

  • 客户/服务器模型
  • 对等应用模型

接入网络
指有线或无线通信链路

  • 数字用户线路DSL（ 电话 ）
    数据通信：通过DSL电话线连接Internet，与CO（中心局）的DSLAM交换数据。
    语音通信：通过DSL电话线连接电话网络。‘
    特点：各户独占一条通信链路。
    FDM（频分）
电话 上行 下行
带宽 0 ~ 4kHz 4kHz ~ 50kHz 50kHz ~ 1MHz
速率 \ < 2.5Mbps < 24Mbps
典型速率 \ < 1Mbps < 10Mbps

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  • 电缆网络（HFC 有线电视 ）
    速率具有非对称特性，上行速率为2Mbps，下行速率为30Mbps。
    各家庭共享广播媒体。
    通过电缆网络连接光纤接入ISP路由器，与CMTS交换数据。

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  • 典型家庭接入网
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  • 机构接入网
    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计算机网络笔记（更新中）
  • 无线接入网
    通过共享的无线接入网（ 基站 、“接入点” ）连接端系统或路由器
无线局域网LANs 广域无线接入网
范围 同一建筑物内 (30m) 通过电信运营商 (蜂窝网) ，接入范围在几十公里
类型 802.11b/g (WiFi) 3G、4G: LTE / 移动互联网
带宽 11 Mbps、 54 Mbps 1 Mbps、10 Mbps、100 Mbps

网络核心
互联的路由器网络

关键功能：路由 + 转发 → 数据交换
路由 ：从源主机到目的主机的逻辑路径
转发 ：从路由器的输入端口到输出端口

1.2.2 Internet结构

ISP网络之网络
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IXP：互联网交换中心，各ISP之间数据交换的接口。
一级“商业”ISP：国家或国际范围。
内容提供商网络：私有网络，连接其数据中心和Internet，绕过一级或区域ISP。
区域ISP：连接多个接入ISP。
接入ISP：端系统通过接入ISP（access ISPs ）连接到 Internet。

1.3 数据交换

  • 需求
    1. 不可能实现完全的互联
    2. 实现数据通过网络核心从源主机到目的主机
  • 本质：动态分配传输资源
  • 类型
    1. 电路交换
    2. 报文交换
    3. 分组交换

1.3.1 电路交换

  • 最典型的电路交换网络：电话网络
  • 三阶段
    1. 建立连接
    2. 通信
    3. 释放连接
  • 独占资源 —— 多路复用实现

多路复用

链路、网络资源划分成多个“资源片”

过程

  1. 分配给呼叫
  2. 呼叫独占资源片
  3. 可能闲置

方法

TDM、FDM、WDM、CDM

TDM：划分时间帧，周期使用
FDM、WDM：划分频率带宽为模拟信道
CDM：按编码划分

  • 举例：
  • 在CDM中，为便于计算，0表示为-1，1表示为1。
  • A、B、C通信，A码片序列为 (-1, 1, -1, 1)，B码片序列为 (1, 1, 1, -1)，C码片序列为 (-1, -1, 1, 1)。
  • A发送数据为 (0, 1)，B发送数据为 (1, 1)
  • A得到的传输信号：(1, -1, 1, -1, -1, 1, -1, 1)
  • B得到的传输信号：(1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, -1)
  • A、B同时传输得到的传输信号：(2, 0, 2, 0, 0, 2, 0, 0)
  • 解码保证得到的结果中任一位信号di ∈ [-1, 1]即可

1.3.2 报文交换

信息整体传输

1.3.3 分组交换

适用于突发数据传输网络

分组

  • 报文拆分的数据包
  • 拆分、重组会增加开销
  • 共用链路时，共用组的分组序列不确定，按需进行传输

共同点

二者均采用存储—转发的交换方式

交换传输时延

假设有n个路由器连接A、B，报文为M bits，速率为R bps，分组交换采取的分组大小为L bits，则：
报文交换的时延：n * M / R
分组交换的时延：M / R + n * L / R

1.4 网络性能

速率

数据率，即 每单位时间传输的bit位数 。单位：bps，kbps，……

带宽

在网络信道中的最高数据率。单位同上

时延

包括四种分组延迟：

  • dproc ：结点处理延迟 —— 差错检测、查路由表
  • dqueue ：排队延迟 —— 等待输出可用
  • dtrans ：传输延迟 —— 一次发送一个分组所用时间 L / R
  • dprop ：传播延迟 —— 一个分组从链路的一端到另一端所用的时长 d / s

传输延迟与传播延迟

传输延迟可看作：收费站闸门打开的时间
传播延迟可看作：车辆在一段高速公路上的所用时间

流量强度

L * a / R

  • a 表示分组到达的平均速率
  • 当流量强度 → 0，dqueue → 0
  • 当流量强度 → 1，dqueue 很大
  • 当流量强度 > 1，dqueue → ∞

时延带宽积

传播时延 * 带宽 = dprop * R

丢包率

丢包数 / 已发分组总数

吞吐率/量

  • 在发送端与接收端之间的数据速率
  • 即，单位时间内某个信道中的数据总量
  • 受限于瓶颈链路，min{ Ri }

1.5 网络体系结构

  • 分层结构描述：各层特定功能
  • 功能描述：遵守某个/些协议

实体

任何可发送或接收信息的 硬件 或 软件过程

协议

控制两个 对等实体 通信的规则集合
水平的

服务

下层为上层提供服务
下层实现对上层是 透明 、不可见的
垂直的

接口

相邻层 通过 接口 交互
通过 服务访问点 SAP 指定特定服务

1.5.1 OSI模型

由ISO组织提出

  • 应用层 —— 通过用户代理和网络接口使用网络服务
  • 表示层 —— 数据表示转化（语义、语法在不同系统间的转换），加密/解密，压缩/解压
  • 会话层 —— 对话控制、同步 最薄弱的一层
  • 传输层 —— 源到目的进程间（端到端）完整报文传输
    分段、重组
    SAP寻址（正确的进程）
    连接、流量、差错控制

—————————————— 以上为 端到端层

  • 网络层 —— 源到目的的数据分组交付，逻辑寻址
    路由
    分组转发
  • 数据链路层 —— 结点—结点间数据传输，组帧，物理寻址
    流量控制
    差错控制
    访问/接入控制
  • 物理层
    接口特性
    比特编码
    数据率
    比特同步
    传输模式

数据封装

所有参考模型均使用这一模式
增加控制信息，构造协议数据单元PDU

  • 地址、标识
  • 差错控制编码
  • 协议控制

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1.5.2 TCP/IP参考模型

  • 应用层
  • 运输层
  • 网际层
  • 网络接口层

一切依靠IP，一切为了IP

1.5.3 5层参考模型

  • 应用层 —— 网络应用
  • 传输层 —— 进程—进程数据传输
  • 网络层 —— 源主机—目的主机的路由、转发
  • 数据链路层 —— 相邻网络节点的数据传输
  • 物理层 —— 比特传输
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