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计算机网络笔记（更新中）

2020-01-30 14:36:53 作者：互联网

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

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
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

DSL示意图

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。

在这里插入图片描述

典型家庭接入网
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
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
在这里插入图片描述
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

分配给呼叫
呼叫独占资源片
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：

d_proc ：结点处理延迟 —— 差错检测、查路由表
d_queue ：排队延迟 —— 等待输出可用
d_trans ：传输延迟 —— 一次发送一个分组所用时间 L / R
d_prop ：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，d_queue → 0
当流量强度 → 1，d_queue 很大
当流量强度 > 1，d_queue → ∞

时延带宽积

传播时延 * 带宽 = d_prop * 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{ R_i }

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