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计算机网络概述

发布时间:2022/1/17 12:36:28

计算机网络和因特网概述

学习内容

  • 构成网络的基本硬件和软件
  • 网络边缘
    • 端系统
    • 网络应用
  • 网络核心
    • 链路、交换机
  • 接入网
  • Internet
    • 网络的网络

一、什么是计算机网络

理解

  • 计算机网络 = 通信技术 + 计算机技术

  • 一种通信网络

    在这里插入图片描述

定义

  • 互连的、自制的计算机集合
    • 自制 - 无主从关系
    • 互连 - 互连互通
      • 通信链路:直接连接
      • 分组交换机
        • 路由器:网络核心
        • (链路层)交换机:接入网

二、Internet

简介

  • 全球最大的互联网

    • ISP(Internet Service Provider)

      • 功能:为端系统提供接入Internet服务
      • 构成:多个分组交换机和多段通信链路组成的网络
      • 互连:低层ISP通过高层ISP互连
    • 通过ISP网络互连的网络

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物理结构(具体)

  • 百万计的互联的计算设备的集合
    • 主机(hosts) = 端系统(end systems)
    • 运行网络应用
  • 通信链路
    • 光纤、铜缆
    • 无线电卫星
  • 分组交换
    • 路由器(routers)
    • 交换机(switches)

*服务角度(抽象)

  • 为应用程序提供服务的基础设施
    • 应用程序编程接口*API***(Application Programming Interface),允许应用连接Internet
  • 分布式应用程序
    • EmailWeb、社交网络、视频、游戏等

问题

  • 仅有物理设备,Internet如何保证应用之间的数据交换?

三、网络协议

定义

  • 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

三要素

  • 语法(Syntax)
    • 信息的结构或格式
  • 语义(Semantics)
    • 发送信息的类型
    • 响应的类型、采取的动作
    • 差错控制
  • 时序(TIming)
    • 事件顺序
    • 速度匹配

作用

  • 计算机网络有序运行的重要保证、

  • 网络中的数据交换必须遵守事先约定的规则

  • 规定了交换信息的 格式意义顺序

  • 针对收到信息或发生的事件所采取的 动作

  • 规范网络中信息的发送和接收过程

重要性

  • 学习网路的重要内容之一
  • 网络创新的表现形式之一

Internet协议标准

  • 制定机构***IETF***(Internet Engineering Task Force) 互联网工程任务组

  • 官方文档***RFC***(Request for Comments) 请求评论

    • TCPIP
    • HTTP(用于Web)
    • SMTP(用于Email) 等
  • 其他组织及标准

    • IEEE 802 LAN/MAN 标准化委员会
    • Ethernet、Wifi标准

计算机网络结构

一、网络边缘

主机(端系统)

  • 位于"网络边缘"
  • 运行网络应用程序
  • 进一步划分
    • 客户(client)
    • 服务器(server)

通信模型

  • 客服/服务器(client/server)应用模型:客户发送请求,接收服务器响应。如Web
  • 对等(peer-peer P2P)应用模型:没有专用服务器,直接进行通信。如QQ

二、接入网络(Access Network)、物理介质

定义

  • 将端系统连接到其边缘路由器(edge router)的物理链路

作用

  • 将网络边缘接入核心网

ISP(Internet Service Provider)

  • 分层结构
    • 顶级ISP
    • 区域ISP
    • 接入ISP
  • 其他
    • PoP
    • 多宿
    • 对等
    • IXP(Internet Exchange Point)
  • 内容提供商网络(content provider network)

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分类

  • 家庭接入
    • DSL、电缆
    • FTTH(Fiber To The Home)
    • 卫星、传统电话线等
  • 机构接入(学校、企业等)
    • 局域网LAN接入
      • 以太网
      • WiFi
  • 移动(广域无线)接入
    • 基站接入
      • 3G4G5G 蜂窝网
      • LTE(Long-Term Evolution)

举例

数字用户线路***DSL***(Digital Subscriber Line)

  • 利用家庭已有的电话线
    • ISP:本地电话公司
  • 编码频率
    • 高速下行通道:50 kHz ~ 1 MHz 24 Mpbs
    • 中速上行通道:4kHz ~ 50kHz 2.5 Mbps
    • 普通双向电话信道:0 ~ 4kHz
  • 多路复用
    • 多路信号共用一个物理介质传输

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电缆网络***CIA***(Cabel Internet Access)

  • 利用有线电视基础设施
    • ISP:有线电视公司
  • 频分多路复用:在不同频带(载波)上传输不同频道
  • 各家庭共享接入网络

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典型家庭网络的接入

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机构接入网络

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重要指标

  • 带宽(bandwidth bps)
  • 独占/共享

三、网络核心

组成

  • 互连的路由器(分组转发设备)/分组交换机
    • 路由层交换机
    • 链路层交换机
  • 构成网络之网络

关键功能

  • 路由
    • 路由算法/路由选择协议
    • 本地转发表/路由表
    • 路由观察:www/traceroute.org
  • 转发
    • 从输入端口交换至正确的输出端口
  • 传输
    • 将数据从源传输到目的地

传输方式

  • 存储转发
    • 在向输出链路传输第一个比特前,必须接收整个分组
    • 报文交换与分组交换均采用该交换方式
      • 报文交换的对象是完整报文
      • 分组交换的对象是较小的分组

数据交换

  • 动态转接:端口转发
  • 动态分配传输资源

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数据交换的类型

  • 电路交换
  • 报文交换
  • 分组交换

电路交换

三个阶段
  • 建立连接(建立电路)
  • 通信
  • 释放连接(拆除电路)
特点
  • 独占资源
链路共享:多路复用

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  • 划分链路/网络资源为资源片
  • 分配资源片给各路呼叫
  • 没路呼叫独占资源片
  • 资源片可能闲置
典型方法
  • 频分FDM:如电视信号

  • 时分TDM

  • 波分WDM:就是光的频分复用

  • 码分CDM

    • 广泛用于无线链路共享
      • 如蜂窝网、卫星通信等
    • m bit 码片序列
    • 发送的数据用该码片序列进行编码
    • 各个用户的码片序列正交

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报文交换

  • 报文:源发送的信息整体

  • 如:电报通信

分组交换

原理
  • 分组:报文分拆出来的一系列相对较小的数据包
  • 每个小的数据包会增加头部,头部和数据构成分组
  • 分组交换需要进行报文的拆分与重组
  • 产生额外开销
  • 统计多路复用,按需共享链路
与电路交换相比
  • 允许更多的用户同时使用网络
  • 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
  • 可能产生拥塞(congesiton):分组延迟或丢失
    • 需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制
  • 问题
    • 如何提供电路级带宽保证?

计算机网络性能

速率

  • 数据传输速率或比特率
  • 单位时间(s)传输信息(bit)量
  • 往往指额定速率,现实中往往达不到

带宽

  • 原指信号具有的频带宽度(Hz)
  • 网络带宽通常指数字信道的"最高数据率"(b/s)

延迟/时延(delay/latency)

分组交换为什么会发生丢包和时延

  • 传输时延
  • 排队延迟
  • 缓存满,到达的分组被丢弃

四种分组延迟

  • d p r o c d_{proc} dproc 节点处理(nodal processing delay)

    • 差错检测
    • 确定输出链路
    • 通常 < msec
  • d q u e u e d_{queue} dqueue 排队延迟(queueing delay)

    • 等待输出链路可用
    • 取决于路由器拥塞程度
    • 难以确定
    • 流量强度 L a / R La / R La/R

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  • d t r a n s d_{trans} dtrans 传输延迟(transmission delay)

    • L: 分组长度
    • R: 链路宽度
  • d p r o p d_{prop} dprop 传播延迟(propagation delay)

    • d: 物理链路长度
    • s: 信号传播速度(~ 2 ∗ 1 0 8 m / s e c 2*10^8 m/sec 2108m/sec)

时延带宽积

  • 时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
  • 又称以比特为单位的链路长度

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丢包率

  • 丢包数 / 已发分组总数

吞吐量

  • 发送端与接收端之间传送数据速率
    • 即时吞吐量
    • 平均吞吐量
  • 取决于端到端路径上,限制端到端吞吐量的链路

计算机网络体系结构

有效描述网络的系统结构?

  • 分层结构
  • 每层完成一种特定服务/功能

网络体系结构

  • 从功能上描述计算机网络
  • 分层结构
  • 每层遵循某些网络协议完成本层功能
  • 是计算机网络罗的各层及其协议的集合
  • 是功能层次及其关系的定义
  • 是抽象的描述。不关注具体实现方式

分层结构

  • 结构清晰,有利于识别复杂系统的部件及其关系
  • 模块化的分层易于系统更新、维护
  • 有利于标准化
  • 不利之处?
    • 分层过多、效率低下

分层网络体系结构基本概念

  • 实体:任何发送接收信息的硬件或软件进程
  • 协议:控制两个对等实体进行通信的规则的集合,是“水平的”
  • 服务:使用下层服务,遵循本层协议、实现本层功能,向上层提供服务,是垂直的
  • 下层协议的实现对上层的服务用户是透明的
  • 接口:相邻层实体通过接口进行交互,通过服务访问点***SAP***(Service Access Point),交换原语,指定请求特定服务

OSI参考模型

简介

  • 开放系统互连(OSI)参考模型
  • 时间:1984
  • 组织:国际标准化组织(ISO)
  • 目的:支持异构网络系统的互连
  • 价值
    • 异构网络系统互连的国际标准
    • 理解网络通信的最佳学习工具
  • 评价:理论成功、市场失败

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七层结构

概述

  • 应用层
  • 表示层
    • 数据压缩
    • 数据加密码
    • 数据描述:避免不同计算机中数据格式不同的问题
  • 会话层
    • 数据交换定界
    • 同步
    • 建立检查点、恢复方案
  • 传输层
  • 网络层
  • 数据链路层
  • 物理层

物理层

  • 实现比特传输

规范

  • 接口特性
    • 机械特性(插孔形状、方向等)
    • 电器特性(电压等)
    • 功能特性(引脚功能等)
    • 规程特性(工作过程)
  • 比特编码
  • 数据率(速度)
  • 比特同步
    • 时钟同步
  • 传输模式
    • 单工:单向通信,一方只能接收
    • 半双工:一个时刻只能一方发或收
    • 全双工:双向通信

数据链路层

  • 节点 - 节点 (node to node) 数据传输

  • 物理链路直接相连的两个设备的数据传输

  • 组帧(Framing)

  • 物理寻址(Physical addressing)

    • 在帧头中增加发送端/接收端的物理地址表示数据帧的发送端/接收端
    • 因为多个设备均会收到数据,所以即便直接相连,也要标明
    • 目的和源
  • 流量控制(Flow Control)

    • 避免淹没接收端
  • 差错控制(Error Control)

    • 检测并重传损坏或丢失帧,避免重复帧
  • 访问(接入)控制(Access Control)

    • 在任意时刻决定哪个设备拥有链路(物理介质)控制使用权

网络层

  • 源主机到目的主机数据分组(packet)交付
    • 可能穿越多个网络,不能使用物理寻址
  • 逻辑寻址(Logical Addressing)
    • 全局唯一逻辑地址,确保数据分组被送达目的主机,如IP
  • 路由(Routing)???
    • 路由器(或网关)
    • 路径选择???

传输层功能

  • 源 - 目的 (端 - 端) (进程间) 完整报文传输

  • 报文的分段与重组

  • SAP寻址

    • 确保将完整报文提交给正确进程,如端口号

            在这里插入图片描述

  • 连接控制(逻辑控制)

  • 流量控制(端系统层面)

  • 差错控制(端系统层面)

会话层

  • 对话控制
    • 建立、维护
  • 同步
    • 在数据流中插入“同步点”
  • 功能最薄的一层

表示层

  • 处理两个系统间交换信息的语法和语义(syntax and semantics)问题
  • 数据表示转化
    • 转换为主机独立的编码
  • 加密/解密
  • 压缩/解压缩
  • 实际功能也不多

应用层功能

  • 支持用户通过代理(如浏览器)或网络接口使用网络(服务)
  • 典型应用层服务
    • 文件传输(FTP)
    • 电子邮件(SMTP)
    • Web(HTTP)

利用OSI解释通信过程

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  • 实通信:实线表示
  • 逻辑通信:虚线表示

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OSI数据封装(encapsulation)

封装(encapsulation)

  • 两种字段

    • 首部
    • 有效载荷(payload field)
  • 数据链路层还有尾部

为什么需要数据封装

  • 增加控制信息
    • 构造协议数据单元(PDU)
  • 控制信息主要包括
    • 地址
    • 差错检测吗
    • 协议控制
      • 优先级
      • 服务质量
      • 安全控制

TCP/IP参考模型

  • Everything over IP IP可为各式各样的应用提供服务
  • IP over everything IP可应用到各式各样的网络上

四层模型

  • 应用层
  • 运输层
  • 网际层
  • 网络接口层
    • 并没有定义具体协议
    • 只要能够封装IP接口即可

五层参考模型(Internet)

  • 综合OSITCP/IP的优点

应用层

  • 网络应用:EmailWeb
  • 应用层协议:SMTPHTTP
  • 分组名称:报文(message)

传输层

  • 功能:实现进程-进程的数据(报文段)传输
  • 传输层协议:TCPUDP
  • 分组名称:报文段(segment)

网络层

  • 功能:源主机到目的主机的数据分组(数据报)路由与转发
  • 网络层协议:IP、路由选择
  • 分组名称:数据报(datagram)

链路层

  • 功能:相邻网络元素(主机、交换机、路由器等)的数据(帧)传输

  • 链路层协议:以太网(Ethernet)、802.11(Wifi)、PPP

  • 分组名称:帧(frame)

  • 物理层

    • 功能:比特传输
    • 链路相关协议

5 层模型数据封装

  • 交换机 2层
  • 路由器 3层

计算机网络与Internet发展历史

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  • 1983 - 在ARPANet上部署TCP/IP

  • 1988 - TCP拥塞控制

  • Minitel - 将网络带入家庭的最早实践

    • 最鼎盛时可以提供两万多个服务

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  • 1992:因特网协会ISOC成立、我国接入Internet

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