计算机网络概述

什么是计算机网络？

计算机网络=通信技术+计算机技术

计算机网络是通信技术与计算机技术紧密结合的产物

计算机网络就是一种通信网络

定义：计算机网络就是互连的、自治的计算机集合

自治-无主从关系

互连-互联互通

距离远、数量大如何保证互连？---通过交换网络互连主机

什么是 Internet？

组成细节角度

全球最大的互联网络---ISP 网络互连的“网络之网络

数以百万计的互连的计算设备集合: 主机(hosts)=端系统（end systems），运行各种网络应用

通信链路：光纤, 铜缆, 无线电, 卫星......

分组交换:转发分组(数据包)：路由器(routers) 和交换机(switches)

服务角度

为网络应用提供通信服务的通信基础设施:Web, VoIP, email, 网络游戏,电子商务, 社交网络, ...

为网络应用提供应用编程接口（API）：支持应用程序“连接”Internet，发送/接收数据，提供类似于邮政系统的数据传输服务

协议

协议是计算机网络有序运行的重要保证

• 硬件（主机、路由器、通信链路等）是计算机网络的基础
• 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则
• 如同交通系统

任何通信或信息交换过程都需要规则

• 网络通信
  • 通信主体是“机器”而不是人
  • 交换“电子化”或“数字化”消息
  • 计算机网络的所有通信过程都必须遵守某种/些规则—协议

什么是网络协议?

• 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、顺序以及针对收到信息或发生的事件所采取的“动作”（actions）

协议的三要素

• 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
  • 完成何种动作以及做出何种响应
  • 差错控制
• 时序（Timing）
  • 事件顺序
  • 速度匹配

协议是计算机网络的重要内容

• 协议规范了网络中所有信息发送和接收过程
  • e.g., TCP, IP, HTTP, Skype, 802.11
• 学习网络的重要内容之一
• 网络创新的表现形式之一
• Internet 协议标准
  • RFC: Request for Comments
  • IETF:互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force）

计算机网络结构

• 网络边缘
  • 主机
  • 网络应用
• 接入网络，物理介质
  • 有线或无线通信链路
• 网络核心（核心网络）
  • 互联的路由器（或分组转发设备）
  • 网络之网络

网络边缘

• 主机(端系统)
  • 位于“网络边缘”
  • 运行网络应用程序
    • 如：Web, email
• 客户/服务器(client/server)应用模型
  • 客户发送请求，接收服务器响应
  • 如：Web 应用，文件传输 FTP 应用
• 对等(peer-peer, P2P)应用模型
  • 无（或不仅依赖）专用服务器
  • 通信在对等实体之间直接进行
  • 如：Gnutella, BT, Skype, QQ

接入网络

如何将网络边缘接入核心网（边缘路由器）?

• 接入网络
  • 住宅（家庭）接入网络
  • 机构接入网络(学校,企业等)
  • 移动接入网络

用户关心: 带宽(bandwidth)和(bps)共享/独占

数字用户线路(DSL)

• 利用已有的电话线连接中心局的 DSLAM
  • 数据通信通过 DSL 电话线接入 Internet
  • 语音（电话）通过 DSL 电话线接入电话网
• < 2.5 Mbps 上行传输速率(典型速率< 1 Mbps)
• < 24 Mbps 下行传输速率(典型速率< 10)
• FDM: >50 kHz -1 MHz 用于下行
  • 4 kHz -50 kHz 用于上行
  • 0 kHz -4 kHz 用于传统电话

电缆网络

频分多路复用:在不同频带（载波）上传输不同频道

• HFC:混合光纤同轴电缆（hybrid fiber coax）
  • 非对称: 下行高达 30Mbps 传输速率，上行为 2 Mbps 传输速率
• 各家庭（设备）通过电缆网络 → 光纤接入 ISP 路由器
  • 各家庭共享家庭至电缆头端的接入网络
  • 不同于 DSL 的独占至中心局的接入

无线接入网络

通过共享的无线接入网络连接端系统与路由器，通过基站（base station）或称为“接入点”（access point）

• 无线局域网（LANs）
  • 同一建筑物内(30m)
  • 802.11b/g (WiFi): 11Mbps、54Mbps 传输速率
• 广域无线接入
  • 通过电信运营商(蜂窝网) ，接入范围在几十公里~
  • 带宽：1 Mbps、10 Mbps、100Mbps
  • 3G、4G: LTE
  • 移动互联网 to Internetto Internet12

网络核心

• 互联的路由器网络
• 网络核心的关键功能:路由+转发
  • 路由(routing):确定分组从源到目的传输路径
  • 转发(forwarding): 将分组从路由器的输入端口交换至正确的输出端口

Internet 结构

• 端系统通过接入 ISP（access ISPs ）连接到 Internet
  • 家庭、公司和大学 ISPs
• 接入 ISP 必须进一步互连
  • 这样任意两个主机才可以互相发送分组
• 构成复杂的网络互连的网络
  • 经济和国家政策是网络演进的主要驱动力
• 当前 Internet 结构？
  • 无人能给出精确描述
  • 因为他的状态是在不断地发生变化

计算机网络之网尽其用主讲人：李全龙 Q: 数以百万计的接入 ISP 是如何互连在一起的呢？

直接互连不适用于大规模网络:O(N2)连接问题

将每个接入 ISP 连接到一个国家或全球 ISP，但是从商业角度，必定有竞争者，这些 ISP 网络必须互连可能出现区域网络（regional networks）连接接入 ISP 和运营商 ISP，内容提供商网络(content provider networks，如：Google, Microsoft 等) 可能运行其自己的网络，并就近为端用户提供服务、内容

• 在网络中心: 少数互连的大型网络
  • “一级”(tier-1)商业 ISPs(如：网通、电信、Sprint、AT&T)，提供国家或国际范围的覆盖
  • 内容提供商网络（content provider network，如：Google)：私有网络，连接其数据中心与 Internet，通常绕过一级 ISP 和区域 ISPs

数据交换-电路交换

为什么需要数据交换？

N2 链路问题,连通性,网络规模

交换=动态转接+动态分配传输资源

数据交换的类型有电路交换，报文交换和分组交换

电路交换的特点

• 最典型电路交换网络：电话网络
• 电路交换的三个阶段：
  • 建立连接（呼叫/电路建立）
  • 通信
  • 释放连接（拆除电路）
• 独占资源

电路交换网络通过多路复用（Multiplexing）实现共享中继线？

多路复用

多路复用(multiplexing)，简称复用，是通信技术中的基本概念

多路复用(Multiplexing)：链路/网络资源（如带宽）划分为“资源片”

• 将资源片分配给各路“呼叫”（calls）

• 每路呼叫独占分配到的资源片进行通信

• 资源片可能“闲置”(idle) (无共享)

• 典型多路复用方法:

  • 频分多路复用( frequency division multiplexing-FDM)
  • 时分多路复用( time division multiplexing-TDM)
  • 波分多路复用(Wavelength division multiplexing-WDM)
  • 码分多路复用( Code division multiplexing-CDM)4

频分多路复用 FDM

频分多路复用的各用户占用不同的带宽资源（注意，这里的“带宽”是频率带宽（单位：Hz）而不是数据的发送速率）,用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带

时分多路复用

时分复用则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,每用户所占用的时隙是周期性出现（其周期就是 TDM 帧的长度）

波分多路复用

波分复用就是光的频分复用

码分多路复用

广泛应用于无线链路共享(如蜂窝网,卫星通信等),每个用户分配一个唯一的 mbit 码片序列(chippingsequence)，其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示，例如：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 mbit 码片序列
• 如发送比特 0（-1），则发送该码片序列的 mbit 码片序列的反码

各用户码片序列相互正交(orthogonal)

解码: 码片序列与编码信号的内积

数据交换—报文、分组交换

报文：源（应用）发送信息整体,比如一个文件

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

统计多路复用

存储-转发（store-and-forward）

报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式

• 区别：
  • 报文交换以完整报文进行“存储-转发”
  • 分组交换以较小的分组进行“存储-转发”

分组交换: 传输延迟

发送主机接收应用报文（消息）,拆分为较小长度为Lbits 的分组（packets）,在传输速率为 R 的链路上传输分组

报文交换 vs 分组交换

报文交换:报文长度为 M bits,链路带宽为 R bps,每次传输报文需要 M/R 秒

分组交换:报文被拆分为多个分组,分组长度为 Lbits,每个分组传输时延为 L/R 秒

在这里涉及到缓存需要被考虑，显然路由器在分组交换是要小于报文交换的

设： 报文: Mbits 链路带宽（数据传输速率）: Rbps，分组长度（大小）: Lbits，跳步数: h，路由器数：n

则分组交换：T=M/R+(h-1)L/R=M/R+nL/R

分组交换 vs 电路交换

例:1 Mb/s 链路，每个用户: “活动”时需 100 kb/s，平均活动时间 10%

• 电路交换:10 用户
• 分组交换:对于 35 个用户, 大于 10 个用户同时活动的概率<0.0004

分组交换允许更多用户同时使用网络！——网络资源充分共享

但是分组交换绝对优于电路交换？答案是不一定的

分组交换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，但可能产生拥塞（congestion）:分组延迟和丢失，需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制

计算机网络性能

速率即数据率(data rate)或称数据传输速率或比特率(bit rate),速率往往是指额定速率或标称速率

• 单位时间（秒）传输信息（比特）量
• 计算机网络中最重要的一个性能指标
• 单位：b/s（或 bps）、kb/s、Mb/s、Gb/s
• k=10^3、M=106、G=10^9

带宽”(bandwidth)原本指信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）,网络的“带宽”通常是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位：b/s (bps),常用的带宽单位:kb/s （10^{3b/s）,Mb/s（10}6b/s）,Gb/s（10^{9b/s）,Tb/s（10}12b/s）

分组交换为什么会发生丢包和时延?分组在路由器缓存中排队,分组排队，等待输出链路可用,分组到达速率超出输出链路容量时,如果缓存满，到达分组被丢弃-丢包(loss)5

四种分组延迟

• 结点处理延迟（nodal processing delay）
  • 差错检测
  • 确定输出链路
  • 通常< msec(很小很小)
• 排队延迟（queueingdelay）
  • 等待输出链路可用
  • 取决于路由器拥塞程度
• 传输延迟（transmission delay）
  • L: 分组长度(bits)
  • R: 链路带宽(bps)
  • 传输延迟=L/R
• 传播延迟（propagation delay）
  • d: 物理链路长度
  • s: 信号传播速度(~2×108m/sec)
  • 传播延迟= d/s

排队延迟

R:链路带宽(bps)，L:分组长度(bits)，a: 平均分组到达速率，流量强度（traffic intensity）= La/R

• La/R~ 0: 平均排队延迟很小
• La/R -> 1: 平均排队延迟很大
• La/R > 1: 超出服务能力，平均排队延迟无限大！

时延带宽积
时延带宽积= 传播时延*带宽，链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

分组丢失（丢包）：队列缓存容量有限，分组到达已满队列将被丢弃(即丢包)，丢弃分组可能由前序结点或源重发（也可能不重发），丢包率 = 丢包数/已分发的组总数

吞吐量:表示在发送端与接收端之间传送数据速率(b/s)，即时吞吐量:给定时刻的速率，平均吞吐量:一段时间的平均速率

瓶颈链路（bottleneck link）：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

为什么需要计算机网络体系结构？

计算机网络是一个非常复杂的系统,涉及许多组成部分:主机（hosts），路由器（routers），各种链路（links），应用（applications），协议（protocols），硬件、软件...，是否存在一种系统结构有效描述网络？利用什么样的结构？至少用于讨论网络？----分层结构

复杂系统的分层结构可以类比坐火车旅行，每层完成一种（类）特定服务/功能，每层依赖底层提供的服务，通过层内动作完成相应功能

网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构，计算机网络体系结构简称网络体系结构(network architecture)是分层结构，每层遵循某个/些网络协议完成本层功能，计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合，体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义，体系结构是抽象的

为什么采用分层结构?结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系---分层的参考模型（reference model ），模块化的分层易于系统更新、维护----任何一层服务实现的改变对于系统其它层都是透明的，有利于标准化

分层网络体系结构基本概念：实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议是“水平的”，任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，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，同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点 SAP(Service Access Point)，交换原语，指定请求的特定服务。

OSI 参考模型

开放系统互连(OSI)参考模型是由国际标准化组织(ISO)于 1984 年提出的分层网络体系结构模型，目的是支持异构网络系统的互联互通，是异构网络系统互连的国际标准，是理解网络通信的最佳学习工具（理论模型），但理论成功，市场失败，一共有 7 层（功能）,每层完成特定的网络功能，自上而下依次是：应用层（Application）表示层（Presentation）会话层（Session）传输层（Transport）网络层（Network）数据链路层（Data link）物理层（Physical）

OSI 参考模型解释的通信过程

OSI 参考模型数据封装与通信过程

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（Address）: 标识发送端/接收端
  • 差错检测编码（Error-detecting code）: 用于差错检测或纠正
  • 协议控制（Protocol control）: 实现协议功能的附加信息，如: 优先级（priority）、服务质量（QoS）、和安全控制等 6

各层的功能

物理层功能

接口特性---机械特性、电气特性、功能特性、规程特性；比特编码；数据率比特同步；时钟同步；传输模式：单工（Simplex），半双工（half-duplex），全双工（full-duplex）

数据链路层功能

负责结点-结点（node-to-node）数据传输；组帧（Framing）；物理寻址（Physical addressing），在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端；流量控制（Flow control），避免淹没接收端，两端要保持同步；差错控制（Error control），检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧；访问(接入)控制（Access control），在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权

网络层功能

负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付，可能穿越多个网络；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 地址；路由（Routing），路由器(或网关)互连网络，并路由分组至最终目的主机，路径选择；分组转发；

传输层功能

负责源-目的（端-端）（进程间）完整报文传输；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；连接控制；流量控制；差错控制

会话层功能

对话控制（dialog controlling），建立、维护；同步(synchronization)，在数据流中插入“同步点”；是最“薄”的一层

表示层功能

处理两个系统间交换信息的语法与语义（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。

应用层功能

支持用户通过用户代理（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）

TCP/IP 参考模型

5 层参考模型

综合 OSI 和 TCP/IP 的优点,应用层:支持各种网络应用:FTP, SMTP, HTTP;传输层:进程-进程的数据传输:TCP, UDP;网络层:源主机到目的主机的数据分组路由与转发,IP 协议、路由协议等;链路层:相邻网络元素（主机、交换机、路由器等）的数据传输;相邻网络元素（主机、交换机、路由器等）的数据传输,以太网（Ethernet）、802.11 (WiFi)、PPP;物理层:比特传输

5 层模型的数据封装