哈工大计算机网络WEEK1-2学习总结

计算机网络week1-2学习总结

一、网络定义

计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物。

• 互联，自治（无主从关系）的计算机集合。
• 通过交换网络互联主机。
  组成细节角度：
• Internet:ISP(Internet Service Provider)网络互连的“网络之网络”.端系统通过英特网服务提供商（ISP）接入互联网。
  • 计算设备集合（主机，端系统）：运行网络应用
  • 通信链路
  • 分组交换：转发分组数据包（eg：路由器和交换机）

服务角度：

• 为网络应用提供通信服务的通信基础设施
• 为网络应用提供应用编程接口。

二、网络协议

• 定义：计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则；是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
  • 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”
  • 协议三要素：语法，语义，时序
  • 规范了网络中所有信息发送和接收过程
  • TCP, IP, HTTP, Skype, 802.11
  • 标准：互联网工程任务组IETF,RFC

三、计算机网络的结构

网络边缘（主机和网络应用）、接入网络（物理介质 有线或无线通信链路）、网络核心（互联的路由器）。

网络边缘

主机（端系统 运行各种网络应用），客户/服务器(client/server)应用模型（Web应用，文件传输FTP应用），对等应用模型（p2p）

接入网络

将网络边缘接入核心网（边缘路由器）：利用接入网络

• 数字用户线路 (DSL)：利用已有的电话线连接中心局的DSLAM
  

• 电缆网络：利用有线电视公司现有的有线电视基础设施
  

  • 频分多路复用: 在不同频带（载波）上传输不同频道

• 家庭网络接入：
  

• 机构或企业接入网络：
  

  • 端系统通常直接连接以太网交换机

• 无线接入网络：通过基站（base station）或称为“接入点”连接端系统与路由器

  • 无线局域网（LANS）
    

  • 广域无线接入

网络核心

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

三、Internet结构

• 端系统通过接入ISPaccess ISPs ）连接到Internet
• 接入ISP必须进一步互连
  • 直接连接:$n^2$链路问题。
  • 将每个接入ISP连接到一个国家或全球ISP
    
  • 从商业竞争的角度，会有多个ISP。这些ISP必须互联。
  • 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：能运行其自己的网络，并就近为端用户提供服务、内容
    ISP结构图：
    
  • “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

四、数据交换

• 通过数据交换实现数据从源主机到达新的目的主机。
  • 原因：$n^2$链路问题，连通性问题，网络规模的限制。端系统如果直接相连则需要$\frac{N(N-1)}{2}$个连线。
• 交换的类型：动态转接（端口->端口），动态分配传输资源（通过交换网络）
• 数据交换的类型：电路交换，报文交换，分组交换。

电路交换

• 电路交换阶段:建立连接，通信，释放连接。具有独占资源的特点（电路资源不可以被第三方使用）。
• 共享中继线的方式：多路复用。
  • 多路复用图示：
    
  • 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”
  • 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（请注意，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TDM：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）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
    • 一条电路的传输速率= 链路每秒传送帧数*每个时隙的比特数量
  • 波分多路复用WDM：就是光的频分复用
    
  • 码分多路复用CDM：
    • 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
    • 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)
      
    • 设原始数据序列为$d_i$，则各用户的叠加向量为$P={\sum }_{}{d}_i\cdot S_i$
    • 解码：码片序列与编码信号的内积
      
    • 如果是单个用户向信道中发送数据，如图所示：
      
      • 如图所示，在时隙0发送端发送数据1，在时隙1发送端发送数据-1；发送端的码片序列为111-11-1-1-1；
      • 经过$P=d_i\cdot S_i$后，时隙0的数据1被编码为码片序列的源码111-11-1-1-1；时隙1的数据-1被编码为码片序列的反码即-1-1-11-1111；其中d_i为欲发送的数据，S_i为发送端用户的码片序列。P为实际发送的数据。
      • 接收端在时隙0得到发送端码片序列的原码，在时隙1得到发送端码片序列的反码。
      • 经过$d_i=\frac{1}{m}{S}_i\cdot P$，其中$S_i$为发送端用户的码片序列，P为接收到的编码。使用S分别对时隙0和时隙1的接收到的编码P进行运算可以分别得到发送端的发送结果。
    • 如果针对于多个用户：如图所示：
      
      • 发送端用户1（码片序列111-11-1-1-1）和用户2（那片序列1011110111）具有相互正交的码片序列，可以验证两者相乘再诸位相加等于0。
      • 在时隙0：用户1发送1，实际发送的为其码片序列的源码；用户2发送1，实际发送的为其码片序列的原码。两个原码相互叠加。得到时隙0的信道输出。接收端接收到时隙0的信道输出。如果需要接收用户1的数据，则使用用户1的码片序列与接收到的叠加序列相乘，结果诸位相加再除以m（码片序列长度）,得到用户1在该时隙的发送信号。如果需要得到用户1的信号，使用用户2的码片序列与其相乘即可。
      • 在时隙1的操作与时隙0一致。

报文交换

定义：源（应用）发送信息整体；

分组交换

• 分组:报文分拆出来的一系列相对较小的数据包
  • 需要报文的拆分与重组(额外开销)
    
• 统计多路复用：A & B分组序列不确定，按需共享链路（具有随机性）。如图所示。
  
• 分组交换的主机
  • 接收应用报文
  • 拆分为较小长度为 Lbits的分组
  • 在传输速率为R的链路上传输分组

对比分组交换和报文交换

• 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L bits，每个分组传输时延为L/R秒

报文交换：

• 传输时间$\frac{M}{R}+\frac{M}{R}+\frac{M}{R}$
• 路由器需要M大小的缓存存储所有的报文数据

分组交换：
流水化进行。不断进行直到：
如图所示的5000为最后一个分组。在该图中：

• 第一个分组传输到接收端所耗费时间$\frac{3L}{R}$
• 此后，每一个比前一个分组抵达时间晚$\frac{L}{R}$
• 因此总共需要的时间为$\frac{5002L}{R}$
• 路由器仅需要存储一个分组大小L

分组交换的一般性结论：

• 设报文长度为Mbits，链路带宽Rbps,分组长度Lbits，跳步数h，路由器数n。在该场景下有n = h-1。则T=M/R+(h-1)L/R=M/R+nL/R

分组交换允许更多用户同时使用网络！（资源共享率更高）

• 适用于突发数据传输网络
• 可能产生拥塞（congestion）: 分组延迟和丢失

存储-转发的发送方式

• 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

五、网络性能评价

速率

• 数据率(data rate)或称数据传输速率或比特率(bit rate)：单位时间（秒）传输信息（比特）量

带宽

• 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)

延迟/时延(delay或latency)

• 分组在路由器缓存中排队时产生丢包和延迟
  • 分组到达速率超过输出链路容量
  • 分组排队等待输出链路可用
    
• 四种分组延迟
  • $d_{proc}$：结点处理延迟.用于差错检测处理输出链路，一般小于毫秒级别。
  • $d_{quene}$：排队延迟。用于等待输出链路可用。取决于路由器的拥塞程度。
  • $d_{trans}$：传输延迟。公式$d_{trans}=L/R$.其中L为分组长度，R为链路带宽
  • $d_{prop}$：传播延迟。公式$d_{prop}=d/s$。其中d为物理链路长度,s为信号传播速率。

• 可用使得车队通过收费站进行类比：

  • 车对应于比特，车队对应于分组
  • 车队通过收费站的时间对应传输延迟
  • 车队通过第一个收费站到达第二个收费站的时间对应传播延迟

• 排队延迟：设R为链路带宽,L为分组长度，a为平均分组到达速率
  定义流量强度为$La/R$

时延带宽积

定义时间带宽积：$d_{prop}\ast R$即传播时延乘带宽。（链路上塞满了多少比特）

• 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。分组到达已满队列时将被丢弃。源节点有可能重新发送也有可能不重新发送
• 定义丢包率：丢包数/已经发送的分组总数

吞吐量和吞吐率

• 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：给定时间下的速率。平均吞吐量：一段时间以来的平均速率
  
  
• 如下图所示：中间的R带宽被10个连接共享
  • 因此吞吐量为min{Rs,Rc,R/10}min\{R_s,R_c,R/10\}min{Rs​,Rc​,R/10} .前两者通常为瓶颈。