计算机网络第一章概论

总览

内容

五层结构里，数据链路层和物理层偏向通信原理的内容，比如编解码和其它有关通信的内容，计算机网络的内容偏向协议的高层。

层间功能实现

服务是功能的体现，每一层的功能通过向上层的接口向上层提供服务，本层功能通过层间接口调用下层的服务实现。

计算机网络

概念

网络由节点和边、协议组成，计算机网络是由联网的计算机组成的网络。

组成

计算机网络的三个组成：

1. 节点
   节点包括主机节点 ，数据交换节点（如路由器Router，交换机Switch，负载均衡设备等） 。
2. 边
   边包括接入网链路（ Access ，与主机相连的链路），主干链路（路由器之间的链路）。
3. 协议
   协议是支持互联网工作的标准、规范，是通信过程中应当遵守的规则的集合。

互联网的组成

具体构成角度

从具体构成角度来讲，互联网Internet包括：

1. 数以亿计的、互联的计算设备
   如主机（host）==端系统（end system），具体类型为PC，Client，上面运行网络应用程序
2. 通信链路（Link）
   如光纤、同轴电缆、无线电、卫星等，指标为传输速率bps
3. 分组交换设备
   分组交换设备的作作用是转发分组，如路由器和交换机
4. 协议
   协议控制发送、接收消息，如TCP、HTTP、UDP、FTP、IP
5. Internet，“互联的网络”，“网络的网络”，分为公用互联网和专用intranet
6. Internet标准，IETF制定

服务角度

1. 使用通信设施进行通信的分布式应用
   如Web，email，社交网络，分布式游戏
2. 通信基础设施
   通信基础设施为apps提供编程接口（通信服务），将发送和接收数据的apps与互联网连接起来

为app应用提供服务选择：无连接不可靠服务；面向连接的可靠服务

网络结构

互联网按结构可分为三个子系统：网络边缘、网络核心和接入网

网络边缘Edge

如主机和应用程序（客户端，服务器）

应用进程之间通信的模式：

1. 客户/服务器CS模式
   客户端向服务器请求，接收服务，如Web浏览器/服务器，email客户端/服务器
   缺点：CS模式可扩展性不强，随着请求载荷增加，达到一定阈值时，服务呈断崖式下降
2. 对等（peer-peer）模式
   几乎没有专门的服务器

通信方式

通信的目标是在端系统之间传输数据，基础设施为网络应用提供的通信服务有两种方式：

1. 面向连接的服务，如TCP（传输控制协议）
2. 无连接服务，如UDP（用户数据报协议）

TCP（传输控制协议）

TCP，Transmission Control Protocol的缩写

1. 可靠地、按顺序地传送数据
   不错、不丢、不重复、不失序
2. 流量控制
   发送方不会淹没接收方，在端系统接收能力范围内接收数据
3. 拥塞控制
   当网络（通信链路）拥塞时，发送方降低发送速率
4. 用于FTP(文件传输),HTTP(Web),Telnet(远程登陆),SMTP(email)

UDP（用户数据报协议）

UDP，User Datagram Protocal的缩写

1. 无连接
2. 不可靠数据传输
3. 无流量控制
4. 无拥塞控制
5. 用于流媒体、远程会议、DNS、Internet电话

网络核心Core

主要是互连的路由器构成的网络

网络传输数据的两种方式

1. 线/电路交换（circuit switch）
   主要用于电话网，呼叫前构建专有通路。端到端的资源被分配给从源端到目的端的呼叫“Call”
2. 分组交换（packet switch）
   将数据分组后存储下来再转发，互联网传输数据的方式。以分组为单位存储-转发，资源共享，按需使用

电路交换

例题1：在一个电路交换网络上，从主机A到主机B发送一个640，000比特的文件需要多长时间？
条件：1.所有的链路速率为1.536Mbps；2.每条链路使用时隙数为24的TDM；3.建立端到端的电路需500ms

答：每条链路的速率（一个时隙）：1.536Mbps/24=64kbps，传输时间为640kbits/64kbps=10s，故共需10.5s（+与距离有关的传输时延，即电磁波以光速到目的地的时间）
时空图如下：

分组交换

分组-存储-转发

在一个速率为R bps的链路，一个长度为L bits的分组的存储转发延时为L/R s
例题2：用分组转发方式将L=7.5Mbits的分组传到目标节点，传输速率R=1.5Mbps，需要多长时间？
条件：链路有三条，如下图

答：传输时间为L/R=7.5Mbits/1.5Mbps=5s，由于分组转发需要分组-存储-转发，故三条链路共需3*5s=15s

排队延迟与丢失

如果到达速率>链路的输出速率，分组将会排队，等待传输，如果路由器的缓存用完了，分组将会被抛弃

网络核心的关键功能

1. 路由
   全局功能，决定分组采用的源到目标的路径（通过路由算法）
2. 转发
   局部功能，将分组从路由器的输入链路转移到输出链路

统计多路复用

划分时间片段，链路使用无固定模式（不同于时分复用）
相同链路条件下，相较于电路交换，分组交换允许更多的用户使用

分组交换的分类

1. 数据报（datagram）
   无连接，通过目标主机地址分组转发
2. 虚电路（virtual circuit）
   通信之前握手，建立起虚拟的线路，按照虚电路号存储转发，被称为“网络层的连接”

虚电路连接不仅体现在源目标主机，还体现在经过的所有交换节点上

回顾

网络接入Access

与主机、服务器等设备相连的通信链路

企业接入网络以太网Ethernet

企业内部通过交换机级联，再到机构路由器

有线接入网络

数字用户线路DSL

DSL是Digital Subscriber Line的缩写，DSL线路上的数据被传到互联网，语音被传到电话网

线缆网络

有线电视信号电缆构成，采用FDM，在不同频段传输不同信道的数据、数字电视和上网数据（上下行）

特点

1. HFC
   混合光纤同轴电缆，hybrid fiber coax的缩写，非对称，上行传输速率小于上行传输速率
2. 线缆和光纤网络将各家庭用户接入到ISP路由器
3. 各用户共享到线缆头端的接入网络
   与DSL不同，DSL每个用户一个专用线路到CO(Central Office)

家庭网络

无线接入网络

各无线端系统通过基站共享无线接入网络（端系统到无线路由器）
无线接入网络有两种方式：无线局域网WLAN和广域无线接入。

无线局域网WLAN

无线局域网WLAN是Wireless Local Area Networks的缩写，如WIFI

广域无线接入

广域网WAN（Wide Area Network）由蜂窝网服务提供商提供，如3G,4G等移动互连网络，移动设备通过基站联网，一个基站的信号辐射范围可达万米。