计算机网络概述
基本概念
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, 是互连(互联互通)的, 自治(无主从关系)的计算机集合
通信系统模型: 信源 -> 发送设备 -> 信道(伴有噪声源) -> 接收设备 -> 信宿
计算机网络为网络应用提供通信服务的通信基础设施(网游, 社交), 为网络应用提供应用编程接口(api)(提供类似邮政系统的数据传输服务)
计算机网络就是一种通信网络, 通过交换网络互连主机, 交换节点为路由器或交换机, internet是全球最大的互联网络, 数以百万计的互连的计算设备集合, 只有硬件连接, internet并不能顺畅运行, 还需要协议
网络协议
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, 发送特定消息, 采取特定动作
网络通信, 主体是机器不是人, 交换电子化或数据化消息, 计算机网络的所有通信过程都必须遵守某些规则, 这就是协议
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
协议规范了网络中所有信息发送和接收过程, 例如TCP, IP, HTTP, Skype…
协议是学习网络的重要内容之一, 是网络创新的表现形式之一
Internet协议标准大部分都是RFC(Request for Comments)文档形式存在, 由IETF(Internet Engineering Task Force)互联网工程任务组进行管理
计算机网络结构
计算机网络结构分为网络边缘, 接入网络, 网络核心
网络边缘: 主机, 网络应用
通信方式主要有两类
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
对等(peer-peer, P2P)应用模型: 无/不依赖专用服务器, 通信在对等实体之间直接进行, 如BT下载
接入网络, 物理介质: 有线或无线通信链路
根据使用场景可划分为, 家庭接入网络, 机构接入网络(学校, 企业), 移动接入网络, 划分不严格
用户关心的内容: 带宽(bandwidth/bps), 共享/独占
具有代表性的接入网络
数字用户线路(DSL): 利用现有的电话线, 采用多路复用技术(多路信号共同使用一个物理介质), 利用已有的电话线连接
ADSL: 非对称数字用户线路, 上行线路和下行线路速率不一样, 上传慢下载快
两种都是采用频分多路复用技术, 把信号调整到不同频带上, 例如, 50kHz-1MHz用于下行, 4kHz-50kHz用于上行, 0kHz-4kHz用于传统电话
电缆网络: 用的有线电视网络, 也是典型的频分多路复用技术, 在不同频带上传输不同频道
典型家庭网络的接入: 电话线或电缆通过调制解调器, 连接路由器, 通过有线以太网(局域网)/无线网wifi连接家里的设备
机构接入网络: 利用局域网, 有线局域网最有名利用最广泛的以太网(Ethernet), 以太网交换机通过连接ISP的机构路由器接入链路
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), 两类无线局域网(LANs)(wifi)和广域无限接入(蜂窝网)
网络核心: 互联的路由器或分组转发设备, 互联的路由器网络
网络核心关键功能: 路由+转发
网络核心收到一个数据包, 需要根据地址信息正确的送到目的地
就需要用到一个本地转发表/路由表, 包含目的地址和输出链路, 运行路由协议计算得出
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
网络核心解决的基本问题是: 数据交换
网络核心
主要功能是数据交换, 为什么需要数据交换, 设备直连需要n方条链路, 为了保证连通性和适应不同网络规模, 交换设备互连在一起构成一个交换网络
什么是交换, 动态转接和动态分配传输资源
数据交换的类型有: 电路交换, 报文交换, 分组交换
典型的电路交换网络有电话网络, 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), 占用的电路资源独占, 但物理中继线共享, 涉及多路复用
报文: 源发送信息整体, 比如一个文件, 分组: 报文拆分出来一系列相对较小的数据包, 包含数据头和数据
分组交换需要报文的拆分与重组, 会产生额外的开销
分组交换采用统计多路复用(Statistical multiplexing), 分组序列不确定, 按需共享链路
报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式, 区别是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
分组交换的报文交付时间: T = M/R+nL/R ,报文大小M bits, 链路带宽R bps 分组长度L bits 跳步数 h 路由器数 n
分组交换允许更多用户同时使用网络, 网络资源充分共享, 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
分组交换是目前计算机网络中广泛采用的数据交换技术
多路复用(multiplexing): 简称复用, 是通信技术中的基本概念
链路/网络资源划分为资源片, 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)
典型多路复用方法
频分多路复用(frequency division multiplexing, FDM): 例有线电视, 各用户占用不同的频率带宽(Hz)资源, 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(time division multiplexing, 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, 周期就是TDM帧的长度, 所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度
波分多路复用(wavelength division multiplexing, WDM): 就是光的频分复用
码分多路复用(code division multiplexing, CDM): 广泛应用于无线链路共享(蜂窝网, 卫星通信), 每个用户分配一个唯一的码片序列(chipping sequence), 各用户使用相同频率载波, 利用各自码片序列编码数据, 各用户码片序列相互正交(orthogonal), 解码则是码片序列与编码信号的内积
计算机网络性能
速率: 数据率/数据传输速率/比特率, 单位时间传输信息量, b/s, kb/s, Mb/s, k=1000, 往往指额定速率或标称速率
带宽: 这里指数字信道所能传送的最高数据率, 单位 b/s
丢包: 分组在路由器缓存中排队, 如缓存已满, 到达分组会被丢弃
队列缓存容量有限, 分组到达已满队列将被丢弃, 丢弃分组可能由前序节点或源重发, 也可能不重发
丢包率 = 丢包数 ÷ 已发分组总数
四种分组延迟: 结点处理延迟, 排队延迟, 传输延迟, 传播延迟
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
吞吐量: 表示在发送端与接收端之间传送数据速率(b/s)
瓶颈链路: 端到端路径上, 限制吞吐量的链路
计算机网络体系结构
为什么需要体系结构, 因为计算机网络是一个非常复杂的系统, 涉及许多组成部分, 所以用分层结构, 能有效描述网络
每层完成一类特定功能, 每层依赖底层提供的服务, 通过层内动作完成相应功能
计算机网络体系结构简称网络体系结构, 是从功能上描述计算机网络结构, 是分层结构, 每层遵循某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, 是抽象的
分层结构好处
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
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)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
异构网络系统互连的国际标准, 理解网络通信的最佳理论模型, 但应用并不广泛, 共有七层, 物理层(Physical), 数据链路层(Data link), 网络层(Network), 传输层(Transport), 会话层(Session), 表示层(Presentation), 应用层(Application)
为什么需要数据封装, 增加控制信息, 构造协议数据单元(PDU)
控制信息需要包括, 地址, 标识发送端/接收端, 差错检测编码, 用于差错检测或纠正, 协议控制, 实现协议功能的附加信息
物理层: 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, 传输模式(单工, 半双工, 全双工)
数据链路层: 负责结点-结点数据传输, 组帧, 物理寻址, 在帧头中增加发送端和接收端的物理地址, 流量控制, 差错控制, 访问控制
网络层: 负责源主机到目的主机数据分组交付, 可能穿越多个网络, 逻辑寻址, 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, 分组转发
传输层: 负责源-目的地完整报文传输, 分段与重组, SAP寻址, 确保将完整报文提交给正确进程, 连接控制, 流量控制, 差错控制
会话层: 对话控制, 同步, 在数据流中插入同步点, 最薄的一层
表示层: 处理两个系统间交换信息的语法与语义问题, 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: 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, 如FTP, SMTP, HTTP
TCP/IP参考模型
应用层, 运输层, 网际层, 网络接口层
五层参考模型
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, 相邻网络元素的数据传输(主机, 交换机, 路由器)
物理层, 比特传输