[网络协议]计算机网络和因特网（网络核心和接入网）

1.3 网络核心

网络“内部”。连接端系统的分组交换机和链路形成的网状网络。

基本问题：数据如何通过网络传送？

• 电路交换
• 分组交换

电路交换和分组交换

• 电路交换
  • 预留端到端资源：端系统之间通信路径上所需要的资源（缓存，链路宽带）。建立连接。
  • 发送方以恒定速率向接收方传送数据。如，电话网络
• 分组交换
  • 不需要资源预留
  • 按需使用资源，可能要排队等待：同时有其它分组发送。如：因特网。

两者比较：
电路交换效率不高：预先分配传输链路，空闲时，浪费链路时间。

分组交换不适合实时服务：端到端时延不确定；

分组交换带宽共享好，简单，有效，成本更低；

分组交换按需分配链路，利用率高。

发展趋势：
广泛使用分组交换，电路交换话网向分组交换转变。

1??电路交换

1）工作原理

通信双方必须先建立一个专用的连接（电路），一直维持，知道通信结束。
eg. 电路交换网络
每个链路可有n条电路，能够支持n条同步连接。
通信过程：

• 在两台主机A、B之间创建一条专用的端到端连接，分别占用每条链路中的一条电路；
• 该连接获得链路带宽的1/n，进行通信

2）电路交换网络中的多路复用

多路复用：在一条传输链路上同时建立多条连接，分别传输数据。

• 频分多路复用FDM
  链路的频谱由跨越链路创建的连接所共享。
  • 按频率划分为若干频段，每个频段专用于一个连接
  • 带宽bandwidth：频段的宽度）
• 时分多路复用TDM
  时间划分为固定区间的帧，每帧再划分为固定数量的时隙，每一个时隙专用于一个连接，用于传输数据。
  

3）电路交换缺陷

• 效率较低：
  静默期（无数据传输）专用电路空闲，网络资源被浪费；
• 创建端到端电路及预留端到端带宽的过程复杂。

例题：发送文件时间计算（电路交换）

2??分组交换

1）工作原理

报文（message）：应用程序要传输的信息。包含需要的任何内容。如：控制功能或数据。

• 工作过程
  • 源端将报文划分为较小的数据块（分组packet）；
  • 每个分组通过一系列链路的分组交换机传送，直到目的端
  • 目的端恢复原报文
• 分组以链路的最大传输速率传输
• 传输过程中采用存储转发传输机制

2）存储转发传输

分组交换机先将输入端的整个分组接收下来（存储），再从输出链路转发传输出去（转发）。

相关参数：

• 传输时延：将一个分组的所有比特推送到输出链路上所需时间。弱一个分组长$L$ $bit$，链路速率$R$，该时延是$L/R$ $s$。
• 输出缓存（输出队列）：用于保存准备发往某个链路的分组。每条相连的链路都对应由一个输出缓存。
• 排队时延：分组在输出缓存中等待转发的时间。
  某条链路上要转发的分组多，需在其输出缓存中等待。排队时延是变化的，与网络中的拥塞有关。
• 分组丢失：当缓存空间已满时，有的分组要被丢弃。

例题：发送文件时间计算（分组交换）

3??报文交换

将要发送的整个信息作为一个报文发送。
采用存储转发技术：整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来，再转发到下一个结点。

几种交换技术对比

• 电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。
• 报文交换：整个报文先传送到相邻阶段，全部存储下来后，再转发到下一个结点。
• 分组交换：单个分组（只是整个报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后，再转发到下一个结点。
  

4??分组交换网络

在源和目的主机之间通过一系列分组交换机转发分组。
类型：

• 虚电路网络
• 数据报网络

两者在建立路由和管理选路方面存在不同

1）比较

虚电路网络：交换机根据虚电路号转发分组。

• 源和目的主机之间先建立虚连接（虚电路）
• 每个虚电路指定一个标识符ID
• 分组带有标识符ID，决定下一跳（转发路径）
  如，X.25、帧中继FR和异步传递方式ATM

数据报网络：交换机根据目的地址转发分组。

• 不需要建立连接
• 每个分组带有目的地址，决定下一跳（转发路径）
  如，因特网

分类

有三种分类方式分别为工作方式、作用范围和使用范围。

1??根据工作方式分

2??根据作用范围分

局域网LAN（local area network）：
范围较小，几公里左右，一幢楼房或一个单位。
一般将微机通过高速通信线路相连，速率高，通常在10$MB/s$以上。

城域网或市域网MAN（metropolitan area network）：
范围在广域网和局域网之间，例如一个城市。
传送速率比WAN高，范围约几～几十公里。

广域网WAN（wide area network）：
范围通常为几十～几千公里。也称为远程网。

3??根据使用范围分

公用网（Public Network）：
面向大众，交费就可使用。
专用网（Private Network）：
只为本单位内使用。

1.4 接入网

接入网（network access）：
将端系统连接到其边缘路由器的物理链路。
是用户连接到网络的基础设施。
边缘路由器（edge router）：
端系统到任何其它远程端系统的路径上的第一台路由器。

网络接入

• 解决的问题：端系统怎样连接到边缘路由器？
• 接入方式：
• 住宅接入（家庭用户）
• 公司接入（学校、单位）
• 无线接入（移动设备）

1??住宅接入

将家庭端与边缘路由器相连接。

1. 通过拨号调制解调器（dial-up modem）
2. 新型宽带接入技术

通过拨号调制解调器

将家庭端系统通过普通模拟电话线用拨号调制解调器与住宅ISP相连。

• 调制解调器MODEM功能：
• 调制：将数字信号转换成模拟信号
• 解调：将模拟信号转换成数字信号

数字信号和模拟信号
模拟信号：用连续变化的电磁波表示数据，可以按照不同频率在链路上传输。
数字信号：用一系列电压脉冲表示数据，可用正、负两种电平表示“1”、“0”。

网络接入是沿着一条点对点拨号电话线的一对调制解调器。

点对点接入：

• 端系统方发送：MODEM将PC输出的数字信号转换为模拟形式，在模拟电话线（双绞线）上传输。
• ISP方接收：MODEM再将模拟信号转换回数字形式，作为ISP路由器输入。
  

缺点：

• 用户有效速率低于56kbps：双绞线质量低。
  下载时间长。如下载一首3分钟的MP3歌曲大约需要8分钟
• 不能同时上网和拨打普通电话：不能“总是在线”

新型宽带接入技术

为住宅用户提供更高的数据传输率；
用户可以同时上网和打电话。

• 常用类型：
• 数字用户线DSL（digital subscriber line）
• 混合光纤同轴电缆HFC（hybrid fiber coaxial cable）
• 光线到户（fiber to the homes， FTTH）

（1）数字用户线DSL
有多种形式：
如ADSL（不对称）、SDSL（对称）、HDSL（高速）、VDSL（非常高速）等等。
住宅常用的是ADSL不对称数字用户线（Asymmetrical Digital Subscribe Line）

使用频分复用FDM：通信链路划分为3个不重叠频段：

• 高速下载信道50kHz～1MHz
• 中速上载信道4kHz～50kHz
• 普通的双向电话信道0kHz～4kHz用于普通电话
  安装时可采用分离器将入户划分为高频和低频两条线路。
  

（2）混合光纤同轴电缆HFC
传统广播电视电缆系统的改进。

• HFC结构：采用同轴电缆和光纤混合接入方式
• 传统方式：电缆头端（head end）广播通过同轴电缆和放大器的分配网络传向住宅

2??公司接入

通过局域网（LAN）连接端用户和边缘路由器。

• 先将多个端系统连接成局域网：如采用以太网技术，用双绞线或同轴电缆将端系统彼此连接。
• 局域网再与边缘路由器连接：边缘路由器负责与外连接。

以太网技术：

• 共享以太网：端系统共享以太网的传输速率；
• 交换以太网：多个用户可同时使用全部带宽通信。

3??无线接入

用于无线移动设备（如移动电话和PDA等）的接入。

• 无线局域网（wireless LAN）
• 广域无线接入网（wide-area wireless access network）

无线局域网（wireless LAN）
也称为无线以太网或Wi-Fi（wireless fidelity，无线保真）

• 无线用户通过基站（无线接入点）连接
• 基站与有线的因特网连接，为无线用户提供服务。
• 通过基站互相通信，覆盖范围约几十米

广域无线接入网

• 基站由电信提供商管理，覆盖范围数万米
• 漫游的用户可利用移动电话接入基站

典型技术：

• 利用移动电话设施接入：欧洲的无线接入协议WAP、日本的i模式
• 分组交换接入：第三代无线3G技术、4G、5G、6G

物理媒体

将网络中不同端系统互相连接起来的物理线路。
是进行数据传输的物理通信，通过传播电磁波或光脉冲来发送比特流。
也称为传输媒体、传输介质、传输媒介。

• 分类两大类：
• 引导型媒体：电波沿着固体媒体传播。如双绞线、同轴电缆或光缆等。
• 非引导型媒体：电波在空气或外层空间中传播。如无线电等。

物理媒体的性能对网络的通信、速度、距离、价格以及网络中的节点数和可靠性都有很大影响。

1??陆地无线电信道

利用无线电波在自由空间传播实现通信。

• 不需要安装物理线路；
• 能穿透墙壁、可连接移动用户，长距离传输；
• 性能与传播环境和传输距离有关。

类型：

• 运行在本地区域：跨越数十到几百米，如无线LAN，2Mbps、11Mbps
• 运行在广域：跨越数十千米，如WAP、5G技术等，数百Mbps。

2??卫星无线电信道

通过一颗通信卫星连接两个或多个位于地球的微波发射方/接收方（地球站）。

• 卫星：在一频段上接收信号，使用转发器再生信号，并在另一个频率上发送信号。带宽可达Gb/s。
• 微波：频率很高（2～40GHz），在空间是直线传播，会穿透电离层而进入宇宙空间，不会经电离层反射传播。

两类卫星：

• 同步卫星（geostationary satellite）：永久地停留在地球上方的某个固定点上（地球表面上方36000km的轨道）。
• 低纬度卫星（low-altitute satellite）：较靠近地球，绕地球旋转。

对一个区域的连续覆盖，需要在轨道上放置许多卫星。