一、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
通信系统模型：

通信系统模型.png

计算机网络就是一种通信网络

1.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

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距离远、数量大如何保证互连？
通过交换网络互连主机

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2.Internet

全球最大的互联网络
ISP(Internet Service Provider)网络互连的“网络之网络”

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3.组成

①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

②通信链路

• 光纤, 铜缆, 无线电,卫星……

③分组交换:转发分组(数据包)

• 路由器(routers)
• 交换机(switches)

4.服务

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

注意：仅有硬件（主机、链路、路由器……）连接，Internet能否顺畅运行？能保证应用数据有序交付吗？……
No！
还需要协议！

二、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

1.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

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2.网络协议的定义

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）

3.协议的三要素

①语法（Syntax）

• 数据与控制信息的结构或格式
• 信号电平

②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

③时序（Timing）

• 事件顺序
• 速度匹配

4.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 TaskForce）

三、计算机网络的结构

1.网络边缘

• 主机
• 网络应用

①主机(端系统):位于“网络边缘”运行网络应用程序如：Web, email

②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

③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

2.接入网络，物理介质:

• 有线或无线通信链路

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

①接入网络: 数字用户线路 (DSL)：

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• 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

②接入网络: 电缆网络

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频分多路复用 : 在不同频带（载波）上传输不同频道 image.png

• 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传率输速率
• 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络接入网络
  不同于DSL的独占至中心局的接入

③.典型家庭网络的接入

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④机构（企业）接入网络 (Ethernet)

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• 主要用于公司、高校、企业等组织机构
• 典型传输速率：10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps
• 目前，端系统通常直接连接以太网交换机（switch）

⑤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）

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3.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
• 网络核心的关键功能: 路由+ 转发

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网络核心解决的基本问题：通过数据交换实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机

四、Internet结构

• 端系统通过入接入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

1.网络之网络

①每个接入ISP直接彼此互连

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② 将每个接入ISP 连接到一个国家或全球ISP（Global ISP ）

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区域网络（regional networks）连接接入ISP和运营商ISP：

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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：

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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

五、数据交换

数据交换：实现数据通过网络核心从源主机到达目的主机
为什么需要数据交换：

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1.电路交换

①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

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电路交换网络共享中继线：多路复用（Multiplexing）

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②多路复用

多路复用(multiplexing)，简称复用，是通信技术中的基本概念

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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 )

频分多路复用FDM：

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• 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

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时分多路复用TDM

• 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）
• 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

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波分多路复用WDM
波分复用就是光的频分复用

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码分多路复用CDM

• 广泛应用于无线链路共享 (如蜂窝网,卫星通信等)
• 每个用户分配一唯一的mbit码片序列 (chipping sequence)，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m bit 码片序列的反码

• 各用户码片序列相互正交(orthogonal)

  
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  令{d i }为原始数据序列，各用户的叠加向量为

  
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解码 : 码片序列与编码信号的内积

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码分多路复用编/ 解码举例：

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2.报文交换

报文：源（应用）发送信息整体
比如：一个文件

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3.分组交换

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

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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”

传输延迟：

发送主机:

• 接收应用报文（消息）
• 拆分为较小长度为 L bits的分组（packets）
• 在传输速率为R的链路上传输分组

分组传输延迟（时延）（delay ）= L (bits) / R (bits/sec)

传输时延：
从发送一个分组的第一个bit开始，到最后一个bit发送结束的时间
传输延迟，传输时延 = 发送延迟，发送时延

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• 报文: M bits
• 链路带宽（数据传输速率）: R bps
• 分组长度（大小）: L bits
• 跳步数: h
• 路由器数：n

T=M/R + (h-1)L/R=M/R + nL/R

例题：
在下图所示的采用“存储-转发”方式的分组交换网络中，所有链路的数据传输速率为100 Mbps，分组大小为1 000 B，其中分组头大小为20 B。若主机H1向主机H2发送一个大小为980 000 B的文件，则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，从H1发送开始到H2接收完为止，需要的时间至少是多少？

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【 解】980 000 B大小的文件需要分1000个分组，每个分组1 000 B。H1发送整个文件需要的传输延迟为(980 000+201000)8/100 000 000=80ms；根据路由选择基本原理，所有数据分组应该经过两个路由器的转发，所以再加上最后一个分组的两次转发的传输延迟，即210008/100 000 000=0.16ms。所以，H2收完整个文件至少需要80+0.16=80.16ms。

分组交换和电路交换对比：
分组交换允许更多用户同时使用网络！—— 网络资源充分共享

分组交换适用场景：

• 适用于 突发络 数据传输网络
  资源充分共享
  简单、无需呼叫建立
• 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