一活鹰、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)=通信技術(shù)+計(jì)算機(jī)技術(shù)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物
通信系統(tǒng)模型：

通信系統(tǒng)模型.png

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是一種通信網(wǎng)絡(luò)

1.定義：

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是互連的、自治的計(jì)算機(jī)集合漓柑。
自治：無主從關(guān)系
互連：互聯(lián)互通

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距離遠(yuǎn)、數(shù)量大如何保證互連孙蒙？
通過交換網(wǎng)絡(luò)互連主機(jī)

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2.Internet

全球最大的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)
ISP(Internet Service Provider)網(wǎng)絡(luò)互連的“網(wǎng)絡(luò)之網(wǎng)絡(luò)”

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3.組成

①數(shù)以百萬計(jì)的互連的計(jì)算設(shè)備集合:

• 主機(jī)(hosts)=端系統(tǒng)（end systems）
• 運(yùn)行各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

②通信鏈路

• 光纖, 銅纜, 無線電,衛(wèi)星……

③分組交換:轉(zhuǎn)發(fā)分組(數(shù)據(jù)包)

• 路由器(routers)
• 交換機(jī)(switches)

4.服務(wù)

為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供通信服務(wù)的通信基礎(chǔ)設(shè)施:

• Web, VoIP, email, 網(wǎng)絡(luò)游戲,電子商務(wù), 社交網(wǎng)絡(luò), …

為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供應(yīng)用編程接口（API）：

• 支持應(yīng)用程序“連接”Internet乡括，發(fā)送/接收數(shù)據(jù)
• 提供類似于郵政系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)

注意：僅有硬件（主機(jī)几苍、鏈路翻屈、路由器……）連接，Internet能否順暢運(yùn)行妻坝？能保證應(yīng)用數(shù)據(jù)有序交付嗎伸眶？……
No！
還需要協(xié)議刽宪！

二厘贼、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有序運(yùn)行的重要保證
硬件（主機(jī)、路由器圣拄、通信鏈路等）是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換必須遵守事先約定好的規(guī)則

1.網(wǎng)絡(luò)通信

• 通信主體是“機(jī)器”而不是人
• 交換“電子化”或“數(shù)字化”消息
• 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的所有通信過程都必須遵守某種/些規(guī)則—協(xié)議

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2.網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的定義

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(network protocol)嘴秸，簡稱為協(xié)議，是為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定
協(xié)議規(guī)定了通信實(shí)體之間所交換的消息的格式岳掐、意義凭疮、順序以及針對(duì)收到信息或發(fā)生的事件所采取的“動(dòng)作”（actions）

3.協(xié)議的三要素

①語法（Syntax）

• 數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式
• 信號(hào)電平

②語義（Semantics）

• 需要發(fā)出何種控制信息
• 完成何種動(dòng)作以及做出何種響應(yīng)
• 差錯(cuò)控制

③時(shí)序（Timing）

• 事件順序
• 速度匹配

4.協(xié)議是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的重要內(nèi)容

• 協(xié)議規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)中所有信息發(fā)送和接收過程
  e.g., TCP, IP, HTTP, Skype,802.11

• 學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的重要內(nèi)容之一

• 網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的表現(xiàn)形式之一

• Internet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)
  RFC: Request for Comments
  IETF:互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（Internet Engineering TaskForce）

三、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

1.網(wǎng)絡(luò)邊緣

• 主機(jī)
• 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

①主機(jī)(端系統(tǒng)):位于“網(wǎng)絡(luò)邊緣”運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序如：Web, email

②客戶/服務(wù)器(client/server)應(yīng)用模型：客戶發(fā)送請(qǐng)求串述，接收服務(wù)器響應(yīng)执解。如：Web應(yīng)用，文件傳輸FTP應(yīng)用

③對(duì)等(peer-peer, P2P)應(yīng)用模型:無（或不僅依賴）專用服務(wù)器纲酗，通信在對(duì)等實(shí)體之間直接進(jìn)行衰腌。如：Gnutella, BT, Skype, QQ

2.接入網(wǎng)絡(luò)，物理介質(zhì):

• 有線或無線通信鏈路

住宅（家庭）接入網(wǎng)絡(luò)
機(jī)構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò) (學(xué)校,企業(yè)等)
移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)

①接入網(wǎng)絡(luò): 數(shù)字用戶線路 (DSL)：

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• 利用已有的電話線連接中心局的DSLAM
  數(shù)據(jù)通信通過DSL電話線接入Internet
  語音（電話）通過DSL電話線接入電話網(wǎng)
• < 2.5 Mbps上行傳輸速率 (典型速率 < 1 Mbps)
• < 24 Mbps下行傳輸速率 (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用于傳統(tǒng)電話

②接入網(wǎng)絡(luò): 電纜網(wǎng)絡(luò)

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• HFC: 混合光纖同軸電纜（ hybrid fiber coax ）
  非對(duì)稱: 下行高達(dá)30Mbps 傳輸速率觅赊，上行為2 Mbps傳率輸速率
• 各家庭（設(shè)備）通過電纜網(wǎng)絡(luò)→ 光纖接入ISP 路由器
  各家庭共享家庭至電纜頭端的絡(luò)接入網(wǎng)絡(luò)
  不同于DSL的獨(dú)占至中心局的接入

③.典型家庭網(wǎng)絡(luò)的接入

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④機(jī)構(gòu)（企業(yè)）接入網(wǎng)絡(luò) (Ethernet)

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• 主要用于公司右蕊、高校、企業(yè)等組織機(jī)構(gòu)
• 典型傳輸速率：10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps
• 目前吮螺，端系統(tǒng)通常直接連接以太網(wǎng)交換機(jī)（switch）

⑤無線接入網(wǎng)絡(luò)
通過共享的 無線接入網(wǎng)絡(luò)連接端系統(tǒng)與路由器
通過基站（base station）或稱為“接入點(diǎn)”（access point）

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3.網(wǎng)絡(luò)核心（ 核心網(wǎng)絡(luò)）:

• 互聯(lián)的路由器（或分組轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備）
• 網(wǎng)絡(luò)之網(wǎng)絡(luò)
• 網(wǎng)絡(luò)核心的關(guān)鍵功能: 路由+ 轉(zhuǎn)發(fā)

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網(wǎng)絡(luò)核心解決的基本問題：通過數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從源主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)核心送達(dá)目的主機(jī)

四尤泽、Internet結(jié)構(gòu)

• 端系統(tǒng)通過入接入ISP （access ISPs ）連接到Internet
  家庭、公司和大學(xué)ISPs
• 接入ISP 必須進(jìn)一步互連
  這樣任意兩個(gè)主機(jī)才可以互相發(fā)送分組
• 構(gòu)成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互連的網(wǎng)絡(luò)
  經(jīng)濟(jì)和國家政策是網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的主要驅(qū)動(dòng)力
• 當(dāng)前Internet 結(jié)構(gòu)规脸？
  無人能給出精確描述

1.網(wǎng)絡(luò)之網(wǎng)絡(luò)

①每個(gè)接入ISP直接彼此互連

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② 將每個(gè)接入ISP 連接到一個(gè)國家或全球ISP（Global ISP ）

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區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（regional networks）連接接入ISP和運(yùn)營商ISP：

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內(nèi)容提供商網(wǎng)絡(luò)(content provider networks 坯约，
如： Google,Microsoft 等， 可能運(yùn)行其自己的網(wǎng)絡(luò)莫鸭，并就近為端用戶提供服務(wù)闹丐、內(nèi)容：

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在網(wǎng)絡(luò)中心: 少數(shù)互連的大型網(wǎng)絡(luò)

• “一級(jí)”(tier-1)商業(yè)ISPs (如：網(wǎng)通、電信被因、Sprint卿拴、 AT&T)，提供國家或國際范圍的覆蓋
• 內(nèi)容提供商網(wǎng)絡(luò)（content provider network梨与， 如：Google)：私有網(wǎng)絡(luò)堕花，連接其數(shù)據(jù)中心與Internet，通常繞過一級(jí)ISP和區(qū)域ISPs

五粥鞋、數(shù)據(jù)交換

數(shù)據(jù)交換：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)核心從源主機(jī)到達(dá)目的主機(jī)
為什么需要數(shù)據(jù)交換：

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1.電路交換

①特點(diǎn)：

最典型電路交換網(wǎng)絡(luò)：電話網(wǎng)絡(luò)

電路交換的三個(gè)階段：

• 建立連接（呼叫/電路建立）
• 通信
• 釋放連接（拆除電路）

獨(dú)占資源

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電路交換網(wǎng)絡(luò)共享中繼線：多路復(fù)用（Multiplexing）

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②多路復(fù)用

多路復(fù)用(multiplexing)缘挽，簡稱復(fù)用，是通信技術(shù)中的基本概念

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多路復(fù)用(Multiplexing):鏈路/網(wǎng)絡(luò)資源（如帶寬）劃分為“資源片”

• 將資源片分配給各路“呼叫”（calls）
• 每路呼叫獨(dú)占分配到的資源片進(jìn)行通信
• 資源片可能“閑置”(idle)(無共享)

典型多路復(fù)用方法:

• 頻分多路復(fù)用( frequency division multiplexing-FDM )
• 時(shí)分多路復(fù)用( time division multiplexing-TDM )
• 波分多路復(fù)用(Wavelength division multiplexing-WDM)
• 碼分多路復(fù)用( Code division multiplexing-CDM )

頻分多路復(fù)用FDM：

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• 頻分多路復(fù)用的各用戶占用不同的帶寬資源（請(qǐng)注意呻粹，這里的“帶寬”是頻率帶寬（單位：Hz）而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）
• 用戶在分配到一定的頻帶后壕曼，在通信過程中自始至終都占用這個(gè)頻帶

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時(shí)分多路復(fù)用TDM

• 時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長的時(shí)分復(fù)用幀（TDM 幀），每個(gè)用戶在每個(gè) TDM 幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙
• 每用戶所占用的時(shí)隙是周期性出現(xiàn)（其周期就是TDM 幀的長度）
• 時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用相同的頻帶寬度

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波分多路復(fù)用WDM
波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用

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碼分多路復(fù)用CDM

• 廣泛應(yīng)用于無線鏈路共享 (如蜂窩網(wǎng),衛(wèi)星通信等)
• 每個(gè)用戶分配一唯一的mbit碼片序列 (chipping sequence)等浊，其中“0”用“-1”表示腮郊、“1”用“+1”表示，例如：
  S 站的碼片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
• 各用戶使用相同頻率載波筹燕，利用各自碼片序列編碼數(shù)據(jù)
• 編碼信號(hào) = (原始數(shù)據(jù)) × (碼片序列)
  如發(fā)送比特 1（+1）轧飞，則發(fā)送自己的 mbit 碼片序列
  如發(fā)送比特 0（-1）衅鹿，則發(fā)送該碼片序列的m bit 碼片序列的反碼

• 各用戶碼片序列相互正交(orthogonal)

  
  
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  令{d i }為原始數(shù)據(jù)序列，各用戶的疊加向量為

  
  
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解碼 : 碼片序列與編碼信號(hào)的內(nèi)積

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碼分多路復(fù)用編/ 解碼舉例：

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2.報(bào)文交換

報(bào)文：源（應(yīng)用）發(fā)送信息整體
比如：一個(gè)文件

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3.分組交換

分組：報(bào)文分拆出來的一系列相對(duì)較小的數(shù)據(jù)包
分組交換需要報(bào)文的拆分與重組过咬，產(chǎn)生額外開銷

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報(bào)文交換與分組交換均采用存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)交換方式
區(qū)別：

• 報(bào)文交換以完整報(bào)文進(jìn)行“存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)”
• 分組交換以較小的分組進(jìn)行“存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)”

傳輸延遲：

發(fā)送主機(jī):

• 接收應(yīng)用報(bào)文（消息）
• 拆分為較小長度為 L bits的分組（packets）
• 在傳輸速率為R的鏈路上傳輸分組

分組傳輸延遲（時(shí)延）（delay ）= L (bits) / R (bits/sec)

傳輸時(shí)延：
從發(fā)送一個(gè)分組的第一個(gè)bit開始塘安，到最后一個(gè)bit發(fā)送結(jié)束的時(shí)間
傳輸延遲，傳輸時(shí)延 = 發(fā)送延遲援奢，發(fā)送時(shí)延

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• 報(bào)文: M bits
• 鏈路帶寬（數(shù)據(jù)傳輸速率）: R bps
• 分組長度（大屑娣浮）: L bits
• 跳步數(shù): h
• 路由器數(shù)：n

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

例題：
在下圖所示的采用“存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)”方式的分組交換網(wǎng)絡(luò)中，所有鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mbps集漾，分組大小為1 000 B切黔，其中分組頭大小為20 B。若主機(jī)H1向主機(jī)H2發(fā)送一個(gè)大小為980 000 B的文件具篇，則在不考慮分組拆裝時(shí)間和傳播延遲的情況下纬霞，從H1發(fā)送開始到H2接收完為止，需要的時(shí)間至少是多少驱显？

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【 解】980 000 B大小的文件需要分1000個(gè)分組诗芜，每個(gè)分組1 000 B。H1發(fā)送整個(gè)文件需要的傳輸延遲為(980 000+201000)8/100 000 000=80ms埃疫；根據(jù)路由選擇基本原理伏恐，所有數(shù)據(jù)分組應(yīng)該經(jīng)過兩個(gè)路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，所以再加上最后一個(gè)分組的兩次轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸延遲栓霜，即210008/100 000 000=0.16ms翠桦。所以，H2收完整個(gè)文件至少需要80+0.16=80.16ms胳蛮。

分組交換和電路交換對(duì)比：
分組交換允許更多用戶同時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)销凑！—— 網(wǎng)絡(luò)資源充分共享

分組交換適用場景：

• 適用于 突發(fā)絡(luò) 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)
  資源充分共享
  簡單、無需呼叫建立
• 可能產(chǎn)生擁塞（congestion ）: 分組延遲和丟失
  需要協(xié)議處理可靠數(shù)據(jù)傳輸和擁塞控制