计算机网络概述_什么是计算机网络csdn

计算机网络和因特网概述

学习内容

• 构成网络的基本硬件和软件
• 网络边缘
  • 端系统
  • 网络应用
• 网络核心
  • 链路、交换机
• 接入网
• Internet
  • 网络的网络

一、什么是计算机网络

理解

• 计算机网络 = 通信技术 + 计算机技术

• 一种通信网络

  

定义

• 互连的、自制的计算机集合
  • 自制 - 无主从关系
  • 互连 - 互连互通
    • 通信链路：直接连接
    • 分组交换机
      • 路由器：网络核心
      • (链路层)交换机：接入网

二、Internet

简介

• 全球最大的互联网

  • ISP(Internet Service Provider)

    • 功能：为端系统提供接入Internet服务
    • 构成：多个分组交换机和多段通信链路组成的网络
    • 互连：低层ISP通过高层ISP互连

  • 通过ISP网络互连的网络

    

物理结构(具体)

• 百万计的互联的计算设备的集合
  • 主机(hosts) = 端系统(end systems)
  • 运行网络应用
• 通信链路
  • 光纤、铜缆
  • 无线电卫星
• 分组交换
  • 路由器(routers)
  • 交换机(switches)

*服务角度(抽象)

• 为应用程序提供服务的基础设施
  • 应用程序编程接口*API***(Application Programming Interface)，允许应用连接Internet
• 分布式应用程序
  • Email、Web、社交网络、视频、游戏等

问题

• 仅有物理设备，Internet如何保证应用之间的数据交换？

三、网络协议

定义

• 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

三要素

• 语法(Syntax)
  • 信息的结构或格式
• 语义(Semantics)
  • 发送信息的类型
  • 响应的类型、采取的动作
  • 差错控制
• 时序(TIming)
  • 事件顺序
  • 速度匹配

作用

• 计算机网络有序运行的重要保证、

• 网络中的数据交换必须遵守事先约定的规则

• 规定了交换信息的 格式、意义、顺序

• 针对收到信息或发生的事件所采取的 动作

• 规范网络中信息的发送和接收过程

重要性

• 学习网路的重要内容之一
• 网络创新的表现形式之一

Internet协议标准

• 制定机构***IETF***(Internet Engineering Task Force) 互联网工程任务组

• 官方文档***RFC***(Request for Comments) 请求评论

  • TCP、IP
  • HTTP(用于Web)
  • SMTP(用于Email) 等

• 其他组织及标准

  • IEEE 802 LAN/MAN 标准化委员会
  • Ethernet、Wifi标准

计算机网络结构

一、网络边缘

主机(端系统)

• 位于"网络边缘"
• 运行网络应用程序
• 进一步划分
  • 客户(client)
  • 服务器(server)

通信模型

• 客服/服务器(client/server)应用模型：客户发送请求，接收服务器响应。如Web
• 对等(peer-peer P2P)应用模型：没有专用服务器，直接进行通信。如QQ

二、接入网络(Access Network)、物理介质

定义

• 将端系统连接到其边缘路由器(edge router)的物理链路

作用

• 将网络边缘接入核心网

ISP(Internet Service Provider)

• 分层结构
  • 顶级ISP
  • 区域ISP
  • 接入ISP
• 其他
  • PoP
  • 多宿
  • 对等
  • IXP(Internet Exchange Point)
• 内容提供商网络(content provider network)

分类

• 家庭接入
  • DSL、电缆
  • FTTH(Fiber To The Home)
  • 卫星、传统电话线等
• 机构接入(学校、企业等)
  • 局域网LAN接入
    • 以太网
    • WiFi
• 移动(广域无线)接入
  • 基站接入
    • 3G、4G、5G 蜂窝网
    • LTE(Long-Term Evolution)

举例

数字用户线路***DSL***(Digital Subscriber Line)

• 利用家庭已有的电话线
  • ISP：本地电话公司
• 编码频率
  • 高速下行通道：50 kHz ~ 1 MHz 24 Mpbs
  • 中速上行通道：4kHz ~ 50kHz 2.5 Mbps
  • 普通双向电话信道：0 ~ 4kHz
• 多路复用
  • 多路信号共用一个物理介质传输

电缆网络***CIA***(Cabel Internet Access)

• 利用有线电视基础设施
  • ISP：有线电视公司
• 频分多路复用：在不同频带(载波)上传输不同频道
• 各家庭共享接入网络

典型家庭网络的接入

机构接入网络

重要指标

• 带宽(bandwidth bps)
• 独占/共享

三、网络核心

组成

• 互连的路由器(分组转发设备)/分组交换机
  • 路由层交换机
  • 链路层交换机
• 构成网络之网络

关键功能

• 路由
  • 路由算法/路由选择协议
  • 本地转发表/路由表
  • 路由观察：www/traceroute.org
• 转发
  • 从输入端口交换至正确的输出端口
• 传输
  • 将数据从源传输到目的地

传输方式

• 存储转发
  • 在向输出链路传输第一个比特前，必须接收整个分组
  • 报文交换与分组交换均采用该交换方式
    • 报文交换的对象是完整报文
    • 分组交换的对象是较小的分组

数据交换

• 动态转接：端口转发
• 动态分配传输资源

数据交换的类型

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换

电路交换

三个阶段

• 建立连接(建立电路)
• 通信
• 释放连接(拆除电路)

特点

• 独占资源

链路共享：多路复用

• 划分链路/网络资源为资源片
• 分配资源片给各路呼叫
• 没路呼叫独占资源片
• 资源片可能闲置

典型方法

• 频分FDM：如电视信号

• 时分TDM

• 波分WDM：就是光的频分复用

• 码分CDM

  • 广泛用于无线链路共享
    • 如蜂窝网、卫星通信等
  • m bit 码片序列
  • 发送的数据用该码片序列进行编码
  • 各个用户的码片序列正交

  

  

报文交换

• 报文：源发送的信息整体

• 如：电报通信

分组交换

原理

• 分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包
• 每个小的数据包会增加头部，头部和数据构成分组
• 分组交换需要进行报文的拆分与重组
• 产生额外开销
• 统计多路复用，按需共享链路

与电路交换相比

• 允许更多的用户同时使用网络
• 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
• 可能产生拥塞(congesiton)：分组延迟或丢失
  • 需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制
• 问题
  • 如何提供电路级带宽保证？

计算机网络性能

速率

• 数据传输速率或比特率
• 单位时间(s)传输信息(bit)量
• 往往指额定速率，现实中往往达不到

带宽

• 原指信号具有的频带宽度(Hz)
• 网络带宽通常指数字信道的"最高数据率"(b/s)

延迟/时延(delay/latency)

分组交换为什么会发生丢包和时延

• 传输时延
• 排队延迟
• 缓存满，到达的分组被丢弃

四种分组延迟

• $d_{proc}$ 节点处理(nodal processing delay)

  • 差错检测
  • 确定输出链路
  • 通常 < msec

• $d_{queue}$ 排队延迟(queueing delay)

  • 等待输出链路可用
  • 取决于路由器拥塞程度
  • 难以确定
  • 流量强度 $La/R$

  

• $d_{trans}$ 传输延迟(transmission delay)

  • L: 分组长度
  • R: 链路宽度

• $d_{prop}$ 传播延迟(propagation delay)

  • d: 物理链路长度
  • s: 信号传播速度(~ $2\ast 10^{8}m/sec$)

时延带宽积

• 时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
• 又称以比特为单位的链路长度

丢包率

• 丢包数 / 已发分组总数

吞吐量

• 发送端与接收端之间传送数据速率
  • 即时吞吐量
  • 平均吞吐量
• 取决于端到端路径上，限制端到端吞吐量的链路

计算机网络体系结构

有效描述网络的系统结构?

• 分层结构
• 每层完成一种特定服务/功能

网络体系结构

• 从功能上描述计算机网络
• 分层结构
• 每层遵循某些网络协议完成本层功能
• 是计算机网络罗的各层及其协议的集合
• 是功能层次及其关系的定义
• 是抽象的描述。不关注具体实现方式

分层结构

• 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
• 不利之处？
  • 分层过多、效率低下

分层网络体系结构基本概念

• 实体：任何发送接收信息的硬件或软件进程
• 协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合，是“水平的”
• 服务：使用下层服务，遵循本层协议、实现本层功能，向上层提供服务，是垂直的
• 下层协议的实现对上层的服务用户是透明的
• 接口：相邻层实体通过接口进行交互，通过服务访问点***SAP***(Service Access Point)，交换原语，指定请求特定服务

OSI参考模型

简介

• 开放系统互连(OSI)参考模型
• 时间：1984
• 组织：国际标准化组织(ISO)
• 目的：支持异构网络系统的互连
• 价值
  • 异构网络系统互连的国际标准
  • 理解网络通信的最佳学习工具
• 评价：理论成功、市场失败

七层结构

概述

• 应用层
• 表示层
  • 数据压缩
  • 数据加密码
  • 数据描述：避免不同计算机中数据格式不同的问题
• 会话层
  • 数据交换定界
  • 同步
  • 建立检查点、恢复方案
• 传输层
• 网络层
• 数据链路层
• 物理层

物理层

• 实现比特传输

规范

• 接口特性
  • 机械特性(插孔形状、方向等)
  • 电器特性(电压等)
  • 功能特性(引脚功能等)
  • 规程特性(工作过程)
• 比特编码
• 数据率(速度)
• 比特同步
  • 时钟同步
• 传输模式
  • 单工：单向通信，一方只能接收
  • 半双工：一个时刻只能一方发或收
  • 全双工：双向通信

数据链路层

• 节点 - 节点 (node to node) 数据传输

• 物理链路直接相连的两个设备的数据传输

• 组帧(Framing)

• 物理寻址(Physical addressing)

  • 在帧头中增加发送端/接收端的物理地址表示数据帧的发送端/接收端
  • 因为多个设备均会收到数据，所以即便直接相连，也要标明
  • 目的和源

• 流量控制(Flow Control)

  • 避免淹没接收端

• 差错控制(Error Control)

  • 检测并重传损坏或丢失帧，避免重复帧

• 访问(接入)控制(Access Control)

  • 在任意时刻决定哪个设备拥有链路(物理介质)控制使用权

网络层

• 源主机到目的主机数据分组(packet)交付
  • 可能穿越多个网络，不能使用物理寻址
• 逻辑寻址(Logical Addressing)
  • 全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP
• 路由(Routing)？？？
  • 路由器(或网关)
  • 路径选择？？？

传输层功能

• 源 - 目的 (端 - 端) (进程间) 完整报文传输

• 报文的分段与重组

• SAP寻址

  • 确保将完整报文提交给正确进程，如端口号

          

• 连接控制(逻辑控制)

• 流量控制(端系统层面)

• 差错控制(端系统层面)

会话层

• 对话控制
  • 建立、维护
• 同步
  • 在数据流中插入“同步点”
• 功能最薄的一层

表示层

• 处理两个系统间交换信息的语法和语义(syntax and semantics)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
• 实际功能也不多

应用层功能

• 支持用户通过代理(如浏览器)或网络接口使用网络(服务)
• 典型应用层服务
  • 文件传输(FTP)
  • 电子邮件(SMTP)
  • Web(HTTP)

利用OSI解释通信过程

• 实通信：实线表示
• 逻辑通信：虚线表示

        

OSI数据封装(encapsulation)

封装(encapsulation)

• 两种字段

  • 首部
  • 有效载荷(payload field)

• 数据链路层还有尾部

为什么需要数据封装

• 增加控制信息
  • 构造协议数据单元(PDU)
• 控制信息主要包括
  • 地址
  • 差错检测吗
  • 协议控制
    • 优先级
    • 服务质量
    • 安全控制

TCP/IP参考模型

• Everything over IP IP可为各式各样的应用提供服务
• IP over everything IP可应用到各式各样的网络上

四层模型

• 应用层
• 运输层
• 网际层
• 网络接口层
  • 并没有定义具体协议
  • 只要能够封装IP接口即可

五层参考模型(Internet)

• 综合OSI和TCP/IP的优点

应用层

• 网络应用：Email、Web等
• 应用层协议：SMTP、HTTP等
• 分组名称：报文(message)

传输层

• 功能：实现进程-进程的数据(报文段)传输
• 传输层协议：TCP、UDP
• 分组名称：报文段(segment)

网络层

• 功能：源主机到目的主机的数据分组(数据报)路由与转发
• 网络层协议：IP、路由选择
• 分组名称：数据报(datagram)

链路层

• 功能：相邻网络元素(主机、交换机、路由器等)的数据(帧)传输

• 链路层协议：以太网(Ethernet)、802.11(Wifi)、PPP

• 分组名称：帧(frame)

• 物理层

  • 功能：比特传输
  • 链路相关协议

5 层模型数据封装

• 交换机 2层
• 路由器 3层

计算机网络与Internet发展历史

• 1983 - 在ARPANet上部署TCP/IP

• 1988 - TCP拥塞控制

• Minitel - 将网络带入家庭的最早实践

  • 最鼎盛时可以提供两万多个服务

• 1992：因特网协会ISOC成立、我国接入Internet