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计算机网络原理(持续更新)

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计算机网络原理

发布于：2021年5月1日
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                                                 计算机网络原理

一、计算机网络原理

1.计算机网络原理简介

计算机网络 = 通信技术 + 计算机技术 ， 二者的紧密结合

通信系统模型：

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graph LR
	A[信源] --> B[发送设备] -->C[信道] -->D[接收设备] -->E[新宿]
 	F[噪声源] --> C

计算机网络就是一种通信网络。

计算机网络：

  • 定义：计算机网络就是互联的、自治的计算机集合。

  • 自治：无主从关系。

  • 互联：互联互通。

如下图(通信链路)：

基于上述内容的通信链路

但当距离远、数量大如何保证互联？

通过交换网络互联主机 用交换网络图标表示

如图：

交换网络

交换网络中最重要的一部分为交换节点(路由器 | | 交换机)

什么是Internet？-组成细节角度

  • 全球最大的互联网络

    • ISP(Internet Service Provider)网络互联的“网络之网络”

    • 示例图

    • 数以百万计的互联的计算设备的集合：

      • 主机(hosts)=端系统(end systems)

    • 运行各种网络应用

    • 通信链路

    • 光纤，铜缆，无线电，卫星。。。。

    • 分组交换：转发分组(数据包)

      • 路由器(routers)和交换机(switches)

什么是Internet？ - 服务角度

  • 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

Q：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？…..

A: No!

缺少网络协议!

2.网络协议

**协议是计算机网络有序运行的重要保证 **

协议是计算机网络的重要内容

什么是网络协议

  • 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

  • 如同交通规则：交通

    ​ (在道路上，如果没有交通规则来指导我们安全行驶，有序行驶，那么交通系统很可能会瘫痪—–这些规则在这里指的就是协议)

  • 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

  • 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
    • 信号平台

  • 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 Task Force)

3.计算机网络结构

参考图

  • 网络边缘

    • 主机
    • 网络应用

  • 接入网络,物理介质:

    • 有线或无限通信链路

  • 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

  • 主机(端系统)

    • 位于”网络边缘”
      • 如:Web,email

  • 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

  • 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:Guntella,BT,Skye,QQ

接入网络

Q:如何将网络边缘接入核心网(边缘路由器)?

A:接入网络

  • 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

用户关心的是:

  • 带宽(bandwidth)(bps)?
  • 共享/独占?

接入网络原理

接入网络:数字用户线路(DSL)

接入网络

  • 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 Mbps)

  • 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

接入网络示例

接入网络:电缆网络 有线电视网络

接入网络

图中 电缆头端(CMTS):电缆调制解调器端接系统.

  • **频分多路复用:**在不同频带(载波)上传输不同频道

  • 数据、电视信号在共享线缆分布式网络上利用不同频率传输

  • **HFC:**混合光纤同轴电缆(hybrid fiber coax)

    • 非对称:下行高达30 Mbps传输速率,上行为2 Mbps传输速率

  • 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接入网络
    • 不同于DSL的独占至中心局的接入(所以有时电缆网络带宽比较高,但还是没有DSL快)

典型家庭网络接入

典型家庭网络接入

机构(企业)接入网络(Ethernet)

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

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)

无线局域网(LANs):

无线局域网
  • 同一建筑物内(30m)
  • 802.11b/g(WiFi):11Mbps、54Mbps传输速率

广域无线接入:

广域无线接入
  • 通过电信运营商(蜂窝网),接入范围再几十公里~
  • 宽带:1 Mbps、10 Mbps、100 Mbps
  • 3G、4G:LTE、5G
  • 移动互联网

网络核心

网络核心 
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graph LR
	A:[路由:路由算法] -->B[转发:本地转发表]

  • ***路由(routing):***确定分组从源到目的的传输路径 —– 路由算法

  • ***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 —– 本地转发表

  • 互联网的路由器网络

  • 网络核心的关键功能:路由+转发

    回到一般情况

    网络核心解决的基本问题:

网络核心基本问题

Q:如何实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机?

A:数据交换

不同的数据交换技术有不同的优点

4.Internet结构

  • 端系统通过**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

  • 构成复杂的网络互联的网络

    • 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 (时刻有人离开，有人进入)

Q:数以百万计的接入ISP是如何互连在一起的呢？

数以百万计连接1

可选方案：每个接入ISP直接彼此互连？

数以百万计连接2

可选方案：将每个接入ISP连接到一个国家或全球ISP(Global ISP)？

数以百万计连接3

(但事实上，从商业角度或经济角度看，必定有竞争者……，所以这种办法是不可行的，但这些 ISP 网络必须互联)

数以百万计连接4

在互联网的发展中，还可能出现另外一种网络，***区域网络(regional networks)***连接接入ISP和运营商ISP

数以百万计连接5

之外还出现了一些内容提供商网络(content provider networks，如：Google，Microsoft等)可能运行其他自己的网络，并就近为端用户提供服务、内容。

数以百万计连接6
  • 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，连接其数据中心于Internet，通常绕过一级ISP和区域ISPs

5.电路交换

数据交换—电路交换

重点介绍电路交换

互联的路由器网络

Q:如何实现数据通过网络核心从源主机到达目的主机？

A:数据交换

为什么需要数据交换？

  • N²链路问题
N²链路问题
  • 连通性
连通性
  • 网络规模
网络规模

交换？

  • 动态转接
动态转接
  • 动态分配传输资源
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

电路交换的特点

  • 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
电视网络

电路交换网络的链路共享？

多路复用
  • 电路交换网络如何共享中继线？——–多路复用(Multiplexing)*

6.多路复用

什么是多路复用

  • 多路复用(multiplexing)，简称复用，是通信技术中的基本概念
多路复用1

  • 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

频分多路复用
  • 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
频分多路复用1

博客内容遵循 4.0 国际 (CC BY-NC-SA 4.0) 协议

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更新于：2021年8月25日

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