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第一章-概论

什么是计算机网络

什么是计算机网络

计算机网络 = 通信技术 + 计算机系统

• 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：

信源->发送设备->信道->接收设备->信宿 　　　　　　　　　↑ 　　　　　　　　噪声源

• 计算机网络就是一种通信网络

• 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

  • 通信链路

• 距离远、数量大时候怎么保证互连？

• 通过交换网络互连主机

什么是Internet？-组成细节角度

• 全球最大的互联网络
  • ISP网络互连的“网络之网络”
• 数以百万计的互连的计算设备集合：
  • 主机 = 端系统
  • 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）
  • 路由器和交换机

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

什么是网络协议

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
• 如同交通系统

任何通信或信息交换过程都需要规则

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规则-协议

• 网络协议，简称协议，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采取的“动作”

协议三要素

• 语法
  • 数据与控制信息的结构或格式
  • 信号电平
• 语义
  • 需要发出何种控制信息
  • 完成何种动作及作出何种响应
  • 差错控制
• 时序
  • 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
  • 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
  • IETF

计算机网络结构

• 网络边缘：
  • 主机
  • 网络应用
• 接入网络，物理介质：
  • 有线或无线通信链路 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

网络边缘

• 主机（端系统）：
  • 位于“网络边缘”
  • 运行网络应用程序
    • 如：web，email
• 客户、服务器应用模型：
  • 客户端发送请求，接收服务器响应
  • 如：web应用，文件传输FTP应用
• 对等（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：BT，Skype，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（bps）
• 独占 or 共享

接入网络：数字用户线路（DSL）

• 利用不同载频传输声音、数据

• DSL接入多路复用器

• 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

• < 2.5Mbps上行传输速率

• < 24Mbps下行传输速率

• FDM：

  • 50kHz - 1MHz 用于下行

  • 4kHz - 50kHz用于上行
  • 0kHz - 4kHz用于传统电话

接入网络：电缆网络

• 频分多路复用：在不同频带（载波）上传输不同频道
• HFC：混合光纤同轴电缆
  • 非对称：下行高达30Mbps传输速率，上行2Mbps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

机构（企业）接入网络（Ethernet）

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

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

  • 通过基站或称为“接入点”

• 无线局域网

  • 同一建筑物内
  • 802.11b/g（WiFi）：11Mbps、54Mbps传输速率

• 广域无线接入

  • 通过电信运营商（蜂窝网），接入范围在几十公里
  • 带宽：1Mbps、10Mbps、100Mbps
  • 3G、4G、LTE
  • 移动互联网

网络核心

• 互联的路由器网络

• 网络核心的关键功能：路由+转发

• 路由：确定分组从源到目的传输路径

• 转发：将分组从；路由器的输入端口交换至正确的输出端口

• 网络核心解决的基本问题：

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

Internet结构

Internet结构：网络之网络

• 端系统通过接入ISP连接到Internet
  • 家庭、公司和大学ISP
• 接入ISP必须进一步互连
  • 这样任意两个主机才可以相互发送分组
• 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

Q：数以百万计的接入ISP直接彼此互连？

• 直接互连不适用于大规模网络
• 可能出现区域网络连接接入ISP和运营商
• 内容提供商网络可能运行其自己的网络，并就近为端用户提供服务
• 在网络中心：少数互连的大型网络
  • “一级商业ISP”，提供国家或国际范围的覆盖
  • 内容提供商网络，私有网络，连接其数据中心与Internet，通常绕过一级ISP和区域ISPs。

数据交换-电路交换

为什么需要数据交换

• N^2链路问题
• 连通性
• 网络功能

什么是交换

• 动态转接
• 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）
• 资源独占

电路交换网络的链路共享

电路交换网络如何共享中继线？

• 多路复用技术

多路复用

什么是多路复用

• 多路复用，简称复用，是通信技术中的基本概念
• 多路复用：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”
• 每路呼叫独占分配到的资源片进行通信
• 资源片可能“闲置”（无共享）

典型多路复用方法：

• 频分多路复用（FDM）
• 时分多路复用（TDM）
• 波分多路复用（WDM）
• 码分多路复用（CDM）

频分多路复用FDM

• 有线电视网络
• 频分多路复用的各用户占用不同的带宽资源（Hz）
• 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

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），每个用户每个TDM帧中占用固定序号的时隙
• 每用户嗦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

波分多路复用WDM

• 波分复用就是光的频分复用

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）
• 每个用户分配一个唯一的m bit码片序列，其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示。
• 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）
  • 发送比特1（+1），则发送自己的m bit码片序列
  • 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
• 令{di}为原始数据序列，各用户的叠加向量为：
  • P=Σdi*Si
• 解码：码片序列与编码信号的内积

数据交换——报文、分组交换

报文交换

• 报文：源（应用）发送信息整体
  • 比如：一个文件

分组交换

• 分组：报文拆分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

分组交换：统计多路复用

分组序列不确定，按序共享链路

存储-转发

• 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”

分组交换：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
• 在传输速率为R的链路上传输分组
• 分组传输延迟= L/R

报文交换 vs 分组交换

• 报文交换：
  • 报文长度M bits
  • 链路带宽为R bits
  • 每次传输报文需要M/R 秒
• 分组交换：
  • 报文被拆分为多个分组
  • 分组长度为L bits
  • 每个分组传输时延为L/R 秒

分组交换的报文交付时间

• 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

分组交换 vs 电路交换

• 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：分组延迟和丢失
  • 需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制
• Q：如何提供电路级性能保障？
  • 例如，音视频应用所需的带宽保障

计算机网络性能

速率

• 速率即数据率或称数据传输速率或比特率
  • 单位时间传输信息量
  • 计算机网络中最重要的一个性能指标
  • 单位：bps、kbps、Mbps、Gbps
  • k = 10^3、 M = 10^6、 G = 10^9
• 速率往往是指额定速率或标称速率

带宽

• “带宽”原本指信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率只差，单位是赫兹（Hz）
• 网络的“带宽”通常是数字信道所能传送的”最高数据率，单位：bps

延迟或时延

Q：分组交换为什么会发生丢包和时延

A：分组在路由器缓存中排队

• 分组到达速率超出输出链路容量时
• 分组排队，等待输出链路可用

四种分组延迟

• 节点处理延迟

  • 差错检测
  • 确定输出链路
  • 通常<msec

• 排队延迟

  • 等待输出链路可用
  • 取决于路由器拥塞程度

• 传输延迟

  • L：分组长度
  • R：链路带宽
  • d = L/R

• 传播延迟

  • d：物理链路长度
  • s：信号传播速度（~2*10^8m/sec）
  • d = d/s

排队延迟

• R：链路带宽
• L：分组长度
• a：平均分组到达速率
• 流量强度 = La/R
• La/R ~ 0：平均排队延迟很小
• La/R -> 1：平均排队延迟很大
• La/R > 1：超出服务能力，平均排队延迟无限大

时延带宽积

• 时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

分组丢失（丢包）

• 队列缓存容量有限

• 分组到达已满队列将被丢弃（即丢包）

• 丢弃分组可能由前序结点或源重发（也可能不重发）

• 丢包率 = 丢包数/已发分组总数

吞吐量/率

• 吞吐量：表示在发送端与接收端之间传输数据速率（b/s)
  • 即时吞吐量：给定时刻的速率
  • 平均吞吐量：一段时间的平均速率
• 瓶颈链路：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

为什么需要计算机网络体系结构？

• 计算机网络是一个非常复杂的系统，涉及许多组成部分：
  • 主机
  • 路由器
  • 应用
  • 协议
  • 硬件、软件

复杂系统的分层结构

• 每层完成一种（类）特定服务/功能
  • 每层依赖底层提供的服务，通过层内动作完成相应功能

计算机网络的体系结构

• 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
• 计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构
• 每层遵循某个/些网络协议完成本层功能
• 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
• 体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义
• 体系结构是抽象的

为什么采用分层结构

• 结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系
  • 分层的参考模型
• 模块化的分层易于系统更新、维护
  • 任何一层服务实现的改变对于系统其他层都是透明的
• 有利于标准化

分层网络体系结构基本概念

• 实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
• 协议是控制两个对等实体进行通信的规则集合，协议是“水平的”
• 任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，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
• 同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点SAP，交换原语，指定请求的特定服务

OSI参考模型

OSI参考模型

• 开放系统互联（OSI）参考模型是由国际化标准组织于1984年提出的分层网络体系结构模型
• 目的是支持异构网络系统的互联互通
• 异构网络系统互联的国际标准
• 理解网络通信的最佳学习工具（理论模型）
  • 理论成功，市场失败
• 7层（功能），每层完成特定的网络功能
  • 应用层
  • 表示层
  • 会话层
  • 传输层
  • 网络层
  • 数据链路层
  • 物理层

OSI参考模型数据封装与通信过程

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：标识发送端/接收端
  • 差错检测编码：用于差错检测或纠正
  • 协议控制：实现协议功能的附加信息，如：优先级、服务质量和安全控制等

物理层功能

• 接口特性
  • 机械特性、电器特性、功能特性、规程特性
• 比特编码
• 数据率
• 比特同步
  • 时钟同步
• 传输模式
  • 单工
  • 半双工
  • 全双工

数据链路层功能

• 负责结点-结点数据传输
• 组帧
• 物理寻址
  • 在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端
• 流量控制
  • 避免淹没接收端
• 差错控制
  • 检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧
• 访问（接入）控制
  • 在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权

网络层功能

• 负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付
  • 可能穿越多个网络
• 逻辑寻址
  • 全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如：IP地址
• 路由
  • 路由器（或网关）互连网络，并路由分组至最终目的主机
  • 路径选择
• 分组转发

传输层功能

• 负责源-目的（端-端）（进程间）完整报文传输
• 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
• 流量控制
• 差错控制

会话层

• 对话控制
  • 建立、维护
• 同步
  • 在数据流中插入“同步点”
• 最“薄”的一层

表示层功能

• 处理两个系统间交换信息的语法与语义问题
• 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

应用层功能

• 支持用户通过用户代理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）

TCP/IP参考模型

• 应用层
• 运输层
• 网际层
• 网络接口层

5层参考模型

• 综合OSI和TCP/IP的优点
• 应用层：支持各种网络应用
  • FTP，SMTP，HTTP
• 传输层：进程-进程的数据传输
  • TCP、UDP
• 网络层：源主机到目的主机的数据分组路由转发
  • IP协议、路由协议
• 链路层：相邻网络元素（主机、交换机、路由器等）的数据传输
  • 以太网、802.11（WiFi）、PPP
• 物理层：比特传输

计算机网络与Internet发展史

计算机网络与Internet发展史

• 1961：Kleinrock - 排队论证实分组交换的有效性
• 1964：Baran - 分组交换应用于军事网络
• 1967：ARPA提出ARPAnet构想
• 1969：第一个ARPAnet节点运行
• 1972：
  • ARPAnet公开演示
  • 第一个主机-主机协议NCP
  • 第一个e-mail程序
  • ARPAnet拥有15个节点
• 1972-1980：网络互连，大量新型、私有网络的涌现
• 1970：在夏威夷构建了ALOHAnet卫星网络
• 1974：Cerf与Kahn-提出网络互联体系结构
  • 极简、自治 - 无需改变内部网络实现网络互连
  • 尽力服务模型
  • 无状态路由器
  • 分散控制
• 1976：Xerox设计了以太网
• 70's后期：
  • 私有网络体系结构：DECnet，SNA，XNA
  • 固定长度分组交换（ATM先驱）
• 1975：ARPAnet移交给美国国防部通信局管理
• 1979：ARPAnet发展到200个节点
• 1980-1990：新型网络协议与网络激增
• 1983：部署TCP/IP
• 1982:定义了smtp电子邮件协议
• 1983：定义了DNS
• 1985：定义了FTP协议
• 1988：TCP拥塞控制
• 新型国家级网络：
  • CSnet，BITnet，NSFnet，Minitel
• 1986：NSFnet初步形成了一个由骨干网、区域网和校园网组成的三级网络
• 1990,2000's：商业化，web，新应用
• 1990's早期：ARPAnet退役
• 1991：NSF解除NSFnet的商业应用限制（1995年退役），由私营企业经营
• 1992：因特网协会ISOC成立
• 1990s后期：web应用
  • 超文本
  • HTML，HTTP：Berners-Lee
  • 1994：Mosaic、Netscape浏览器
  • 1990's：web开始商业应用
• 1990's后期-2000's：
  • 更多极受欢迎的网络应用：即时消息系统，P2P文件共享
  • 网络安全引起重视
  • 网络主机约达50000，网络用户达1亿以上
  • 网络主干链路带宽达到Gbps
• 2005-now：
• ~7.5亿主机
  • 智能手机和平板电脑
• 宽带接入的快速部署
• 无处不在的高速无线接入快速增长
• 出现在线社交网络：
  • Facebook：很快拥有10亿用户
• 服务提供商创建自己的专用网络
  • 绕开Internet，提供“即时”接入搜索、email等服务
• 电子商务、大学、企业等开始在“云”中运行自己的服务