导图社区 计算机网络_概述
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计算机网络概述
计算机网络概述（下）
计算机网络性能
速率（比特率）
单位时间（秒）传输信息（比特）量
注意
单位(描述传输速率)
k=10^3;M=10^6;G=10^9
速率一般指：额定速率或标称速率（理想）
带宽
每秒最多能通过多少车（额定速率） 单一某段链路的数据传输速率
含义
数字信道所传送的“最高数据率”单位 bps（bit/s或b/s）（网络）
信号所具有的频带宽度（MaxHz-MinHz）
吞吐量
吞吐量：不能超过最大速率 （带宽） 描述某一时刻或某一时段传输数据的速率（实际速率）（b/s）
定义
表示在发送端与接收端之间传送数据速率 （bps）
强调：接收端和发送端
瓶颈链路
端到端路径上，限制端到端吞吐量的链路
Min{各链路的带宽}
分类
即时吞吐量
平均吞吐量
delay或latency
Q：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
可用缓存：缓存满，到达分组被丢弃-丢包（Loss）
四种分组延迟

1. 结点处理延迟（讨论数据传输一般忽略不计）
差错检测
确定输出链路
通常<msec
2. 排队延迟
等待输出链路可用
取决于路由器(网络)拥塞程度
定性分析
流量强度（无量纲）
 La/R~0：表示结点的输出链路很畅通（可以理解为单位时间到达车的数量远远小于单位时间内收费站可以处理的数量） La/R->1：表示结点的输出链路不太畅通（可以理解为收费站的处理速率与车的到达速率不相上下，所以车辆到达的时候还是需要排队） La/R~0：表示结点的输出链路非常不畅通（可以理解为单位时间到达车的数量远远大于单位时间内收费站可以处理的数量）
3. 传输延迟
L(分组长度bits)/R(链路带宽bps)
4. 传播延迟
d(物理链路长度)/s(信号传播速度)
s≈2*10^8m/s（0,7*光速）——电信号传播速度（铜缆）
完全不同
传输延迟：发送一个分组所需要时间。 即分组进入链路的时间（车队经过收费站的时间） 传播延迟：信号（分组）从上一结点经过该物理链路到达下一结点（或目的地）的时间（车队在高速路上的时间）
时延带宽积
传播时延 x 带宽 (bits)
以比特为单位的链路长度
丢包
丢包原因
1. 队列缓存容量有限
2. 分组到达已满队列将被丢弃
3. 丢弃分组可能由前序结点或源重发（也可能不重发(Internet)）
丢包率 = 丢包数 / 已发分组总数
计算机网络体系结构
原因
计算机网络是一个非常复杂的系统，涉及许多组成部分
分层结构
每层完成一种（类）特点服务/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
计算机网络的各层及其协议的集合
优点
易于系统更新，维护
有利于标准化
缺点
分层太多效率太低
基本概念
实体
任何可发送或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（水平的）
层与层的关系
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”。
相邻层
下层协议的实现对上层的服务用户是透明的
透明：下一层服务的具体实现原理对上层不可见（即下层服务的实现的改变不影响上层的功能（只要下层提供的服务没有改变））
相邻层实体之间通过接口进行交互
相同层
通过协议进行通信
从功能上描述计算机网络结构（非物理构成）
OSI（开放系统互联）与Internet参考模型
目的
支持异构网络系统的互联互通
数据封装
增加控制信息->构造协议数据单元PDU
控制信息
地址
标识发送端/接收端
差错检测编码
不一定所有的协议都要加
用于差错检测或纠正
协议控制
实现协议功能的附加信息
OSI参考模型
物理层
完成具体的比特传输
比特编码
比特同步
数据率的控制
功能
规范接口特性
机械特性、电气特性、功能特性、规程特性
传输模型
单工
半双工
全双工
数据链路层
负责结点—结点数据传输
组帧
将一个个数据报组帧：使接收端能够正确切分出数据
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
控制
流量控制
差错控制
访问（接入）控制
对于共享的链路，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
负责源主机到目的主机数据分组交付（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
传输层
负责源—目的（端端）（进程间）完整报文传输
分段与重组
将来自会话层的数据分段，再去往网络层
SPA寻址
确保将完整报文提交给正确进程，如端口号
连接控制（逻辑连接）
会话层（最“薄”的一层）
对话控制
建立、维护、拆除
同步
异常中断时可恢复到最近的同步点
在数据流中插入同步点
表示层
处理两个系统间交换信息的语法与语义的问题
不同操作系统对数据的处理可能不一样，所以需要转化，再解码
数据表示转化
转换为主机独立的编码
与具体操作系统无关
加密/解密
压缩/解压缩
应用层
支持用户通过用户代理（浏览器）或网络接口使用网络（服务）
网络应用通过应用层的协议处理用户的数据构成应用层的协议数据单元
端—端层
对等层的数据处理不需经过中间系统
TCP/IP模型
5层参考模型
层次
支持各种网络应用
进程-进程的数据传输
源主机到目的主机的数据分组路由与转发
相邻网络元素（主机、路由器、交换机等）的数据传输
比特传输
 应用层：报文 传输层：段 网络层：数据报 链路层：帧 物理层：比特流
交换机与路由器的区别
计算机网络概述（上）
什么是计算机网络
引言
通信技术+计算机技术
一种特殊的通信网络
信源、信宿均为计算机 
互连的、自治的计算机集合
无主从关系
某一台计算机不能控制另一台计算机
互联互通（通信链路）
思考问题
1. 距离远，数量多如何互联主机
交换网络（交换节点（路由器或交换机））
2. 什么是internet
全球最大的互联网络
ISP网络互联的“网络（ISP网络）之网络（ISP互联形成）”
组成细节角度
组成
数以百万计的互联的计算设备（主机=端系统）集合
连接方式
通信链路
分组交换
服务角度角度
为网络应用提供通信服务的通信基础设施
Internet作为一个通信基础设施，允许我们在端系统上运行各种分布式网络应用
提供应用编程接口（API）
应用程序“连接”Internet，发送/接收数据
什么是网络协议
网络中的数据交换必须遵守的规则
保证计算机网络有序运行
交通规则保证交通系统有序运行
规范了网络中所有信息发送和接收过程
任何通信或信息交换过程都需要规则
人交谈
网络通信
内容
规定了交换信息（通信实体之间）
格式
意义
顺序
动作
三要素
语法（格式）
数据与控制信息的结构或格式
语义（内容）
需要发出何种控制信息
完成何种动作以及作出何种相应
时序
事件顺序
速度匹配
写信
计算机网络的结构
网络边缘
主机（端系统）
客户
服务器
网络边缘的主机上应用如何通信
客户/服务器应用模型
所有的通信均在客户与服务器之间进行 客户与客户之间不会进行任何通信
发送请求（主机），接受相应（服务器）
P2P应用模型
无专用服务器
通信在对等实体之间直接进行
接入网络/网络介质
如何将网络边缘接入核心网（边缘路由器）
实现网络互连的传输媒介
接入网络
代表性
DSL（数字用户线路）
电缆网络（有线电视网络）
HFC（混合光纤同轴电缆）
各家庭设备——电缆头端（同轴电缆）
电缆头端——ISP路由器（光纤）
概要
多路复用
多路信号共同使用同一物理介质
FDM（频分多路复用）
不同频带传输不同数据
HFC 各家庭至电缆头端共享式接入（接入带宽高，但平均带宽低） DSL 独占至中心局的接入
典型家庭网络的接入
机构（企业）接入网络
无线接入网络
网络核心(数据交换)
互联的路由器(或分组转发设备)
网络之网络（ISP互联）
关键功能
路由（routing）
确定分组从源到目的传输路径（路由算法）
转发（forwarding）
将分组由路由器的输入端口交换至正确的输出端口（根据本地转发表转发）
分组
数据+首段字节所形成的信息包
分组大小=分组头+数据
路由器如何知道将分组从哪个输出链路发出
本地转发表
本地转发表如何得到
路由算法计算得到（路由的功能）
解决的根本问题（数据交换）
主机-网络核心-主机
网络核心
数据交换
减少网络规模（N²链路问题-两两互相连接）
保证连通性
数据交换的类型
电路交换
典型的电路交换网络
电话网络
三个阶段
1. 建立连接（呼叫/电路建立）
2. 通信
3. 释放连接（拆除电路）
电路交换网络如何共享中继线？
链路/网络资源划分为“资源片”
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）
该路通信就算不使用资源片通信，其他呼叫也不能使用该资源片
FDM
WDM
光的频率通常用光的波长描述 不同波长的波复用，传输，分离
光的频分复用
TDM
CDM
每个用户分配一个唯一的m bit 码片序列
为了保证彼此共享信道，但互不干扰——各用户码片序列正交  不同用户码片序列（原码OR反码）内积点乘为0
传输形式
各用户使用相同频率载波，利用各自码片序列编码数据
传输过程
编码信号=（原始数据）·（码片序列）
-1的妙用 
复用
、 叠加向量——各个用户发送的信息在信道相互叠加产生的结果
解码
 Q：接受方如何接收特定发送方所发送的信息？ A：用该发送方的码片序列与叠加向量进行内积运算（点乘），提取该发送方所发送的信息（无论是多少个用户进行叠加过的数据，按照该方法就可以提取特定发送方发送的数据）
具体传输过程
可使用相同频率载波
独占资源
理解：两个人通话，不说话，没有语音数据传输，但是占用的电路资源不能被第三方使用（类似于固话通信的忙线（该子频道被占用了，其他用户（另一电路）不能使用该资源））
通信的两个实体所占用的资源（如信道资源）不能被第三方所共享
报文交换
源（应用）发送信息整体
形式
报文（信息整体）分拆出来的一系列相对较小的数据包
 头：控制信息（寄信时的信封）
特点
不同用户按需共享链路（统计多路复用）
哪个用户发送的信息多，平均占用链路的资源（如带宽）也多
传输速率
T=M/R*h
各转发节点所需的缓存大
各节点串行转发数据
 跳步数：一节点到相邻一节点为一个跳步 推导过程： 第一个分组到达目的主机时间：L/R*h 剩下的（M/L-1）个分组到达目的主机（只差一个跳步）的时间：（M/L-1）*L/R(并行传输) 总时间T=L/R*h+（M/L-1）*L/R=M/R+(h-1)*L/R（可理解为各个路由器之间同时传送文件，则总时间=整个文件在某一段链路的传输时间+最后一个分组经过n个路由的转发时间）
各转发节点所需的缓存小
各节点并行转发数据
存储-转发交换方式
报文交换：完整报文 分组交换：较小的分组
1. 链路传输速率
经过某一链路传输单位bit数据所需要的时间
2. 分组传输时延
 每个整体（或每个分组）全部比特（全部数据）从一个节点到另一个节点所需要的时间
3. 报文交付时间
完整报文from源to目的所需要的总时间=各个分组传输时延叠加之和
4. 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（间隔地使用网络进行传输信息，非持续使用）传输网络
电路交换更适合实时数据流传输（电话网络）
什么是交换
交换设备
动态转接
模型
独占资源非独占整个物理链路，而是只独占某物理链路的部分资源（如频带、间隙等）
 一条电路并非独占一条物理链路：一条物理链路可能通过多路复用技术将各条电路资源复用进行传输，然后通过分用器再分用给各目的对象
交换网络层面
动态分配传输资源
