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前言

此笔记为学习教材《计算机网络》(第7版)-谢希仁以及中国大学MOOC 哈尔滨工业大学 李全龙老师的视频所记录的一些知识点

1.1 计算机网络基本概念

什么是计算机网络？

计算机网络=通信技术+计算机技术

• 通信系统模型：

graph LR

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

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。

（互连：无主从关系 互联：通过通信链路完成互联互通）

主机距离远、数量大需要通过交换网络互连主机

交换网络中的交换节点：路由器或交换机

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• Internet组成细节角度

  全球最大的互联网络 IPS网络互连的“网络之网络”

  计算设备集合：主机(hosts)=端系统(end systems)

  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

• 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...

  为网络应用提供编程接口（API）：支持应用程序“连接”Internet,发送/接收数据；提供数据传输服务...

然鹅，仅有硬件（主机、通信链路、路由器...）连接，Internet是无法顺畅运行的（无法保证应用数据有序交付），因此协议

什么是网络协议？

网络协议主要是为了让网络资源物尽其用。

• 协议是计算机网络有序运行的重要保证

  • 硬件

  • 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则

网络协议(network protocol)，简称协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准。

协议规定了通信实体之间所交换消息的格式、意义、排序以及针对收到信息或发生事件所采取的“动作”。

• 协议的三要素

  • 语法(Syntax)

    数据与控制信息的结构或格式

    信号电平(底层信息)

  • 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的发送和接收过程

    eg: 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(权威)
    • IETF:互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force)

1.2 计算机网络结构

计算机网络结构

网络边缘

• 主机

  • 位于“网络边缘”
  • 运行网络应用程序，例如：web，email

• 网络应用

  • 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：Skype,QQ

接入网络（物理介质）

• 有线或无线通信链路

接入网络主要为将网络边缘接入核心网络

接入网络分为：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) ；独占/共享？

举个栗子：

• 栗子一，接入网络：数字用户线路（DSL）

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1. 家庭用户利用**已有的**电话线连接中心局的DSLAM（数据通过DSL电话线接入Internet,语音/电话通过DSL电话线接入电话网）
2. <2.5Mbps上行传输速率(典型速率<1Mbps)   ~上传速度
3. <24Mbps 下行传输速率(典型速率<1Mbps)   ~下载速度
4. FDM(利用不同的频带传输)：50 kHz- 1MHz用于下行；4 kHz- 50kHz用于上行；0 kHz- 4kHz用于传统通话；

• 栗子二，接入网络：电缆网络

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  FDM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DSL的独占至中心局的接入）

• 栗子三，接入网络：典型家庭网络的接入

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• 栗子四，接入网络：机构(企业)接入网络

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  主要用于公司、高校等组织机构 (个人或家庭也可以用)

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(switch)

• 栗子五，交换网络：无线接入网络

  通过共享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）"】

  例如，无线局域网(LANs)

  • 同一建筑物内(30m)
  • 802.11b/g(WiFi):11Mbps\54Mbps传输速率

  例如，广域无线接入

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

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

网络核心的关键功能是：路由+转发

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网络核心解决的基本问题是：用数据交换的方法实现数据源主机通过网络核心送达目的主机

Internet结构

端系统通过接入ISP（access ISPs）连接到Internet，例如家庭、公司和大学ISPs

接入ISP必须进一步互联（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

1.3 网络核心

电路交换

考虑：链路问题，连通性，网络规模

交换的含义：1.动态转接；2.动态分配传输资源；

数据交换的类型：

1. 电路交换
2. 报文交换
3. 分组交换

• 电路交换的特点

  • 最典型的交换网络：电话网络

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• 电路交换的三个阶段:

  1. 建立连接（呼叫/电路建立）
  2. 通信
  3. 释放连接（拆除电路）

• 独占资源（释放连接之后电路资源才可被第三方占有）

  【然而电路交换网络中，每条电路不是独占其经过的物理链路的，至于电路交换网络如何实现链路共享，这又扯到多路复用】

多路复用

多路复用(multiplexing)，简称复用，是通信技术中的基本概念。

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• 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”（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 divsion multiplexing，FDM）
  • 时分多路复用（time divsion multiplexing，TDM）
  • 时分多路复用（Wavelength divsion multiplexing，WDM）
  • 码分多路复用（Code divsion multiplexing，CDM）

• 频分多路复用（FMD）

  • 频分多路复用的个用户占用不同的带宽资源（这的“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

• 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十分复用帧（TDM帧），每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙。

  • 每个用户所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）

  WDM的实质是FDM

• 码分多路复用（CDM）

  详细码分多址（CDMA）

  • 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 m bit码片序列（chipping sequence），其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示，例如：

    S站的码片序列：（-1 -1 - 1 +1 +1 -1 +1 +1）

  • 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)

    如发送比特 1 （+1），则发送自己的m bit 码片序列

    如发送比特 0 （-1），则发送自己的m bit 码片序列的反码

  • 各用户序列相互正交（orthogonal）

    

    此用于判断是否为用户自己的码片序列，令为原始数据序列，各用户的叠加向量为：

  

​

• 解码：码片序列与编码信号的内积

  

例题：站点A、B、C通过CDMA共享链路，A、B、C的码片序列（chipping sequence）分别是（1,1,1,1）、（1，-1,1，-1）和（1，1,-1，-1），若C从链路上收到的序列是（2,0,2,0,0，-2,0，-2,0,2,0,2），则C收到A发送的数据是 （）

A.000

B.101

C.110

D.111

正确答案是 B

C接收到的是A，B发送过来的叠加码片，C想要看A发送的数据，就将接收到的叠加码片与A的码片序列进行规格化内积操作：（2，0，2，0；0，-2，0，-2；0，2，0，2）每四位与（1，1，1，1）进行规格化内积，（2 * 1+0 * 1+2 * 1+0 * 1)/4=1;（0 * 1+2 * 1+0 * 1+2 * 1)/4=-1，-1即0;（0 * 1+2 * 1+0 * 1+2 * 1)/4=1;可以得到结果101

报文交换与分组交换

• 报文交换（message switching）

  报文：源（应用）发送信息整体，比如一个文件

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• 分组交换（package switching）

  分组：报文拆出来的一系列相对较小的数据包 （由头+数据包构成）

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  分组交换需要报文的拆分与重组

  产生额外开销

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A&B分组序列不确定（不是事先分配好的），按需共享链路（A与B总共带宽是1.5Mb/s）

【PS: “Mbps”，其全称为Million bits per second，意为每秒传输百万位（比特） ， Mbps=Mb/s ；MB表示Million Bytes（百万字节） 。】

• 存储转发 （store-and-forward）

  • 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”

哪种交换好呢？