计算机网络概述

什么是计算机网络

计算机网络是通信技术计算机技术紧密结合的产物

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

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(Internet Service Provider)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(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

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(client/server)应用模式

  • 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)应用模式

  • 无(或不仅依赖)专用服务器
  • 通信在对等实体之间之间进行
  • 如:BT, Skype, QQ

接入网络

如何将网络边缘接入核心网络

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

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(routing):

  • 确定分组从源到目的传输路径
  • 路由算法

转发(forwarding)

  • 将分组从路由器的输入端口交换到正确的输出端口

Q: 网络核心解决的基本问题:

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

数据交换

数据交换的类型

  • 电路交换
  • 报文交换
  • 分组交换

电路交换

典型的电路交换网络: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

多路复用(multiplexing),简称复用,是通信技术中的基本概念

  • 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”(无共享)

典型的多路复用方法:

  • 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)

报文交换

报文:源(应用)发送信息整体,如一个文件

分组交换

分组:报文分拆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

会产生额外开销

存储-转发(store-and-forward)

报文交换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”

分组交换绝对优于电路交换?

  • 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

计算机网络性能

速率

速率数据率(data rate)或称数据传输速度比特率(bit rate)

  • 单位时间(s)传输信息量(bit)

  • 计算机网络中最重要的一个性能指标

  • 单位:b/s (bps)、kb/s、Mb/s 、Gb/s

  • k=103,M=106,G=109

速率通常指额定速率或标称速率

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带宽

带宽(bandwidth)原本是指信号具有的频带宽度,即最高频率和最低频率之差,单位是赫兹(Hz)

网络的带宽,通常是数字信道所能传达的“最高数据率”,单位:b/s(bps)

网络设备所支持的最高速度

常用的带宽单位:

  • kb/s ,Mb/s,Gb/s,Tb/s

吞吐量/率

吞吐量:表示在发送端与接收端之间传送数据速率(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

时延

数据(报文/分组/比特流)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位是s。

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  • 发送时延:从发送分组的第一个比特算起,到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延 = 数据长度/信道带宽(发送速率)
  • 传播时延:取决于电磁波传播速度和链路长度。 传播时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率
  • 等待输出/入链路可用
  • 检错找出口

时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 × 带宽

链路的时延带宽积也称为以比特为单位的链路长度

往返时延RTT

从发送方发送数据开始,到发送方收到接收方的确认(接收方收到数据后立即发送确认)总共经历的时延。

RTT越大,在收到确认之前,可用发送的数据就越多

RTT包括:

  • 往返传播时延 = 传播时延*2
  • 末端处理时间

利用率

利用率

  • 信道利用率 有数据通过时间/(有+无)数据通过时间
  • 网络利用率信道利用率加权平均值

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丢包率

  • 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

计算机网络体系结构

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

分层网络体系结构的基本概念

  • 实体(entity) 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的集合,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(Service Access Point),交换原语,指定请求的特定服务

OSI参考模型

**开发系统互连(OSI)**参考模型是由国际化标准组织(ISO)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

异构网络系统互连的国际标准

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

OSI模型图

OSI参考模型解释的通信过程

OSI模型通信过程

OSI参考模型数据封装与通信过程

osi数据封装通信过程

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(Address):标识发送端/接收端
    • 差错检测编码(Error-detecting code):用于差错检测或纠正
    • 协议控制(Protocol control):实现协议功能的附加信息,如优先级(priority),服务质量(Qos),和安全控制等

物理层功能

接口特性

  • 机械特性,电气特性,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(Simplex)
  • 半双工(half-duplex)
  • 全双工(full-duplex)

数据链路层功能

负责结点-结点(node-to-node)数据传输

组帧(Framing)

物理寻址(Physical addressing)

  • 在帧头中增加发送端或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和接收端

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,并避免重复帧

访问(接入)控制(Access control)

  • 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(Logical addressing)

  • 全局唯一逻辑地址,确保数据分组被送到目的主机,如IP地址

路由(Routing)

  • 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

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

会话层功能

对话控制(dialog controlling)

  • 建立,维护

同步(synchroization)

  • 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(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

应用层功能

支持用户通过用户代理(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
  • 电子邮件
  • Web
  • …….

TCP/IP参考模型

everything over ip

ip over everything

五层参考模型

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和转发
    • IP协议,路由协议等
  • 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(Ethernet),802.11(WIFI),PPP
  • 物理层:比特传输