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计算机网络和因特网

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By lreverse
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计算机网络和因特网

1.1 计算机网络

  • 互连的、自治的（无主从关系）计算机集合
  • ISP：因特网服务提供商
  • RFC（请求评论）：IETF的标准文档
  • Internet
    • ISP网络互联的“网络之网络”（这个概念比较难以理解，要多翻阅大黑书，阅读里面的解释）
    • 数以百万计互连的计算设备的集合：主机（端系统）
    • 通信链路：光纤、铜缆、无线电、卫星……
    • 分组交换机：路由器和链路层交换机
    • 通信基础设施
    • 应用编程接口API
    • 协议
      • 三要素：语法、语义、时序
  • Internet结构
    • 网络之网络

1.2 计算机网络结构

graph LR
计算机网络 --> 网络边缘
计算机网络 --> 接入网络
计算机网络 --> 网络核心

1.3 网络边缘

  • 主机（端系统）
    • 客户/服务器应用模型（client/server）
    • 对等应用模型（P2P）
      • 无专用服务器、通信在对等实体之间直接进行（如QQ）

1.4 接入网络

  • 将端系统物理连接到其边缘路由器的网络
    1. 家庭接入
    • 数字用户线（DSL）
      • 用已有的电话线连接本地中心局的DSLAM
      • 双绞铜线
      • 注：上行速率指发送数据的速率；下行速率指接收数据的速率；一般下行要大于上行
    • 电缆网络
      • HFC：混合光纤同轴电缆
      • 各家庭共享家庭至电缆头端(CMTS)的接入网络
    • 光纤到户（FTTH）
      • 更高速率
    • 卫星链路
    • 拨号接入
      1. 企业（和家庭）接入（局域网LAN）
    • 以太网
      • 双绞铜线
    • 无线局域网（WLAN）
      • WiFi
        1. 广域无线接入（广域网WAN）
    • 通过蜂窝网接入（电信运营商），范围几十公里的基站
    • 3G、4G、LTE

1.5 网络核心

  • 关键功能：路由+转发
    • 路由：确定分组从源到目的地的传输路径
    • 转发：将分组从路由器的输入端口交换至正确的输出端口
  • 数据交换
    • 电路交换
      • 典型案例：电话网络
      • 三个阶段：建立连接、通信、释放连接
      • 独占资源
      • 如何共享中继线？—多路复用(Muktiplexing)
        • 频分多路复用（FDM）
          • 每个用户占用不同的频率带宽（Hz）
        • 时分多路复用（TDM）
          • 每个用户占用TDM帧中的某个时隙
        • 波分多路复用（WDM）
          • 实际上是光的频分复用
        • 码分多路复用（CDM）
          • 广泛用于无线链路共享
          • 每个用户分配一个唯一的m bits码片序列（其中“-1”表示“0”；“+1”表示“1”），使用相同频率载波，各用户码片序列相互正交
          • 编码信号 = 原始数据 x 码片序列   $P=\sum_{i=1}^N {d_i S_i}$
          • 解码：$\frac 1m S_i P$
    • 报文交换
      • 将整个报文一次性传输到路由器上
    • 分组交换（统计多路复用）—按需共享链路
      • 将报文分拆成一系列相对较小的数据包
      • 与报文交换一样，均采用存储-转发的交换方式
      • :star:报文交付时间（报文Mbits；链路带宽Rbps；分组长度Lbits；跳步数h；路由器数n）
        • $T=\frac MR+(h-1)\frac LR$
        • $T=\frac MR+n\frac LR$

1.6 计算机网络性能

  • 带宽：数字信道所能传送的“最高数据率”（bps）

  • 分组时延 $d_{nodal} = d_{proc} + d_{queue} + d_{trans} + d_{prop}$

    • 节点处理时延（$d_{proc}$）
      • 确定链路、差错检测
    • 排队时延（$d_{queue}$）
      • 等待输出链路可用
      • 取决于路由器的拥塞程度
    • 传输时延（$d_{trans}$）
      • 分组的比特推向链路所需的时间
      • d~trans~ = L/R
    • 传播时延（$d_{prop}$）
      • 从该链路的起点到达终点（下一个路由器）所需的时间
      • 取决于物理媒体和链路长度

注：注意区分传输时延和传播时延

  • 流量强度 = La/R L：分组长度 a：平均分组到达速率 R：链路带宽
    • 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
  • 丢包：分组到达已满队列将被丢弃
    • 队列缓存容量有限
    • 丢弃分组可能由前序节点或源重发（也可能不重发）
  • 吞吐量：表示在发送端与接收端之间的数据传输速率（bps）
    • 瞬时吞吐量、平均吞吐量
    • 瓶颈链路：端到端路径上，限制吞吐量的链路 min{$R_{c}$ ，$R_{s}$}
  • 时延带宽积 = 传播时延 x 带宽 = $d_{prop} \times R$ (bits) （目前还未了解其具体含义）

1.7 计算机网络体系结构

  • 分层结构
    • 计算机网络的各层及其协议的集合

OSI参考模型

层数自顶向下
7应用层
6表示层
5会话层
4传输层
3网络层
2数据链路层
1物理层
  1. 物理层
    • 接口特性、比特编码、数据率、比特同步、传输模式（单工、半双工、全双工）
  2. 数据链路层
    • 负责结点-结点数据传输
    • 物理寻址、组帧
    • 流量控制、差错控制、访问控制
  3. 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、路由
  4. 传输层
    • SAP寻址（目前也不太清楚是个啥玩意）
    • 下列应该放在5层参考模型中
      • TCP协议—向它的应用程序提供了面向连接的服务
      • UDP协议—向它的应用程序提供无连接服务
  5. 会话层
    • 对话控制、同步
  6. 表示层
    • 数据压缩/解压、加密/解密、描述
  7. 应用层
    • 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）
    • FTP、SMTP、HTTP

TCP/IP参考模型

层数自顶向下
4应用层
3运输层
2网际层
1网络接口层

5层参考模型

层数自顶向下协议数据单元（PDU）
5应用层报文
4传输层报文段
3网络层数据报
2链路层帧
1物理层|
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