計算機網絡概述

計算機網絡和網際網路概述

學習内容

• 構成網絡的基本硬體和軟體
• 網絡邊緣
  • 端系統
  • 網絡應用
• 網絡核心
  • 鍊路、交換機
• 接入網
• Internet
  • 網絡的網絡

一、什麼是計算機網絡

了解

• 計算機網絡 = 通信技術 + 計算機技術
• 一種通信網絡

  

定義

• 互連的、自制的計算機集合
  • 自制 - 無主從關系
  • 互連 - 互連互通
    • 通信鍊路：直接連接配接
    • 分組交換機
      • 路由器：網絡核心
      • (鍊路層)交換機：接入網

二、Internet

簡介

• 全球最大的網際網路
  • ISP(Internet Service Provider)
    • 功能：為端系統提供接入Internet服務
    • 構成：多個分組交換機和多段通信鍊路組成的網絡
    • 互連：低層ISP通過高層ISP互連
  • 通過ISP網絡互連的網絡

    

實體結構(具體)

• 百萬計的互聯的計算裝置的集合
  • 主機(hosts) = 端系統(end systems)
  • 運作網絡應用
• 通信鍊路
  • 光纖、銅纜
  • 無線電衛星
• 分組交換
  • 路由器(routers)
  • 交換機(switches)

*服務角度(抽象)

• 為應用程式提供服務的基礎設施
  • 應用程式程式設計接口*API***(Application Programming Interface)，允許應用連接配接Internet
• 分布式應用程式
  • Email、Web、社交網絡、視訊、遊戲等

問題

• 僅有實體裝置，Internet如何保證應用之間的資料交換？

三、網絡協定

定義

• 為進行網絡中的資料交換而建立的規則、标準或約定

三要素

• 文法(Syntax)
  • 資訊的結構或格式
• 語義(Semantics)
  • 發送資訊的類型
  • 響應的類型、采取的動作
  • 差錯控制
• 時序(TIming)
  • 事件順序
  • 速度比對

作用

• 計算機網絡有序運作的重要保證、
• 網絡中的資料交換必須遵守事先約定的規則
• 規定了交換資訊的 格式、意義、順序
• 針對收到資訊或發生的事件所采取的 動作
• 規範網絡中資訊的發送和接收過程

重要性

• 學習網路的重要内容之一
• 網絡創新的表現形式之一

Internet協定标準

• 制定機構***IETF***(Internet Engineering Task Force) 網際網路工程任務組
• 官方文檔***RFC***(Request for Comments) 請求評論
  • TCP、IP
  • HTTP(用于Web)
  • SMTP(用于Email) 等
• 其他組織及标準
  • IEEE 802 LAN/MAN 标準化委員會
  • Ethernet、Wifi标準

計算機網絡結構

一、網絡邊緣

主機(端系統)

• 位于"網絡邊緣"
• 運作網絡應用程式
• 進一步劃分
  • 客戶(client)
  • 伺服器(server)

通信模型

• 客服/伺服器(client/server)應用模型：客戶發送請求，接收伺服器響應。如Web
• 對等(peer-peer P2P)應用模型：沒有專用伺服器，直接進行通信。如QQ

二、接入網絡(Access Network)、實體媒體

定義

• 将端系統連接配接到其邊緣路由器(edge router)的實體鍊路

作用

• 将網絡邊緣接入核心網

ISP(Internet Service Provider)

• 分層結構
  • 頂級ISP
  • 區域ISP
  • 接入ISP
• 其他
  • PoP
  • 多宿
  • 對等
  • IXP(Internet Exchange Point)
• 内容提供商網絡(content provider network)

分類

• 家庭接入
  • DSL、電纜
  • FTTH(Fiber To The Home)
  • 衛星、傳統電話線等
• 機構接入(學校、企業等)
  • 區域網路LAN接入
    • 以太網
    • WiFi
• 移動(廣域無線)接入
  • 基站接入
    • 3G、4G、5G 蜂窩網
    • LTE(Long-Term Evolution)

舉例

數位用戶線路***DSL***(Digital Subscriber Line)

• 利用家庭已有的電話線
  • ISP：本地電話公司
• 編碼頻率
  • 高速下行通道：50 kHz ~ 1 MHz 24 Mpbs
  • 中速上行通道：4kHz ~ 50kHz 2.5 Mbps
  • 普通雙向電話信道：0 ~ 4kHz
• 多路複用
  • 多路信号共用一個實體媒體傳輸

電纜網絡***CIA***(Cabel Internet Access)

• 利用有線電視基礎設施
  • ISP：有線電視公司
• 頻分多路複用：在不同頻帶(載波)上傳輸不同頻道
• 各家庭共享接入網絡

典型家庭網絡的接入

機構接入網絡

重要名額

• 帶寬(bandwidth bps)
• 獨占/共享

三、網絡核心

組成

• 互連的路由器(分組轉發裝置)/分組交換機
  • 路由層交換機
  • 鍊路層交換機
• 構成網絡之網絡

關鍵功能

• 路由
  • 路由算法/路由選擇協定
  • 本地轉發表/路由表
  • 路由觀察：

    www/traceroute.org

• 轉發
  • 從輸入端口交換至正确的輸出端口
• 傳輸
  • 将資料從源傳輸到目的地

傳輸方式

• 存儲轉發
  • 在向輸對外連結路傳輸第一個比特前，必須接收整個分組
  • 封包交換與分組交換均采用該交換方式
    • 封包交換的對象是完整封包
    • 分組交換的對象是較小的分組

資料交換

• 動态轉接：端口轉發
• 動态配置設定傳輸資源

資料交換的類型

• 電路交換
• 封包交換
• 分組交換

電路交換

三個階段

• 建立連接配接(建立電路)
• 通信
• 釋放連接配接(拆除電路)

特點

• 獨占資源

鍊路共享：多路複用

• 劃分鍊路/網絡資源為資源片
• 配置設定資源片給各路呼叫
• 沒路呼叫獨占資源片
• 資源片可能閑置

典型方法

• 頻分FDM：如電視信号
• 時分TDM
• 波分WDM：就是光的頻分複用
• 碼分CDM
  • 廣泛用于無線鍊路共享
    • 如蜂窩網、衛星通信等
  • m bit 碼片序列
  • 發送的資料用該碼片序列進行編碼
  • 各個使用者的碼片序列正交

  

  

封包交換

• 封包：源發送的資訊整體
• 如：電報通信

分組交換

原理

• 分組：封包分拆出來的一系列相對較小的資料包
• 每個小的資料包會增加頭部，頭部和資料構成分組
• 分組交換需要進行封包的拆分與重組
• 産生額外開銷
• 統計多路複用，按需共享鍊路

與電路交換相比

• 允許更多的使用者同時使用網絡
• 适用于突發資料傳輸網絡
  • 資源充分共享
  • 簡單、無需呼叫建立
• 可能産生擁塞(congesiton)：分組延遲或丢失
  • 需要協定處理可靠資料傳輸和擁塞控制
• 問題
  • 如何提供電路級帶寬保證？

計算機網絡性能

速率

• 資料傳輸速率或比特率
• 機關時間(s)傳輸資訊(bit)量
• 往往指額定速率，現實中往往達不到

帶寬

• 原指信号具有的頻帶寬度(Hz)
• 網絡帶寬通常指數字信道的"最高資料率"(b/s)

延遲/時延(delay/latency)

分組交換為什麼會發生丢包和時延

• 傳輸時延
• 排隊延遲
• 緩存滿，到達的分組被丢棄

四種分組延遲

• d p r o c d_{proc} dproc​ 節點處理(nodal processing delay)
  • 差錯檢測
  • 确定輸對外連結路
  • 通常 < msec
• d q u e u e d_{queue} dqueue​ 排隊延遲(queueing delay)
  • 等待輸對外連結路可用
  • 取決于路由器擁塞程度
  • 難以确定
  • 流量強度 L a / R La / R La/R

  

• d t r a n s d_{trans} dtrans​ 傳輸延遲(transmission delay)
  • L: 分組長度
  • R: 鍊路寬度
• d p r o p d_{prop} dprop​ 傳播延遲(propagation delay)
  • d: 實體鍊路長度
  • s: 信号傳播速度(~ 2 ∗ 1 0 8 m / s e c 2*10^8 m/sec 2∗108m/sec)

時延帶寬積

• 時延帶寬積 = 傳播時延 * 帶寬
• 又稱以比特為機關的鍊路長度

丢包率

• 丢包數 / 已發分組總數

吞吐量

• 發送端與接收端之間傳送資料速率
  • 即時吞吐量
  • 平均吞吐量
• 取決于端到端路徑上，限制端到端吞吐量的鍊路

計算機網絡體系結構

有效描述網絡的系統結構?

• 分層結構
• 每層完成一種特定服務/功能

網絡體系結構

• 從功能上描述計算機網絡
• 分層結構
• 每層遵循某些網絡協定完成本層功能
• 是計算機網絡羅的各層及其協定的集合
• 是功能層次及其關系的定義
• 是抽象的描述。不關注具體實作方式

分層結構

• 結構清晰，有利于識别複雜系統的部件及其關系
• 子產品化的分層易于系統更新、維護
• 有利于标準化
• 不利之處？
  • 分層過多、效率低下

分層網絡體系結構基本概念

• 實體：任何發送接收資訊的硬體或軟體程序
• 協定：控制兩個對等實體進行通信的規則的集合，是“水準的”
• 服務：使用下層服務，遵循本層協定、實作本層功能，向上層提供服務，是垂直的
• 下層協定的實作對上層的服務使用者是透明的
• 接口：相鄰層實體通過接口進行互動，通過服務通路點***SAP***(Service Access Point)，交換原語，指定請求特定服務

OSI參考模型

簡介

• 開放系統互連(OSI)參考模型
• 時間：1984
• 組織：國際标準化組織(ISO)
• 目的：支援異構網絡系統的互連
• 價值
  • 異構網絡系統互連的國際标準
  • 了解網絡通信的最佳學習工具
• 評價：理論成功、市場失敗

七層結構

概述

• 應用層
• 表示層
  • 資料壓縮
  • 資料加密碼
  • 資料描述：避免不同計算機中資料格式不同的問題
• 會話層
  • 資料交換定界
  • 同步
  • 建立檢查點、恢複方案
• 傳輸層
• 網絡層
• 資料鍊路層
• 實體層

實體層

• 實作比特傳輸

規範

• 接口特性
  • 機械特性(插孔形狀、方向等)
  • 電器特性(電壓等)
  • 功能特性(引腳功能等)
  • 規程特性(工作過程)
• 比特編碼
• 資料率(速度)
• 比特同步
  • 時鐘同步
• 傳輸模式
  • 單工：單向通信，一方隻能接收
  • 半雙工：一個時刻隻能一方發或收
  • 全雙工：雙向通信

資料鍊路層

• 節點 - 節點 (node to node) 資料傳輸
• 實體鍊路直接相連的兩個裝置的資料傳輸
• 組幀(Framing)
• 實體尋址(Physical addressing)
  • 在幀頭中增加發送端/接收端的實體位址表示資料幀的發送端/接收端
  • 因為多個裝置均會收到資料，是以即便直接相連，也要标明
  • 目的和源
• 流量控制(Flow Control)
  • 避免淹沒接收端
• 差錯控制(Error Control)
  • 檢測并重傳損壞或丢失幀，避免重複幀
• 通路(接入)控制(Access Control)
  • 在任意時刻決定哪個裝置擁有鍊路(實體媒體)控制使用權

網絡層

• 源主機到目的主機資料分組(packet)傳遞
  • 可能穿越多個網絡，不能使用實體尋址
• 邏輯尋址(Logical Addressing)
  • 全局唯一邏輯位址，確定資料分組被送達目的主機，如IP
• 路由(Routing)？？？
  • 路由器(或網關)
  • 路徑選擇？？？

傳輸層功能

• 源 - 目的 (端 - 端) (程序間) 完整封包傳輸
• 封包的分段與重組
• SAP尋址
  • 確定将完整封包送出給正确程序，如端口号

  

• 連接配接控制(邏輯控制)
• 流量控制(端系統層面)
• 差錯控制(端系統層面)

會話層

• 對話控制
  • 建立、維護
• 同步
  • 在資料流中插入“同步點”
• 功能最薄的一層

表示層

• 處理兩個系統間交換資訊的文法和語義(syntax and semantics)問題
• 資料表示轉化
  • 轉換為主機獨立的編碼
• 加密/解密
• 壓縮/解壓縮
• 實際功能也不多

應用層功能

• 支援使用者通過代理(如浏覽器)或網絡接口使用網絡(服務)
• 典型應用層服務
  • 檔案傳輸(FTP)
  • 電子郵件(SMTP)
  • Web(HTTP)

利用OSI解釋通信過程

• 實通信：實線表示
• 邏輯通信：虛線表示

OSI資料封裝(encapsulation)

封裝(encapsulation)

• 兩種字段
  • 首部
  • 有效載荷(payload field)
• 資料鍊路層還有尾部

為什麼需要資料封裝

• 增加控制資訊
  • 構造協定資料單元(PDU)
• 控制資訊主要包括
  • 位址
  • 差錯檢測嗎
  • 協定控制
    • 優先級
    • 服務品質
    • 安全控制

TCP/IP參考模型

• Everything over IP IP可為各式各樣的應用提供服務
• IP over everything IP可應用到各式各樣的網絡上

四層模型

• 應用層
• 運輸層
• 網際層
• 網絡接口層
  • 并沒有定義具體協定
  • 隻要能夠封裝IP接口即可

五層參考模型(Internet)

• 綜合OSI和TCP/IP的優點

應用層

• 網絡應用：Email、Web等
• 應用層協定：SMTP、HTTP等
• 分組名稱：封包(message)

傳輸層

• 功能：實作程序-程序的資料(封包段)傳輸
• 傳輸層協定：TCP、UDP
• 分組名稱：封包段(segment)

網絡層

• 功能：源主機到目的主機的資料分組(資料報)路由與轉發
• 網絡層協定：IP、路由選擇
• 分組名稱：資料報(datagram)

鍊路層

• 功能：相鄰網絡元素(主機、交換機、路由器等)的資料(幀)傳輸
• 鍊路層協定：以太網(Ethernet)、802.11(Wifi)、PPP
• 分組名稱：幀(frame)
• 實體層
  • 功能：比特傳輸
  • 鍊路相關協定

5 層模型資料封裝

• 交換機 2層
• 路由器 3層

計算機網絡與Internet發展曆史

• 1983 - 在ARPANet上部署TCP/IP
• 1988 - TCP擁塞控制
• Minitel - 将網絡帶入家庭的最早實踐
  • 最鼎盛時可以提供兩萬多個服務

• 1992：網際網路協會ISOC成立、我國接入Internet