计算机网络之概述

文章目录

  • 前言
  • 一、计算机网络介绍
    • 1.计算机网络定义
    • 2.常用术语定义
  • 二、计算机网络的组成
    • 1.从组成部分来看
    • 2.从工作方式来看
    • 3.从功能组成来看
  • 三、网络协议
  • 四、计算机网络结构
    • 1.网络边缘
    • 2.接入网络
      • (1)数字用户线路 (DSL)
      • (2)电缆网络
      • (3)无线接入网络
    • 3.网络核心
      • (1)电路交换
      • 多路复用
      • (2)报文交换
      • (3)分组交换(package switching)
      • 数据交换方式对比
  • 五、Internet结构(网络之网络)
  • 总结


前言


提示:以下是本篇文章正文内容

一、计算机网络介绍

1.计算机网络定义

一般认为,计算机网络是一个将分散的(地理位置不同的)、具有独立功能的计算机系统,通过通信设备(路由等)与线路(光纤等)连接起来,由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
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计算机网络是一些互联的、自治的计算机系统的集合,也就是计算机网络=通信技术+计算机技术

但是如果每一台计算机都这样两两连接,在计算机数量较少的时候比较方便,一旦数量巨大,不方便。所以,通过交换网络互连主机
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2.常用术语定义

(1)Internet:全球最大的互联网络,由ISP(Internet Service Provider互连而成的“网络之网络”

(2)速率:即数据率(data rate)或称数据传输速率或比特率(bit rate)

速率:单位时间(秒)传输信息(比特)量
 计算机网络中最重要的一个性能指标
 单位: b/s(或bps)、 kb/s、 Mb/s、 Gb/s
 k=103、 M=106、 G=109
 速率往往是指额定速率或标称速率

(3)带宽(bandwidth):原本指信号具有的频带宽度,即最高频率与最低频率之差,单位是赫兹(Hz),但是,在网络中的带宽通常是数字信道所能传送的“最
高数据率”,单位: b/s (bps)
,可以看单位区分。

常用的带宽单位:
 kb/s (103 b/s)
 Mb/s(106 b/s)
 Gb/s(109 b/s)
 Tb/s(1012 b/s)

(4)通信链路:光纤, 铜缆, 无线电,卫星……

(5)端系统:主机(hosts)=端系统(end systems)

(6)拓扑: 信道的分布方式
常见的拓扑有: 总线型、星型、环形、树形和网状
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二、计算机网络的组成

1.从组成部分来看

一个完整的计算机网络主要由硬件、软件和协议三大部分组成,缺一不可

(1)硬件主要由主机(也称端系统),通信链路(如双绞线、光纤)、交换设备(如路由、交换机等)和通信处理机(如网卡)等组成

(2)软件主要包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件(如网络操作系统、FTP程序、聊天程序)

(3)协议是计算机网络的核心,协议规定了网络传输数据时所遵循的规范。

2.从工作方式来看

计算机网络(主要指Internet)可分为边缘部分和核心部分

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(1)边缘部分由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成,用来进行通信(如传输数据、音频或视频)和资源共享

(2)核心部分由大量的网络和连接这些网络的路由器组成,它为边缘部分提供连通性和交换服务。

3.从功能组成来看

计算机网络由通信子网和资源子网组成

(1)通信子网由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成,它使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力,实现计算机之间的数据通信

(2)资源子网是实现资源共享功能的设备及其软件的集合,向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务
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三、网络协议

硬件(主机、路由器、通信链路等)是计算机网络的基础
计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则,协议是计算机网络有序运行的重要保证

网络协议(network protocol),简称为协议,是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

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

协议的三要素:

(1)语法(Syntax)
1.数据与控制信息的结构或格式
2.信号电平
(2)语义(Semantics)
1.需要发出何种控制信息
2.完成何种动作以及做出何种响应
3.差错控制
(3)时序(Timing)
1.事件顺序
2.速度匹配

协议规范了网络中所有信息发送和接收过程(如TCP,IP)

四、计算机网络结构

网络结构分为三部分:网络边缘,接入网络,网络核心(核心网络)
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1.网络边缘

(1)主机(端系统):位于“网络边缘” ,运行网络应用程序 ,如: Web, email

(2)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

(3)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: Gnutella, BT, Skype, QQ

2.接入网络

将网络边缘接入核心网(边缘路由器)

(1)数字用户线路 (DSL)

利用已有的电话线连接中心局的DSLAM,数据通信通过DSL电话线接入Internet
,语音(电话)通过DSL电话线接入电话网
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(2)电缆网络

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
,不同于DSL的独占至中心局的接入
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频分多路复用: 在不同频带(载波)上传输不同频道
数据、电视信号在共享线缆分布式网络上利用不同频率传输

家庭网络的接入:
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企业,高校网络接入
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(3)无线接入网络

通过共享的无线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)

无线局域网(LANs) :
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特点:
1.同一建筑物内 (30m)
2.802.11b/g (WiFi): 11Mbps、54Mbps传输速率

广域无线接入:
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特点:
1.通过电信运营商 (蜂窝网) ,接入范围在几十公里~
2.带宽: 1 Mbps、 10 Mbps、100Mbps
3.3G、 4G: LTE
4.移动互联网

3.网络核心

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

==转发(forwarding):==将分组从路由器的输入端口交换至正确的输出端口

网络核心解决的基本问题:实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机

数据交换的方式主要有三种:电路交换,报文交换,分组交换

(1)电路交换

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)

缺点:独占资源

最典型电路交换网络:电话网络
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多路复用

电路交换网络如何共享中继线? 多路复用(Multiplexing)

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(Multiplexing): 将链路/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)

多路复用方法:
(1)频分多路复用( frequency division multiplexing-FDM )
频分多路复用的各用户占用不同的带宽资源(请注意,这里的“带宽”是频率带宽(单位: Hz) 而不是数据的发送速率)
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注: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

(2)时分多路复用( time division multiplexing-TDM )
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM 帧),每个用户在每个 TDM 帧中占用固定序号的时隙

每用户所占用的时隙是周期性出现(其周期就是TDM 帧的长度)
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注: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

(3)波分多路复用(Wavelength division multiplexing-WDM)
波分复用就是光的频分复用,WDM是在1根光纤上承载多个波长(信道)系统,将1根光纤转换为多条“虚拟”纤,当然每条虚拟纤独立工作在不同波长上,这样极大地提高了光纤的传输容量。
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(4)码分多路复用( Code division multiplexing-CDM )

在码分复用中各路信号码元在频谱上和时间上都是混叠的,但是代表每个码元的码组是正交的

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 的 m bit 码 片 序 列 (chipping sequence), 其中“0” 用“-1” 表示、 “1” 用“+1” 表
, 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,各用户码片序列相互正交(orthogonal)
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编码:
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) , 则发送该码片序列的m bit 码片序列的反码

解码:
令{di}为原始数据序列,各用户的叠加向量为:
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码片序列与编码信号的内积(解码方式)

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举例:发送1,0
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详情:
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(2)报文交换

报文:源(应用)发送信息整体 (比如:一个文件)
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信息将以一个整体的形式传输数据。

(3)分组交换(package switching)

分组:报文分拆出来的一系列相对较小的数据包,分组后的数据包不仅包含原来的数据,还应该包括标头:里包含了数据包的目标地址
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分组交换需要报文的拆分与重组,在数据准备好的任何时候发送一块数据,它就是分组或数据包(packet),
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报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式
区别:
(1)报文交换以完整报文进行“存储-转发
(2)分组交换以较小的分组进行“存储-转发

传输延迟
拆分为较小长度为 L bits的分组(packets),在传输速率为R的链路上传输分组
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分组交换:统计多路复用(Statistical Multiplexing)

A & B分组序列不确定,按需共享链路–>Statistical Multiplexing
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A & B分组序列不确定,某一时间可能发B,另一个时间可能发A.

数据交换方式对比

报文交换 vs 分组交换

报文长度:M=7.5 Mbits, 链路带宽:R = 1.5 Mbps,分组长度:L=1500bits(M=5000L)
采用这两种方式,报文交付时间各是多少?

报文交换:
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以整体传输,每段链路的传输延迟:M/R=7.5/1.5=5,一共传输3段,共15s

分组交换:
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注意:当第一个包传输到第二个路由器同时,又有一个包到达第一个路由器
一个包传输一段链路的传输延迟:L/R=1500/(1.5× 106)=1ms,总共要传输5002次,
所以, 报文交付时间=5002ms=5.002 sec

很明显分组交换的时间要少了很多,而且报文交换要求路由器的缓存至少要比报文的大小大,分组交换则可以满足路由器缓存较小时,完成数据交换

分组交换的报文交付时间

报文: M bits, 链路带宽:R bps ,分组长度:L bits 跳步数: h 路由器数:n

交付时间: T=M/R+(h-1)L/R = M/R+n*(L/R)

分组交换 vs 电路交换

对于一段1 Mb/s链路,要满足每个用户:“活动”时需100 kb/s和“活动”时需100 kb/s

电路交换: 允许10个用户
分组交换:对于35个用户, 大于10个用户同时活动的概率<0.0004(错开交换)

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传输网络

资源充分共享
简单、无需呼叫建立

缺点:可能产生拥塞(congestion) : 分组延迟和丢失, 需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制

五、Internet结构(网络之网络)

端系统通过接入ISP(access ISPs )连接到Internet,接入ISP必须进一步互连,这样任意两个主机才可以互相发送分组

接入的ISP互连
(1)每个接入ISP直接彼此互连
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缺点:直接互连不适用于大规模网络 (N2)连接问题

(2)将每个接入ISP连接到一个国家或全球ISP(Global ISP)

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可能出现区域网络(regional networks) 连接接入ISP和运营商ISP
而且内容提供商网络(content provider networks,如: Google,Microsoft等) 可能运行其自己的网络,并就近为端用户提供服务、内容
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在网络中心: 少数互连的大型网络
(1)“一级” (tier-1)商业ISPs (如:网通、电信、 Sprint、 AT&T),提供国家
或国际范围的覆盖
(2)内容提供商网络(content provider network, 如: Google):私有网络,
连接其数据中心与Internet,通常绕过一级ISP和区域ISPs
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总结

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