计算机网络概述

计算机网络是通信技术与计算机技术紧密结合的产物

互连的、自治的计算机集合

  • 自治：无主从关系
  • 互连：互联互通

image-20220427143647169

距离远、数量大时，通过交换网络互连主机

image-20220427143818041

Internet——全球最大的互联网络

image-20220427144536651

  • 组成细节角度

    • 数以百万计的互连计算设备集合
    • 通信链路
    • 分组交换：转发分组（数据包）
      • 路由器和交换机
  • 服务角度
    • 为网络应用提供通信服务和通信基础设施
    • 为网络应用提供应用编程接口

协议

协议是计算机网络有序运行的重要保障

任何通信或信息交换过程都需要规则，网络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锁交换的信息的格式、意义、顺序以及针对收到信息或发生事件所采取的动作

三要素：

  • 语法
  • 语义
    • 发出何种信息
    • 完成何种响应
    • 差错控制
  • 时序

协议规范了网络中所有信息的发送和接收过程

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：有限或无线通信链路
  • 网络核心（核心网络）：互联的路由器或分组转发设备

网络边缘

主机（端系统）

客户/服务器（client/server）应用模型：客户发送请求，服务器响应请求

对等（P2P）应用模型

  • 无专用服务器
  • 通信在对等实体之间进行

接入网络

将网络边缘接入核心网

  • 住宅接入网络
  • 机构接入网络
  • 移动接入网络

数字用户线路（DSL）（独占）

image-20220427151356346

  • <2.5Mbps 上行传输速率
  • <24Mbps 下行传输速率

电缆网络（共享）

image-20220427151700973

  • HFC：混合光纤同轴电缆

家庭网络

image-20220427151858477

机构接入网络

image-20220427151932406

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

  • 无线局域网（LANs）
  • 广域无线接入

网络核心

互联的路由器网络

关键功能：路由 + 转发

Internet结构

端系统通过接入ISP连接到Internet

image-20220427152729860

image-20220427152802308

数据交换

6759FAD85C4BC8066F0588915733E863

为什么需要数据交换

  • $ N^2 $问题
  • 连通性
  • 网络规模

交换：

  • 动态转接
  • 动态分配传输资源

电路交换

独占资源

多路复用

  • 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

报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式

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

image-20220429101150189

对于35个用户，大于10个用户同时活动的概率小于0.0004，分组交换允许更多的用户同时使用网络

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（congestion）：分组延迟或丢失

  • 需要协议处理可靠数据传输与拥塞控制

计算机网络性能

计算机网络体系结构

OSI参考模型

（理论模型）

image-20220507084850296

通信过程

image-20220507085725582

协议数据单元（PDU）

数据封装与通信过程

image-20220507090009118

为什么要进行数据封装：

  • 增加控制信息
    • PDU
  • 控制信息主要包括：
    • 地址（Address）
    • 差错检测编码（Error-detecting code）
    • 协议控制（Protocol control）：实现协议功能的附加信息

物理层功能

实现每一个比特的传输

image-20220507090812201

  • 接口特性
    • 机械特性、电器特性、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）：例如电视
    • 半双工（half-duplex）：对讲机
    • 全双工（full-duplex）

数据链路层

image-20220507091146975

  • 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（接收端）的物理地址标识数据帧的发送端（接收端）

    image-20220507091638174

  • 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

  • 访问控制（Access control）

    • 决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权

网络层功能

image-20220507092504410

  • 负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付

  • 逻辑寻址

    • 全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址

  • 路由（Routing）

  • 分组转发

    image-20220507092805052

传输层功能

image-20220507092856022

  • 负责端到端的完整报文传输
  • 分段与重组
  • SAP寻址
    • 确保将报文提交给正确的进程，如端口号
  • 连接控制
  • 流量控制
  • 差错控制

会话层功能

image-20220507100046888

  • 对话控制（dialog controlling）
    • 建立，维护
  • 同步（synchronization）

表示层功能

image-20220507102631634

处理两个系统间交换信息的语法和语义问题

  • 数据表示转化（比如大端序小端序）
    • 转化为主机独立的编码
  • 加密/解密
  • 压缩/解压缩

应用层功能

image-20220507102825108

支持用户通过用户代理（浏览器）或网络接口使用网络（服务）

TCP/IP参考模型

image-20220507103216441

IP over Everything

IP 可应用到各式各样的网络上

5层参考模型

image-20220507103516268

数据封装

image-20220507103618588

==交换机和路由器的工作方式？==