計算機網絡

計算機網絡體系結構(Overview)

計算機網絡是計算和通訊技術的一種融合。計算機已將計算、通訊和控制(Computing, Communication and Control)三位一體，它不再僅僅是一個計算工具，更是一個通訊和控制的平臺。

計算機網絡發展歷史

計算機網絡

• 第一代：遠程終端連接
• 第二代：計算機網絡(局域網)
• 第三代：網絡互連(廣域網，Internet)
• 第四代：信息高速公路

互聯網基礎結構發展的三個階段

• 第一階段：ARPANET(當時只是單個的分組交換網)向互連網發展的過程。
• 第二階段：建成了三級結構的互聯網
• 第三階段：形成了多層次的ISP結構的互聯網

計算機發展過程中的四個定律

• 硬件發展的摩爾定律：每18個月CPU的處理速度就會加倍
• 貝爾定律：如果保持性能不變，每18個月器件的價格或者體積就會減半
• 計算和帶寬效應的麥特卡夫定律：有更多的用戶上網，所以這個“網”創造的價值越來越大
• 吉爾德定律預測：在未來的25年，主干網的帶寬將每6個月增加1倍。其增長速度超過摩爾定律預測的CPU增長速度的三倍。

計算機網絡和因特網的概念及其應用

三網融合：電信網絡、有線電視網、計算機網絡。三網融合不是三大網絡的物理合一，而主要指高層業務應用的融合。四網融合再加上電網，電力光纖入戶。

互連網：把多個網絡通過路由器連接在一起。

計算機網絡：是通過同一種技術相互連接起來的一組自主計算機的集合。

Internet是一種計算機網絡，是由多個網絡構成的網絡。Internet也是全球唯一的、使用TCP/IP協議的由計算機網絡互聯構成的開放的計算機網絡。

Web是運行在Internet之上的一個分布式系統。

Internet只是互連網中最大的一個，但并不是全球唯一的互連網絡，例如在歐洲，跨國的互聯網絡就有“歐盟網”（Euronet）,“歐洲學術與研究網”（EARN），“歐洲信息網”（EIN），在美國還有“國際學術網”（BITNET），世界范圍的還有“飛多網”（全球性的BBS系統）等。

應用：電子商務、電子政務、遠程醫療、開放教育、網絡戰爭等

計算機網絡的組成

物理結構上看：

計算機系統(用戶端設備)、數據通信系統(傳輸/交換設備和鏈路)、網絡軟件

• 終端設備：主機(host)、端系統
• 通信鏈路：電纜、光纖、無線、衛星……
• 交換設備：路由器(轉發數據包)

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工作方式(邏輯)上看：

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邊緣部分(端系統)：由所有連接在Internet上的主機組成。這部分是用戶直接使用的
* 端系統中運行的程序間的通信方式：Client/Server(發送郵件、查閱資料)、Peer-to-Peer(比如QQ聊天、迅雷下載、在線影視等)
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核心部分：由大量的網絡和連接這些網絡的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務的。

交換：把一條一條的電話線轉接到另一條電話線，使他們連通起來。從通信資源的分配角度來看，就是按照某種方式動態的分配傳輸線路的資源。

• 電路交換(面向連接)：電話網為代表，每次呼叫采用固定路徑。
  • 必須經歷建立連接->通話->釋放連接三個步驟。
  • 通話的全部時間內，通話的兩個用戶始終占用端到端的通信資源。
  • 連接方式
    • 兩部電話機：一對電線
    • N部電話機，無交換需N(N-1)/2
    • 使用交換機：電話機數量增多時使用交換機完成全網的交換任務
• 報文交換：整個報文先傳送到相鄰結點，全部存儲下來后查找轉發表，轉發到下一個結點。
• 報文交換：完整的報文以存儲轉發的方式從源節點發送到目的節點。
• 分組交換(存儲轉發)：因特網為代表，每個數據包單獨選擇路由傳輸。
  • 在發送端把一個報文(要發送的整塊數據message)劃分為一個個等長的數據段
    • 在每一個數據段前面加上首部header之后構成分組(packet，也叫包)。
    • 依次把各分組發送到接收端
    • 接收端收到分組后剝去首部還原成報文
  • 路由器的處理過程
    1. 把收到的分組放入緩存
    2. 查找轉發表，找到某個目的地址對應從哪個端口轉發
    3. 把分組送到適當的端口轉發出去
  • 優點
    • 高效：動態分配傳輸帶寬，對通信鏈路逐段占用
    • 靈活：以分組為傳送代為查找路由
    • 迅速：不必先建立連接就能想其他主機發送分組
    • 可靠：保證可靠性的網絡協議，分布式的路由選擇協議有很好的生存性
  • 問題
    • 分組在各節點存儲轉發時需要排隊，會造成一定的時延
    • 分組必須攜帶的首部也帶來一定的開銷

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從功能結構上看

• 通信子網：網絡中實現網絡通信功能的設備及軟件的集合
  • 通信設備
  • 通信協議
  • 通信控制軟件等
• 資源子網：網絡中實現資源共享功能的設備及軟件的集合
  • 網絡的服務器
  • 用戶計算機
  • 網絡打印機等

計算機網絡分類

按照網絡的作用范圍

• 廣域網(Wide Area Network)

  • 覆蓋范圍通常為幾十到幾千公里，一個國家、地區，或幾個洲，也稱遠程網。
  • 組成
    • 主機
    • 通信子網：通信線路連接交換節點，往往是電信部門提供的公共通信網。
  • 一般是點到點，一條通信線路只連接一對結點，一端的節點發送的數據只有唯一的另一端節點接收。分組從源結點經網絡傳送到目的結點要經過多個中間節點。
  • 多使用分組交換技術，數據分隔為若干個包，通過存儲轉發的方式逐個結點轉發過去。
  • 連接廣域網各節點交換機的鏈路一般都是高速鏈路，具有較大的通信容量。

• 局域網(Local Area Network)

  • 地理上局限在較小的范圍
  • 一般用微信計算機或工作站通過高速通信線路相連
  • 連接速率高，目前可達10Gbps——萬兆以太網

• 城域網(Metropolitan Area Network)：幾個街區或一個城市。

  • 作用距離為5~50km，規模介于LAN和WAN之間。
  • 公共網絡性質，面向多用戶提供數據、語音、圖像等多業務的傳輸服務
  • 最著名的城域網的例子是有線電視網。
    • 有線電視網絡上傳輸的是模擬信號；一個信道分成若干個頻段，播放不同的電視頻道節目。
    • 數據通信則網絡要改造成雙向的
  • LAN功能的不斷提高和WAN技術的發展，他們都廣泛的滲透和應用到MAN領域
    • LAN的滲透：迅速發展的以太網技術從LAN擴展到MAN領域。千兆位、萬兆位以太網是MAN可以使用的技術。
    • WAN的滲透：WAN中使用的同步光纖網\同步數字分級結構SONET\SDH，波分多路復用WDM和異步傳輸模式ATM技術以及LAN中的光纖分布數據結構FDDI技術也都是MAN常常選用的技術。

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• 個人區域網PAN(Personal Area Network)：個人工作的地方屬于個人使用的電子設備用無線技術連接起來的網絡，也叫無線個人區域網WPAN(Wireless PAN)。

WAN與LAN的比較

1. LAN只有物理層和數據鏈路層，重點是數據鏈路層如何解決共享信道的多點接入控制，而WAN通信協議結構還要加上網絡層，重點是網絡層，除了上述的分組轉發外，還有路由選擇問題。
2. LAN的網絡拓撲一般比較單純規整；而WAN比較復雜，多為網狀和樹形或者他們的混合。
3. WAN常采用多路復用技術，提高傳輸線路的利用率；LAN不使用。

按傳輸技術分

• 廣播式網絡：LAN、WAN中的無線，衛星通信網
• 點對點網絡：是否使用分組存儲轉發與路由選擇機制是它與廣播式網絡的區別

按拓撲結構分

拓撲結構：計算機網絡中各種設備通過傳輸介質互相連接，形成的物理布局。
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• 星型
  • 簡單延遲小
  • 成本高
  • 中心節點對故障敏感
• 總線型
  • 簡單，節省線路
  • 重負載效率低
• 環形
• 網狀
  • 可靠性高
  • 復雜

按使用者分

• 公用網：電信公司出資建造的大型網絡，所有愿意按電信公司的規定繳納費用的人都可以使用這種網絡。
• 專用網：為滿足某個部門或單位特殊業務工作的需要而建造的網絡。

網絡接入方式

局域網接入

1. 局域網通過路由器連接到Internet，LAN用戶通過雙絞線連接電腦網卡和交換機/路由器接口，即可通過局域網接入Internet。
2. 小區寬帶接入：FTTx+LAN，實現千兆到小區(大樓)中心交換機，中心交換機和樓道交換機以百兆光纖或五類雙絞線相連，樓道內采用綜合布線，實現不同速率寬帶接入，提供高速局域網以及互聯網絡服務。

| 英文簡稱 | 全拼 | 翻譯 |
| :-------- | ----:----| :------: |
| FTTC | Fiber To The Curb | 光纖到路邊 |
| FTTZ | Fiber To The Zone | 光纖到小區 |
| FTTB | Fiber To The Building | 光纖到大樓 |
| FTTH | Fiber To The Home| 光纖到家庭 |
| FTTD | Fiber To The Desktop | 光纖到桌面 |
| FTTP | Fiber To The Premise | 光纖到所在地 |

電話撥號接入

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• 窄帶接入方式：經過調制解調器和普通模擬電話線與公用交換電話網連接。速率不超過56Kbps
• 經過專用終端設備和數字電話線，與綜合業務數字網(Integrated Service Digital Network,ISDN)連接。

數字用戶線路(Digital Subscriber Line,DSL)接入

基于普通電話線的寬帶技術，在同一銅線上分別傳送數據和語音信號，數據信號并不通過電話交換機設備，并且不需要撥號，一直在線，屬于專線上網方式。DSL包括非對稱數字用戶線路ADSL(Asymmetric DSL, 下行速率8Mb/s，上行速率1Mb/s)、速率自適應數字用戶線路RADSL(Rate Automatic DSL)、高速率數字用戶線路HDSL(High-speed DSL)、高速數字用戶線路VDSL(Very-high-bit-rate DSL,最大下行速率55Mbps，上行速率19.2Mbps)

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有線電視的線纜接入

• 基于有線電視的線纜調制調節器(Cable Modem)接入方式可達到下行8Mb/s、上行2Mb/s的高速率接入。
• 基于有線電視網絡的高速互聯網接入系統有兩種信號上行信號傳送方式
  • 通過CATV(Community Antenna Television)網絡本身采用上下行信號分頻技術來實現
  • 通過CATV網傳送下行信號，通過普通電話線路傳送上行信號

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光纖接入(OAN: Optical Access Network)

• 光纖傳輸技術：本地交換局和用戶之間全部或部分采用光纖傳輸通信系統
• 光纖到戶FTTH方式將光網絡單元(ONU)安裝在用戶處
• 光纖具有寬帶、遠距離傳輸能力強、保密性好、抗干擾能力強等優點，是未來接入網的主要實現技術

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WLAN無線局域網接入

• 使用無線射頻(RF)技術越空收發數據，減少使用的電線連接
• 一般作為已存在有線網絡的一個補充方式，裝有無線網卡的計算機通過無線手段方便接入互聯網
• WIFI(Wireless Fidelity): IEEE 802.11

無線網接入

• Bluetooth：短距離的無線通訊技術
• WiMax：寬帶無線接入
• 2.5G移動通信技術：通過GPRS(General Packet Radio System)或CDMA(Code-Division Multiple Access)接入
• 3G：將無線通信與國際互聯網等多媒體通信結合的新一代移動通信系統
• 4G第四代移動通信技術：3G與WLAN于一體

衛星接入

• 利用寬帶衛星的雙向傳輸
• 利用衛星的高速下載和地面反饋的外交互方式

小結

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計算機網絡標準化工作組織

• Internet標準以RFC(Request For Comments)文檔形式發布
• ISO：OSI七層協議
• ITU(國際電信聯盟)：遠程通信標準
• IEEE:802標準

ISP和骨干網

ISP(Internet Service Provider)：進行商業活動的公司，用戶付費享受相應的互聯網服務。

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骨干網：把城市之間連接起來的網，是國家批準可以直接和國外連接的互聯網。其他有接入功能的ISP通過骨干網連到國外。

計算機網絡的性能指標

1. 速率：連接在計算機網絡上的主機在數字信道上傳輸數據的速率，單位為b/s,Kb/s,Mb/s,Gb/s等，往往指額定速率或標稱速率
2. 帶寬(Bandwidth)：本來信號具有的頻帶寬度，單位Hz?，F在為數字信道所能傳送的最高數據率，單位是b/s。
   • 數字信號流隨時間的變化：在時間軸上信號的寬度隨帶寬的增大而變窄

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3. 時延(Delay或Latency)
   4. 發送時延(Transmission Delay)：發送數據時，數據塊從節點進入到傳輸媒體所需的時間。從發送數據幀的第一個比特算起，到該幀的最后一個比特發送完畢所需的時間。發送時延=數據塊長度/信道帶寬
   5. 傳播時延(Propagation Delay)：電磁波在信道中在信道中傳播一定的距離需要花費的時間。傳播時延=信道長度/電磁波在新島上的傳播速率
   6. 處理時延：交換節點為存儲轉發而進行的一些必要的處理所花費的時間
   7. 排隊時延：節點緩存隊列中分組排隊所經歷的時延。
   8. 總時延=發送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延
   9. 對于高速網絡鏈路，我們提高的僅僅是數據的發送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。提高發送速率僅僅減少的是發送時延。
   10. “光纖信道的傳輸速率高”其實是指以很高的速率向光纖信道發送數據，而光纖的傳播速率實際上比銅線還要低。

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4. 吞吐量(Throughput)：單位時間能夠成功傳輸的數據量(瞬間、平均)，單位bps

   • 通信鏈路的帶寬一般是指鏈路上每秒所能傳送的比特數，以太網的帶寬是10Mbps
   • 吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率性質。受各種低效率因素的影響，一段帶寬為10Mbps的鏈路連接的一對節點可能只打到2Mbps的吞吐量。

5. 時延帶寬積=傳播時延 * 帶寬。就相當于信道的體積。

6. 往返時間(Round-Trip Time)：比如A向B發送數據，B確認后向A發送確認數據，A在收到之后才能繼續向B發送時間。比起上面四種時延再加上確認時間RTT。

7. 利用率

   • 信道利用率：某信道有百分之幾的時間是被利用的。
   • 網絡利用率：全網絡的信道利用率的加權平均值。
   • 網絡當前時延D=網絡空閑時延D0/(1-利用率U) 信道或網絡的利用率過高會產生非常大的時延。

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計算機網絡分層結構

協議與劃分層次

協議定義了在兩個或多個通信實體之間交換的報文格式和次序，以及在報文傳輸和接收或其他時間方面所采取的動作。使用網絡的應用程序并不直接同網絡硬件打交道，而是與按給定規則進行通信的協議軟件打交道。

• 協議三要素
  • 語法：數據與控制信息的結構或格式
  • 語義：需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應
  • 同步：事件實現順序的詳細說明

計算機網絡的體系結構就是這個計算機網絡及其構建所應完成的功能的精確定義(各層及其協議的集合)。

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分層的優點：

• 各層之間是獨立的。僅僅需要知道他的下一層借口所提供的服務，各層的服務也都不同。
• 靈活性好。當任何一層變活不會影響其他層。
• 結構上可分割開。
• 易于實現和維護
• 能促進標準化工作

OSI/RM(Open System Interconnection Reference Model)參考模型

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法律上的國際標準。

TCP/IP協議棧：事實上的國際標準

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TCP/IP是一個四層協議，但實際上最下層的網絡接口層并沒有什么具體內容。因此在學習網絡時綜合OSI和TCP/IP的優點，采用一種只有五層協議的體系結構，既簡潔又能將概念闡述清楚。

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IP Over Everything：TCP/IP協議允許IP協議在各式各樣的網絡構成的互聯網上運行
Everything Over IP：TCP/IP協議可以為各式各樣的應用提供服務

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• 目標協議軟件按層次組織
• 每臺計算機上的協議軟件被分成許多模塊，每個模塊對應一層
• 分層決定了模塊間的相互作用，當協議軟件發送或接受數據時，每個模塊只與它緊鄰的上下層模塊通信。
• 送出的數據向下，接受的數據向上
• 封裝：對某層實體來說，需要在上層數據之前增加一些控制信息，然后傳送給同層的對等實體。

實體(Entity)：任何可發送或接受信息的硬件或軟件進程
協議是水平的：控制兩個對等實體(peer entity)進行通信的規則的集合
服務是垂直的：服務是由下層向上層通過層間接口提供的。
在協議的控制下，兩個對等實體間的通信使本層能夠向上一層提供服務。本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協議。

服務訪問點SAP(Service Access Point)：同一系統相鄰兩層的實體進行交互的地方。
服務原語：相鄰兩層實體之間交互的語言或命令

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協議必須把所有不利的條件事先都估計到，不能假定一切都是正常和理想的?？匆粋€計算機網絡協議是否正確，必須仔細檢查這個協議能否應付各種異常情況。

教學中使用的混合模型

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• 應用層(Application layer)

  • 任務：通過應用進程間的交互來完成網絡應用。
  • 協議：定義應用進程間通信和交互的規則
  • 常見協議：DNS HTTP SMTP等
  • 數據單元：報文(Message)

• 運輸層(transport layer)

  • 任務：向兩臺主機中進程之間的通信提供通用的數據傳輸服務(通用的意思是多種應用可以使用同一個運輸層服務)
  • 復用：多個應用層進程可同時使用下面運輸層的服務
  • 分用：運輸層把收到的信息分別交付給應用層中的相應進程
  • 協議：
    • 傳輸控制協議TCP(Transmission Control Protocol)：提供面向連接、可靠的數據傳輸服務，數據單位為報文段(Segment)
    • 用戶數據報協議UDP(User Datagram Protocol)：提供無連接的、盡最大努力的數據傳輸服務，數據單位為用戶數據報(Datagram)

• 網絡層(network layer)

  • 任務：為分組交換網上的不同主機提供通信服務。
  • 數據單位：把運輸層產生的segment或datagram封裝成pocket或package進行傳送。分組也叫IP數據報。
  • 協議：IP(Internet Protocol)協議

• 數據鏈路層(data link layer)

  • 任務：在兩個相鄰結點之間傳送數據時，數據鏈路層將網絡層交下來的IP數據報組裝成幀，在兩個相鄰節點之間傳送幀。
  • 數據單位：幀(frame)，包含數據和必要的控制信息(差錯控制、同步信息、地址信息等)

• 物理層(physical layer)

  • 數據單位：bit
  • 任務：考慮用多大的電壓代表0或1以及接收方如何識別出所發送的比特。
  • 注：雙絞線、光纜、無線信道等傳遞信息所用的物理媒體不屬于物理層。

圖片很多上傳失敗了。原文/github版原文