计算机网络概述（网络结构）

目录

网络结构组成

1.网络边缘

1.1使用基础设施的面向连接的可靠服务（TCP）

1.2使用基础设施的无连接的不可靠服务（UDP）

2.网络核心

2.1电路交换（线路交换）

2.2分组交换

排队延迟和丢失

2.3网络核心的关键功能

2.4统计多路复用

2.5分组交换分类

1.数据报网络（无连接）

2.虚电路网络（有连接）

3.接入网和物理媒体

3.1有线接入网络

1.住宅接入（modem）（已经被淘汰）

2.接入网（DSL：digital subscriber line）

3.接入网：线缆网络

4.住宅接入：电缆模式

3.2无线接入网络

3.3物理媒体

网络结构组成

• 网络边缘
  • 主机
  • 应用程序（客户端和服务器）
• 网络核心
  • 互相连着的路由器
  • 网络的网络
• 接入网、物理媒介
  • 有线或无线通信链路

1.网络边缘

• 端系统（主机）
  • 运行的应用程序
  • 如Web、Email
  • 在“网络的边缘”
• 客户/服务器模式（CS）
  • 客户端向服务器请求 、接受服务
  • 主从模式，服务器为主，客户端为从，可扩展性差
  • 如Web浏览器/服务器；Email客户端/服务器
• 对等模式（peer - peer）模式（P2P）
  • 很少（甚至没有）服务器
  • 可扩展性强，每一个节点既是客户端也是服务器
  • 如Gnutella、KazaA、Emule、迅雷（我从一个迅雷客户端下载文件的第一个片段，从另一个客户端下载文件的第二个片段，在另一个客户端下载文件的第三个片段，可以获得带宽（传输速率）的聚集。而我自己我向外提供拥有片段的服务。）

1.1使用基础设施的面向连接的可靠服务（TCP）

目标：在端系统之间传输数据

• 握手：在数据传输之前做好准备
  • 人类通信中：你好、你好
  • 两个通信主机之间为连接建立状态

TCP服务的特性（Transmission Control Protocol：传输控制协议）：

• 可靠的、按顺序地传输数据
  • 确认和重传
• 流量控制
  • 发送方不会淹没接收方
• 拥塞控制
  • 当网络拥塞时，发送方降低发送速率

保证：不出错、不失序、不丢失、不重复。

1.2使用基础设施的无连接的不可靠服务（UDP）

目标：在端系统之间传输数据

UDP服务的特性（User Datagram protocol：用户数据报协议）：

• 无连接
• 不可靠数据传输
• 无流量控制
• 无拥塞控制

使用TCP的应用：

• HTTP（Web）、FTP（文件传输）、Telnet（远程登录）、SMTP（Email）

使用UDP的应用：

• 流媒体、远程会议、DNS、Internet电话

面向连接与有连接的区别：

• 面向连接：两个端系统以及端系统下的TCP实体都知道通信的状态，但是网络中的节点不知道
• 有连接：两个端系统以及端系统下的TCP实体都知道通信的状态，同时网络中的节点也知道
• 无连接：端系统和网络都不知道通信状态

2.网络核心

网络核心：路由器的网状网络，主要用于数据交换

数据通过网络实现数据交换的方式：

• 电路交换：为每个呼叫预留一条专有电路，如：电话网络
• 分组交换
  • 分组：将要发送的数据分成一个一个单位
  • 将分组从一个路由器传到相邻的路由器，一段段最终从源端传送到目标端
  • 每段：采用链路的最大传输能力（带宽）

2.1电路交换（线路交换）

为呼叫预留端到端资源

• 链路带宽、交换能力
• 专用资源：不共享
• 要求性能
• 要求建立呼叫连接

网络资源（如带宽）被分成片：

• 为呼叫分配片
• 如果某个呼叫没有数据，则其资源片处于空闲状态（不共享）

带宽的分片方式：频分（FDM）、时分（TDM）、波分（WDM）

案例：在一个电路交换网络上，从A主机到B主机发送一个640000bit的文件需要多长时间？

• 所有的链路速率为1.536Mbps
• 每条链路使用间隙为24的TDM
• 建立端到端的电路需要500ms

1.536Mbps / 24 = 64kbs 
640000 bit = 640kbit 
640kbit / 64kbs = 10s 
500ms + 10s = 10.5s 
所以需要10.5秒 + 传播延迟

电路交换不适用于计算机之间的通信

• 连接建立时间长
• 计算机之间的通信具有突发性，如果使用电路交换，则浪费的片段较多
  • 即使这个呼叫没有数据交换，其所占据的片也不能被别的呼叫使用
• 可靠性不高

2.2分组交换

以分组为单位存储-转发方式

• 网络带宽资源不再分为一个一个片，传输时使用全部的带宽
• 主机之间传输的数据被分为一个一个分组

资源共享，按需使用

• 存储-转发：分组每次移动一跳
  • 在转发之前，节点必须收到整个分组并把分组完全存储
  • 延迟比电路交换要大
  • 排队时间（前面可能存在其他分组任务）

在一个速率为R bps的链路，一个长度为L bit的分组转发延迟为：L/R s。

例如：L = 7.5 Mbps，R = 1.5 Mbit，三次转发的延迟为：15秒。

排队延迟和丢失

如果到达速率大于链路的传输速率：

• 分组将会排队，等待传输
• 如果路由器的缓存用完了，分组将会被抛弃

2.3网络核心的关键功能

关键功能：路由和转发

路由：决定分组采用的源到目标的路径

• 路由算法

转发：将分组从路由器输入链路转移到输出链路

2.4统计多路复用

A&B时分复用链路资源

A&B分组没有固定的模式 -> 统计多路复用（特殊的时分复用）

分组交换允许更多的用户使用网络！

例如：一个1Mbps的链路，每个用户活动的时候传输速率为100kb/s，每个用户有10%的概率是活动的。

• 使用电路交换
  • 最多支持10个用户（超过了带宽）
• 使用分组交换
  • 假设支持35个用户
  • 大于十个用户的概率为0.4%，所以35个用户有%99.6的概率不会出错

2.5分组交换分类

分组交换更适用于突发性数据传输（资源共享，不用建立呼叫）。

过度使用分组交换会造成网络拥塞：分组延时和丢失

• 例如：一万个用户使用分组交换
• 对可靠的数据传输需要协议来约束：拥塞控制

分组交换按照有无网络层的连接，分为数据报网络和虚电路网络：

1.数据报网络（无连接）

• 分组的目标地址决定下一跳
• 在不同的阶段，路由可以改变
• 类似于：问路
• 例如：Internet

数据报网络工作原理

在通信之前，无需建立连接，有数据就有传输

每一个分组都独立路由（路径不一样，可能会失序）

路由器根据分组的目标地址进行路由

2.虚电路网络（有连接）

• 每个分组都带标签（虚电路标识VCID），标签决定下一跳
• 在呼叫建立时决定路径，在整个呼叫中路径保持不变
• 路由器维持着每个呼叫的状态信息
• 例如：X.25和ATM

虚电路网络工作原理

3.接入网和物理媒体

3.1有线接入网络

1.住宅接入（modem）（已经被淘汰）

将上网数据调制加载到音频信号上，在电话线上进行传输，在局端将其中的数据解调出来；反之亦然。

• 调频
• 调幅
• 调相位
• 综合调制

拨号调制解调器

• 56kbs的速率直接接入路由器（通常更低）
• 不能同时上网和打电话，不能总是在线

2.接入网（DSL：digital subscriber line）

采用现存的到交换局DSLAM的电话线

• DSL线路上的数据被传到互联网
• DSL线路上的语音被传到电话网

< 2.5 Mbps上行传输速率(typically < 1 Mbps)

< 24 Mbps下行传输速率(typically < 10 Mbps)

依然是使用调制和解调的方式，可以同时上网和打电话。

3.接入网：线缆网络

有线电视信号线缆双向改造

FDM：在不同频段传输不同信道的数据，数字电视和上网数据（上下行）

HFC：hybrid fiber coax

• 非对称：最高30Mbps的下行传输速度，2Mbps的上行传输速度。

线缆和光纤网络将每个家庭接入到ISP路由器。

各用户共享到线缆头端的接入网络

• 与DSL不同，DSL每个用户一个专用线路到CO（central office）

4.住宅接入：电缆模式

3.2无线接入网络

各无线端系统共享无线接入网络（端系统到无线路由器）

• 通过基站或者叫接入点

分类：

• 无线LANs
• 广域无线接入

3.3物理媒体

Bit: 在发送-接收对间传播

物理链路：

• 连接每个发送-接收对之间的物理媒体

导引型媒体:

• 信号沿着固体媒介被导引：同轴电缆、光纤、 双绞线

非导引型媒体：

• 开放的空间传输电磁波或者光信号，在电磁或者光信号中承载数字数据

双绞线 (TP)

• 两根绝缘铜导线拧合
  • 5类：100Mbps 以太网，Gbps千兆位以太网
  • 6类：10Gbps万兆以太网

同轴电缆：

• 两根同轴的铜导线
• 双向
• 基带电缆：
  • 电缆上一个单个信道
  • Ethernet
• 宽带电缆：
  • 电缆上有多个信道
  • HFC

光纤和光缆：

• 光脉冲，每个脉冲表示一个bit，在玻璃纤维中传输
• 高速：
  • 点到点的高速传输（如10Gbps-100Gbps传输速率 ）
• 低误码率：在两个中继器之间可以有很长的距离，不受电磁噪声的干扰
• 安全