计算机网络概述

05 Mar 2019 3745字 13分
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什么是计算机网络

计算机网络(computer network)是自主计算机的互连集合。（ANDREW S. TANENBAUM）

计算机网络是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功 能独立的多个计算机系统***连接***起来，以功能完善的网络软件实现网络的硬件、软件及资源共享和信息传递的系统。 简单来说就是连接两台或多台计算机进行通信的系统。（维基百科）

直接连接的网络

点到点网络 (point-to-point network)

  • 单向（simplex）：通信线路上的数据按单一方向传送
  • 半双工（half duplex）：一段时间内只有一边向另一边传送，如对讲机
  • 全双工（full duplex）：接收数据的同时也能传送数据，如电话

多路访问网络 (multiple access network)

  • 单播（unicast）：每个时刻一个站点发送一个站点接收的通信方式
  • 多播（multicast）：一对多的通信方式
  • 广播（broadcast）：一对所有的通信方式

点到点网络： 1

多路访问网络： 2

3 四个，ABE 共享链路为一个直连网，BC 点到点连接为一个直连网，CDF 共享链路为一个，FG 点到点连接为一个，共四个直连网。

间接连接的网络

  • 中间节点、路由器(router)
  • 包(packet)
  • 存储转发(store-and-forward)
  • 路由选择(routing)
  • 路由(route)
  • 目的地(destination),下一跳(next hop)
  • 路由表(routing table)

网络互连

用路由器(或网关)连接起来构成的网络称为互连网络(internetwork 或 internet)。因特网 (Internet) 是一种互连网络。

flowchart TB
路由器---网络1
路由器---网络2
路由器---网络3
  • 系统域网(System Area Network, SAN)
  • 局域网(Local Area Network, LAN)：一般限定在较小的区域内（小于 10km 的范围），通常采用有线的方法连接起来。实验室一般采用局域网的连网方式。
  • 城域网(Metropolitan Area Network, MAN)：规模局限在一座城市的范围内。

  • 广域网(Wide Area Network, WAN)：网络跨越国界、洲界，甚至遍及全球范围。因特网属于广域网 WAN。

  • 个人区域网（PAN）：一般指家庭一台或多台电脑所使用的网络。
  • 无线局域网（WLAN）：是指通过无线设备建立的，给支持无线通信的设备使用的，比如无线网卡，或手机上的 WIFI。

什么是因特网

ISP ( Internet Service Provider)，即因特网服务提供商。顶层 ISP 也称为主干网。第 2 层 ISP 是更小的 ISP(常常是区域 ISP)，是顶层 ISP 的客户，可 以连到顶层 ISP 或其它第 2 层 ISP。终端系统可以通过第 2 层 ISP 或本地 ISP 网络(接入网络)连 入互联网。

  • 终端系统(end system)：主机
    • 运行网络应用程序 (例如，浏览器)
  • 通信链路(communication link)
    • 光纤, 铜线, 无线电, 卫星
    • 传输速率=带宽

  • 路由器(router)

  • network core – 主干网
  • access network – 接入网
  • network edge – 网络边界(主机及网络程序)

网络提供的服务

数据链路层一般都提供 3 种基本服务，即无确认的无连接服务、有确认的无连接服务、有确认的面向连接的服务。

  • 无确认的无连接服务 无确认的无连接服务是源机器向目的机器发送独立的帧，而目的机器对收到的帧不作确认。如果由于线路上的噪声而造成帧丢失，数据链路层不作努力去恢复它，恢复工作留给上层去完成。这类服务适用于误码率很低的情况，也适用于像语音之类的实时传输，实时传输情况下有时数据延误比数据损坏影响更严重。大多数局域网在数据链路层都使用无确认的无连接服务。
  • 有确认的无连接服务 这种服务仍然不建立连接，但是所发送的每一帧都进行单独确认。以这种方式，发送方就会知道帧是否正确地到达。如果在某个确定的时间间隔内，帧没有到达，就必须重新发此帧。
  • 有确认的面向连接的服务 采用这种服务，源机器和目的机器在传递任何数据之前，先建立一条连接。在这条连接上所发送的每一帧都被编上号，数据链路层保证所发送的每一帧都确实已收到。而且，它保证每帧只收到一次，所有的帧都是按正确顺序收到的。面向连接的服务为网络进程间提供了可靠地传送比特流的服务。

可靠的服务包括：

  • 文件传输
  • 浏览网页
  • 电子邮件
  • 电子商务

不可靠的服务包括：

  • 视频直播
  • IP 电话
  • 网络会议

面向连接的服务，无连接的服务

有确认的服务，无确认的服务 在有确认的服务中，作为对请求原语的反应，接收方要发出一个明确的响应原语。

数据报服务：无连接无确认

请求响应和消息流服务

下面的电信模式分别使用的服务类型：

普通邮件：无连接无确认的服务（尽力服务） 电话：面向连接的服务 快件：无连接有确认的服务

因特网体系结构

  • 应用层：提供对某些专门应用的支持，如文件服务（ftp），邮件（smtp），网页（http）
  • 传输层：进程之间的数据传送（端到端，end-to-end），如 TCP,UDP
  • 网络层：路由选择，实现到互连网中的数据传送（主机到主机,host-to-host），如 IP，routing protocols
  • 数据链路层：在物理网络中传送包（跳到跳，hop-to-hop 节点到节点 node-to-node），ppp，Ethernet
  • 物理层：线上的比特（传送原始比特流）

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  • 每一层都可以有多个协议，每个协议都可以使用下层提供的服务并为上层提供服务。
  • 同一个互连网络中要求网络层协议相同而链路层协议可以不同
  • 应用层对应消息 message
  • 传输层对应数据段 segment
  • 网络层对应数据报 datagram
  • 链路层对应帧 frame 然后将 source 封装起来，从一个主机经过网络层从高到低发送出去，到达另外一个主机，由低到高到达应用层。

ISO/OSI 参考模型

一般网络体系结构（OSI 参考模型）将网络协议分为七层；TCP/IP 体系结构将网络协议分为五层。因特网没有这两层，如果需要，可以在应用程序中实现。

  • 表示层(presentation): 提供数据转换服务, 例如，加密解密，压缩解压缩，数据 格式变换
  • 会话层(session): 简化会话实现机制，例如，数据流的检查点设置和回滚以及多 数据流同步。

网络性能分析：延迟和丢包

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当一个包到达时如果有空闲缓存则排队等待转发，产生延迟(delay)。如果没有空闲缓存，则丢弃该包，造成丢失 (loss)

包交换（packet-switching）中的延迟

节点延迟：d(nodal) = d(proc) + d(queue) + d(trans) + d(prop)

  1. 处理延迟（processing）
    • 检查比特错
    • 确定输出链路
  2. 排队延迟（queueing）
    • 在输出链路队列等待发送
    • 依赖于路由器的拥塞程度
  3. 传输延迟（transmission delay）
    • 包长（bits）/链路带宽（bps），也称为发送延迟
  4. 传播延迟（propagation delay）
    • 物理链路长度/信号传播速度（~2*10^8m/sec)9

带宽和吞吐量

  • 带宽（bandwidth）：一条链路可达到的最大数据传送速率（bits per second,bps)
  • 吞吐量（throughput)：发送者和接收者之间的数据传送速率（bps）
    • 瞬时吞吐量：某个时刻的数据速率
    • 平均吞吐量：在某个较长时期的数据速率

注：一条链路的带宽(bandwidth)一定大于等于其吞吐量(throughput)

例题

一条点到点链路长 200 公里，传播速度为 2×10^8 米/秒。如果发送一个 100 字节的包， 以多少带宽(bps)它的传播延迟(propagation delay)会等于其传输延迟(transmit delay)?（只 写最后结果，单位为 Kbps）

8 * 100 / X（bps） = 200*1000/（2×10^8）= 1 / 1000
X = 800000bps = 800Kbps

一条点到点链路长 200 公里，传播速度为 2×10^8 米/秒，带宽为 100Mbps。发送一个 20000 比特的包通过该链路需要多长时间(ms)?  考虑从第一位发送到收到最后一位的时间。

200000/200000000+20000/100000000=1ms+0.2ms = 1.2ms

如果一个长度为 3000 字节的文件用一个数据包从源主机通过一段链路传给了一个交换 机（采用 store-and-forward 方式),然后再通过第二段链路到达目的主机。如果在包交换 机的延迟为 2ms,  两条链路上的传播延迟都是 2×10^8 米/秒,带宽都是 1Mbps,  长度都是 6,000 公里。问这个文件在这两台主机之间的总延迟是多少？

在源主机发出和交换机发出之后，均包括传输延迟和传播延迟，所以需要*2，结果为 110ms。

（存储转发方式：收到整个包再发送）

假定 12 个包同时到达包交换机的输出接口，此时并没有任何包在此输出接口处发送或 排队。如果每个数据包的长度都是 300 字节，该接口的带宽为 1Mbps。这些数据包的平 均排队延迟是多少?

每个包的发送时间为 300bytes/1Mbps，即 2.4ms。

第一个排队时间为 0，第二个包的排队时间为 12.4ms，…，第 12 包的排 队时间为 112.4ms。

因此，平均排队时间为： (0+……+11)2.4/12 =662.4ms/12=13.2ms