哈工大《计算机网络》读书笔记 第一周

Week 1

计算机网络是什么？

计算机网络 = 通信技术 + 计算机技术 （通信网络的信源和信宿换成计算机）

特点：互连的（距离远、数量大时采用交换网络，以路由器、交换机作为交换节点）、自治的（无主从关系）

Internet是什么？

从组成细节角度，Internet是网络之网络（ISP，Internet Service Provider的网络），实现数据的分组交换

从服务的角度，Internet是为网络应用 提供通信服务 的通信基础设施，并为网络应用 提供应用编程接口（API）

网络协议是什么？

是规则，是标准，是约定（进行数据交换），规范了网络中所有信息发送和接收的过程

规定了格式、意义、顺序、动作

协议三要素：语法、语义、时序

计算机网络结构长啥样？

①网络边缘：主机、网络应用

​ 典型模型：客户/服务器（client/server）应用模型、对等应用（P2P）模型

②接入网络、物理介质：有线或无线通信链路

​ 接入网络连接用户到特定的服务提供商，并通过承载网络到达网络核心（如Internet），包括以下类型： ADSL（非对称*数字用户线路：电话网【频分多路复用】）、电缆网络（有线电视网【频分多路复用】）、以太网、无线 局域网（LANS）、广域无线接入（蜂窝无线网）

​ *非对称：上下行速率不同

③网络核心：互联的路由器（或分组转发设备）

​ 关键功能：路由+转发，通过 数据交换 实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机。

举例：Internet结构

网络核心中，数据交换那些事儿?

1、什么是数据交换？

​ 在多个数据终端设备之间，为任意两个终端设备建立数据通信临时互连通路的过程

​ 含义1：使用 交换设备 进行动态转接，通过建立物理上或者逻辑上的端口间连接，将一个端口的数据转移到另一个端口

​ 含义2： 动态地 分配传输资源，实现数据从源主机穿越交换网络到达目的主机的过程

2、为什么要数据交换？

​ 主机直接连接成本过高（N^2）

3、数据交换类型：电路交换、报文交换、分组交换

（1）电路交换

​ 电路交换三个阶段：建立连接（建立）、通信、释放连接（拆除）

​ 独占资源：所占用的（分配到的）电路资源不能被第三方使用（注意！不是物理线路！）

​ 电路交换网络如何实现链路（信道）共享？多路复用 ！

​ ①频分复用（FDM）：各用户占用不同的（频率）带宽资源，用户分配到一定的频带后，自始至终占用这个频带

​ ②时分复用（TDM）：将时间划分为等长的时分复用帧，用户在每个帧中占用固定序号的时隙

​ ③波分复用（WDM）：光的频分多路复用

​ ④码分复用（CDM）：每个用户分配唯一的m bit码片序列（不同用户之间的序列是正交 的），其中用-1表示0，用+1表示1；各用户使用相同频率 的载波，利用各自码片序列编码数据

编码信号 = 原始数据 × 码片序列

​ 我的理解：原始数据采用二进制编码，想要发送一个比特1，实际使用+1参与计算；想要发送比特0，实际使用-1参与计算。因此，发送比特1，即编码信号为自己的m bit码片序列；发送比特0，即编码信号为自己的m bit码片序列的反码。

​ 将各维度的数据乘上相应维度的码片序列，求和得到叠加向量P：

​ 解码时，使用码片序列与编码信号求内积，即得到原始数据。

​

（2）报文交换（如电报）

​ 报文：源（应用）发送信息整体，是所有的数据、信息一次性传递

​

（3）分组交换（如Internet）

​ 分组：报文拆分出来的一系列相对较小的数据包，包括：头 + 数据

​ 分组交换需要对报文进行 拆分 和 重组 ，会产生额外开销

​ 当多个源利用同一条数据链路进行传输时，并不会分配带宽，而是利用全部带宽进行传输。这时的分组序列不是确定的，而是 按需共享链路 。这种的链路共享方式称为 统计多路复用 。

​ 后一节点将数据分组接收过来，暂存，再确定从哪一个链路转发至下一节点的过程，称为 存储-转发 交换方式，报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式。

各种数据交换类型的比较&总结

1、报文交换 vs. 分组交换

分组交换的优势在于：在具有多个中间节点的链路上，报文交换只能等待前一个节点完全传输完成后，才能进行后一个节点的传输；分组交换在多个节点上可以同步进行传输，因此能够提高效率。另一方面，由于报文所占空间较大，需要路由器的缓存也较大。

计算——传输延迟

报文交换：T = M/R*3

分组交换：T = (M/L+2)L/R = M/R + 2L/R

显然，分组交换节省了不少时间；并且由此可以推出跳步数为n时的传输延迟为T = M/R + nL/R

2、电路交换 vs. 分组交换

分组交换的优势在于：由于不独占通信链路，能够允许更多用户同时使用网络；

电路交换的优势在于：能够保证每个申请到通信链路的用户的通信质量

3、分组交换的优势和劣势

分组交换适用于突发数据传输网络（资源充分共享，简单、无须呼叫建立），但在多个用户同时传输大量数据时可能产生 拥塞 问题，使得分组延迟和丢失。需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制。

如何衡量计算机网络的性能？

1、速率（数据率/数据传输速率/比特率）：单位时间传输信息量 [单位：b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s]

​ 我们说的速率一般指额定速率/标称速率

2、带宽：（原指信号具有的频带宽度 = 最高频率 - 最低频率）网络带宽通常指数字信道能传送的最高数据率 [单位：b/s（bps）等]

3、延迟/时延

​ 产生丢包、延迟的原因：分组到达速率超出输出链路容量时，在路由器缓存中排队（时延），如果路由器缓存大小不足，则发生丢包

​ ①结点处理延迟d proc：在结点进行差错检测、确定输出链路等等

​ ②排队延迟d queue：等待输出链路，取决于路由器拥塞程度

​ ③传输延迟d trans：d trans = L/R （与分组长度和链路带宽有关）

​ ④传播延迟d prop：d prop = s/d与物理链路长度和信号传播属于有关

​ d nodal = d proc + d queue + d trans + d props

4、流量强度 = La/R （L：分组长度；R：链路带宽；a：平均分组到达速率）

​ 当La/R~0：平均排队延迟很小；La/R->1：平均排队延迟很大；La/R>1：超出服务能力，平均排队延迟无限大

5、时延带宽积 = 传播时延 × 带宽 = d drop × R（bits），也称为“以比特为单位的链路长度”，用于衡量链路的长度

6、丢包率 = 丢包数/已发分组总数

7、吞吐量（率）：发送端与接收端之间传送数据速率（bit/s）

​ 若有多段链路构成一条链路，则吞吐量取决于其中吞吐量最小的链路（称为 瓶颈链路 ）

什么是计算机网络体系结构？

…从功能上 描述网络结构，而非具体电路上

…是分层结构

…是抽象的

…每层遵循某些 网络协议 完成本层功能

——是计算机网络的各层及其协议的集合

实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

协议：控制两个 对等实体 进行通信的规则集合，是同层之间的，是水平 的

服务：任一层实体需要使用下层 服务，实现本层功能，向上层提供服务，是垂直 的；下一层协议的实现对上一层服务的客户不可见；相邻层通过接口 进行交互，通过服务访问点 SAP 交换原语

什么是OSI参考模型？

——是标准化的理论模型，用于学习，目的是支持 异构网络系统 的互联互通

主机完成所有七个层次的功能，中间系统只需要完成三个层次的功能

实线代表物理链路真实的传输路径，虚线代表逻辑上的数据传输

原始数据自顶向下逐层封装（加头或加尾），在物理层成为比特传播，再逐层解包（去头去尾），吧最终的数据交给用户，封装的目的在于增加控制信息（包括地址、差错检测、协议控制等）

1、物理层

实现每一比特的传输

功能：规范接口特性（机械特性、电气特性、功能特性、规程特性），规定比特编码，定义数据传输速率，实现发送设备和接收设备的比特同步（时钟同步），定义传输模式（单工/半双工/全双工）

2、数据链路层 //以下 “负责” 指该层提供的服务

负责（物理链路直接相连的两个相邻）结点-结点 的（以帧为单位的）数据传输

功能：组帧（加头加尾）——目的是使接收端能从比特流中切分出数据，物理寻址（利用帧中的物理地址标识），流量控制，差错控制，访问/接入控制（利用物理寻址）

3、网络层

负责 源主机 到 目的主机 数据分组交付

功能：逻辑寻址（如IP地址）、路由（路径选择）、实现分组转发（从IP到IP）

4、传输层

将会话层传输的数据拆分、构造成段，再交付给网络层（当然也包括其反过程）

负责源-目的（端-端）的进程间 完整报文传输

功能：报文的分段和重组、SAP寻址（区分不同进程，如：端口号）、连接控制、流量控制、差错控制

5、会话层

可能向表示层的数据流中插入一些同步控制点

功能：对话控制（建立、维护）、同步（恢复数据用）

最“薄”的一层，实际不存在

6、表示层

负责处理两个系统间交换信息的语法与语义 问题

功能：数据表示转化（发送端转化为主机独立的编码，接收端转化为主机相关编码）、加密/解密、压缩/解压缩

实际不存在

7、应用层

为用户提供网络接口，以使用网络服务

最丰富的一层

什么是5层参考模型？

TCP/IP参考模型：

TCP/IP模型没有协议规定网络接口层，只需要包含网际层所需的IP即可，因此带来了巨大的便利

将网络接口层打开，可以得到经典的5层参考模型，综合了OSI和TCP/IP的优势，也是学习的重点

1、应用层 [报文]：支持各种网络应用（FTP、SMTP、HTTP）

2、传输层 [段]：进程-进程的数据传输（TCP、UDP）

3、网络层 [数据报]：源主机到目的主机的数据分组路由与转发（IP协议、路由协议等）

4、链路层 [数据帧]：（物理上）相邻网络元素的数据传输（以太网、WIFI、PPP）

5、物理层：比特传输

数据路径：（源主机）1->2->3->4->5->（交换机）5->4->（路由器）5->4->3->4->5->（目的主机）5->4->3->2->1