计算机网络

第一章 计算机网络体系结构

1.1.1 计算机网络的概念

计算机网络(简称网络) : 由若干节点(node) 和连接这些结点的链路(link)组成

• 结点可以是计算机,集线器,交换机,路由器等

• 链路可以是有线链路,无线链路

两个设备通过网线连接起来,就产生了最简单的网络,当多个设备需要连入网络,而设备只有一个网线接口,可以使用集线器

集线器(Hub):

• 可以把多个结点用网线连接起来,组成一个计算机网络

• 普通民用领域已经很少使用集线器(因为使用集线器连接设备易发生数据冲突)

• "集线器"工作在物理层

交换机(Switch):

• 可以把多个结点连接起来,组成一个计算机网络 (不会产生数据冲突)

• 家庭,公司,学校常用交换机组建内部网络

• "交换机"工作在数据链路层

路由器(router):

• 可以把两个或多个计算机网络互相连接起来,形成规模更大的计算机网络,也可以成为"互连网"

• 路由器工作在网络层

 

计算机网络课程中的"路由器"和"家用路由器"有一些区别.家用路由器 = 路由器 + 交换机 + 其他功能

ISP:Internet Service Provider,即互联网服务提供商,如中国电信/联通/移动

互联网(或因特网,Internet):由各大ISP和国际机构组建的,覆盖全球范围的互连网(internet)

互联网必须使用TCP/IP协议通信,互连网可以使用任意协议通信

1.1.2计算机网络的组成和功能

计算机网络的组成

从组成部分看:

• 硬件

  • 主机,即端系统(end system):如电脑,手机,物联网设备

  • 通信设备:如集线器,交换机,路由器

  • 通信链路:如网线,光纤,同轴电缆

• 软件:方便用户使用,实现资源共享:如:Email客户端,聊天软件,网盘软件

• 协议:

  • 规定计算机网络中的通信规则

  • 由硬件,软件共同实现,如:网络适配器(网卡) + 软件 实现网络通信协议

网络适配器(网卡)的作用 :

• 将主机数据发到网络上

• 接收来自网络的数据

从工作方式看:

边缘部分:

• 工作方式:直接为用户服务(通信,资源共享)

• 主要由连接到互联网上的主机及其软件组成

核心部分:

• 工作方式:为边缘部分提供服务(连通性,交换服务)

• 由大量网络和连接这些网络的路由器组成

从逻辑功能上看

资源子网:

• 计算机网络中运行的应用程序,向用户提供可共享的硬件,软件和信息资源的部分

• 主要由连接到互联网上的主机组成

通信子网:

• 计算机网络中负责计算机间信息传输的部分.即把计算机和其他用户装置互联在一起的所有通信设备和介质的总称

• 主要由 通信链路+通信设备+协议 构成

• 注:主机内部实现信息传输的网络适配器,底层协议 属于通信子网的范畴

计算机网络的功能

• 数据通信:实现计算机之间的数据传输.是最基本,最重要的功能

• 资源共享:硬件(智能音箱,请求服务器处理),软件(应用商店),数据资源(分享视频)

• 分布式处理:将某个复杂任务分配给网络中的多台计算机处理 , 如大矩阵运算,MapReduce

• 提高可靠性:网络中各台计算机互为替代机,如:某网盘服务器集群网络,数据冗余备份

• 负载均衡:网络中各台计算机共同分担繁重工作,如:某游戏用多台服务器均衡处理玩家请求

• 其他:满足社会需求,生活需求,如:远程办公,远程教育,娱乐等

1.1.3.1 电路交换,报文交换,分组交换

"电路交换":适用于低频次,大量地传输数据

优点:

• 通信前从主叫端到被叫端建立一条专属的物理通路,在通信的全部时间内,两个用户始终占用端到端的线路资源.数据直送,传输速率高

缺点:

• 建立/释放连接,需额外的时间开销

• 线路被通信双方独占,利用率低

• 线路分配的灵活性差

• 交换结点不支持"差错控制"(无法发现传输过程中发生的数据错误)

"报文交换":

优点:

• 通信前无需建立连接

• 数据以"报文"为单位被交换节点"存储转发",通信线路可以灵活分配

• 在通信时间内,两个用户无需独占一整条物理线路.相比于电路交换,线路利用率高

缺点:

• 保温不定长,不方便存储转发管理

• 长报文的存储转发时间开销大,缓存开销大

• 长报文容易出错,重传代价高

"分组交换":

1.1.3.2 三种交换方式性能对比

	电路交换	报文交换	分组交换
完成传输所需时间	最少	最多	较少
存储转发时延	无	较高	较低
通信前是否需要建立连接	是	否	否
缓存开销	无	高	低
是否支持差错控制	不支持	支持	支持
报文数据有序到达?	是	是	否
是否需要额外控制信息	否	是	是(控制信息占比最大)
线路分配灵活性	不灵活	灵活	非常灵活
线路利用率	低	高	非常高

1.1.4计算机网络的分类

按分布范围分类 :

• 广域网(WAN):

  • 范围:几十~几千公里

  • 跨省/跨国/跨洲

• 城域网(MAN)

  • 范围:几千米~几十千米

  • 一个或几个相邻的城市

  • 通信技术:常采用"以太网技术",因此常并入局域网范畴探讨

• 局域网(LAN)

  • 范围:几十米~几千米

  • 学校/企业/工作单位/家庭

  • 通信技术:以太网技术

• 个域网(PAN)

  • 范围:几十米以内

  • 家庭/个人

  • 通常是通过无线技术将个人设备连接起来的网络,因此也常称为无线个域网(WPAN)

• 注:如今的局域网几乎都是采用"以太网技术"实现,因此"以太网"几乎成了"局域网"的代名词

按传输技术分类 :

• 广播式网络:当一台计算机发送数据分组时,广播范围内所有计算机都会收到该分组,并通过检查分组的目的地址决定是否接收该分组

  • Eg:所有无线网络都是"广播式"

• 点对点网络:数据只会从发送方"点对点"发送到接收方,精准送达

  • Eg:路由器转发的数据分组

按拓扑结构分类 :

• 总线型:数据"广播式"传输;存在"总线争用"问题

  • 典型代表:集线器连接的设备

• 环形:数据"广播式"传输;通过"令牌"解决总线争用问题,令牌顺环形依次传递,拿到令牌者可使用总线

  • 典型代表:令牌环网(流行于2000年以前的局域网技术)

• 星形:由中央设备实现数据的"点对点"传输;不存在"总线争用"问题

  • 典型代表:以太网交换机连接的设备

• 网状:数据通过各中间节点逐一存储转发;属于"点到点"传输

  • 典型代表:由众多路由器构建的广域网

按使用者分类 :

• 公用网 :向公众开放的网络.如:办宽带,交手机话费即可使用的互联网

• 专用网 :仅供某个组织内部使用的网络.如:政府,军队,电力,银行的内部网络

按传输介质分类 :

• 有线网络:如:网线,光纤

• 无线网络:如:5G,WiFi,卫星

1.1.5 计算机网络的性能指标

性能指标1:速率

速率(speed):指连接到网络上的节点在信道上传输数据的速率.也称数据率或比特率,数据传输速率

速率单位:bit/s或b/s或bps

• 注意:有时也会用B/s(1B = 8b,B = Byte 字节 , b = bit 比特)

性能指标2:带宽

带宽(bandwidth):某信道所能传送的最高数据率

性能指标3:吞吐量

吞吐量(Throughput) : 指单位时间内通过某个网络(或信道,接口)的实际数据量,吞吐量受带宽限制,受复杂的网络负载情况影响

性能标准4:时延

时延(Delay):指数据(一个报文或分组,甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间.有时也称为延迟或迟延

• 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

  • 发送时延:又名传输时延 , 节点将数据推向信道所花费的时间

  • 传播时延 : 电磁波在信道中传播一定距离所花费的时间

  • 处理时延 : 被路由器处理所花的时间(如:分析首部,查找储存转发表)

  • 排队时延 : 数据排队进入,排队发出路由器所花的时间

1.2.1 计算机网络分层结构

网络的体系结构(Network Architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合,就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义(不涉及实现)

实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下,用何种硬件或软件完成这些功能的问题

• 体系结构是抽象的,实现是具体的

物理层,数据链路层,网络层,传输层,应用层

实体:在计算机网络的分层结构中,第n层中的活动元素(软件 + 硬件)通常称为第n层实体.不同机器上的同一层称为对等层,同一层的实体称为对等实体

协议,即网络协议(Network Protocol),是控制对等实体之间进行通信的规则的集合,是水平的

接口:即同一节点内相邻两层实体交换信息的逻辑接口,又称为服务访问点(Service Access Point,SAP)

服务:服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用,它是垂直的

第二章 物理层

2.1.1 通信基础基本概念

物理层任务 : 实现相邻节点之间比特(0或1)的传输

信源 : 信号的来源(即数据的发送方)

信宿 : 信号的"归宿"(即数据的接收方)

信号 : 数据的载体

• 数字信号 : 信号值是离散的

• 模拟信号 : 信号值是连续的

信道 : 信号的通道 , 一条物理线路通常包含两条信道 , 即发送信道 , 接收信道

数据 : 即信息的实体 ( 如 : 文字 , 声音 , 图像) , 在计算机内部数据通常是二进制

码元 : 每一个信号就是一个"码元"

可以把"信号周期"称为"码元宽度"

一个信号(码元)携带多个比特的数据:

• 优点 : 每个"信号周期"可以传输更多信息.换句话说,每个码元可以携带更多信息

• 代价 : 需要加强信号功率,并且对信道的要求更高

如果一个码元(即一个信号)可能有4种状态 , 那么可以称其为 4进制码元(一个码元携带2bit数据)

类似地 , 如果一个码元(即一个信号)可能有8种状态 , 那么可以称其为 8进制码元(一个码元携带3bit数据)

一个码元可以携带多少比特数据?

• 如果一个"周期"内可能出现K种信号,则:

• 1码元 = log2 K bit

速率(数据传输速率):

波特率 :每秒传输几个码元 ,单位:码元/秒 或 波特(Baud)

比特率 : 每秒传输几个比特 , 单位:bit/s 或 b/s 或 bps

内在联系 : 一个码元携带?比特

2.1.2 信道的极限容量

回顾:带宽

• 在<<计算机网络>>中 :

带宽(bandwidth) : 表示某信道所能通过的"最高数据率"

单位:bps 或 b/s 或 bit/s ; 可加上数量前缀 k M G T

• 在<<通信原理>> 中(通信领域的一门基础学科) :

带宽(bandwidth) : 表示某信道允许通过的信号频带范围

单位 : Hz ;可加上数量前缀 k M G T

• 本质一样 : 信道带宽越大 , 传输数据的能力越强

 

噪声 : 对信道产生干扰 , 影响信道的数据传输效率

奈奎斯特定理(奈氏准则) : 对于一个 理想低通信道(没有噪声 ,带宽有限的信道),

极限波特率 = 2W (单位 : 波特,即码元/s)

可得到 : 若一个周期内可能出现K种信号 , 极限比特率 = 2W * log2 K bit/s

• W是信道的频率带宽(单位 : Hz)

香农定理 : 对于一个有噪声,带宽有限的信道,

极限比特率 = Wlog2(1 + S/N) 单位 : b/s

• W 是信道的频率带宽(单位 : Hz)

• S/N = 信噪比 = 信号的功率 / 噪声的功率 S : Signal N : Noise

• 信噪比越高 , 噪声对数据传输的影响越小

• 在通信领域,信号功率往往比噪声功率大得多,如:网线信号功率>10W,电场,磁场噪声干扰极小,导致信噪比数值过大

• 采用无单位记法 : 信噪比 = S/N = 10000000000000000000(19个0)

• 采用分贝记法:信噪比 = 10 log10 S/N = 190dB(分贝)

• 注意 : 使用香农定理时 , 要采用无单位记法

奈奎斯特定理说明:

• 如果波特率太高 , 会导致 " 码间干扰",即接收方无法识别码元

• 带宽越大 , 信道传输码元的能力越强

• 奈奎斯特定理并未对一个码元最多可以携带多少比特做出解释

香农定理说明:

• 提升信道带宽 , 加强信号功率 , 降低噪声功率 , 都可以提高信道的极限比特率

• 结合奈奎斯特定理, 可知,在带宽 ,信噪比确定的信道上,一个码元可以携带的比特数是有上限的

2.1.3 编码和调制

信源-->变换器-->信道-->反变换器-->信宿

• 变换器 : 将二进制数据转换为信号

• 反变换器 : 将信号转换为二进制数据

• 数字信号

  • 编码 : 二进制数据-->数字信号

  • 解码 : 数字信号-->二进制数据

• 模拟信号

  • 调制 : 二进制数据-->模拟信号

  • 解调 : 模拟信号-->二进制数据

• 有线网络适配器(编码-解码器) ,也就是有线网卡

• 光猫(调制-解调器)

常用的编码方法 :

不归零编码(NRZ) : 低0高1,中不变(除了数据线,还要添加一条时钟线)

归零编码(RZ) : 低0高1,中归零(归零起到时钟的作用)

反向非归零编码(NRZI) : 跳0不跳1看起点,中不变(NRZI = Non-Return-to-Zero Inverted)

曼彻斯特编码:跳0反跳1看中间,中必变(①上0下1 ②下0上1)

差分曼彻斯特编码:跳0不跳1看起点,中必变(在每个信号周期之间跳变好处:①作为时钟信号②让信号的抗干扰能力变强)

	自同步能力	浪费带宽?	抗干扰能力
不归零编码	无	不浪费	弱
归零编码	有	浪费	弱
反向非归零编码	若增加冗余位(eg:8+1bit),可支持自同步	浪费一点,但不多	弱
曼彻斯特编码	有	浪费	强
差分曼彻斯特编码	有	浪费	强

• 自同步能力 : 信源和信宿可以根据信号完成"节奏同步",无需时钟信号

常用的调制方法

2.2传输介质(transmission medium)

常用的传输介质:

• 导向型 : 双绞线 , 同轴电缆 , 光纤

• 非导向型 : 无线传输介质

双绞线(Twisted Pair):

• 主要构成 : 两根导线相互绞合而成

  • 有屏蔽层 = 屏蔽双绞线(STP,Shielded)

  • 没有屏蔽层 = 非屏蔽双绞线(UTP,Unshielded)

• 抗干扰能力 : 较好. 绞合,屏蔽层可以提升抗电磁干扰能力

• 代表应用:近些年的局域网,早期的电线

同轴电缆:

• 主要构成:内导体(用于传输信号) + 外导体屏蔽层(用于抗电磁干扰)

• 抗干扰能力:好 屏蔽层带来良好的抗干扰性

• 代表应用:早期局域网,早期有线电视

• 内导体越粗,电阻越低,传输过程中信号衰减越少,传输距离越长

2.3 物理层设备

中继器(Repeater)

• 中继器只有两个端口, 通过一个端口接收信号,将失真信号整形再生,并转发至另一个端口(信号再生会产生一定时延)

• 仅支持半双工通信(两端连接的结点不可同时发送数据,会导致"冲突")

• 中继器两个端口对应两个"网段"

• Eg:物理层"电气特性"规定----0.5~1.5V是低电平,4.5~5.5V是高电平,不符合此标准的信号视为无效.中继器接收到信号后,会将低电平整形为1V,将高电平整形为5V,然后再输出

集线器(Hub)

• 本质上是多端口中继器.集线器将其中一个端口接收到的信号整形再生后,转发到所有其他接口

• 各端口连接的结点不可同时发送数据,会导致冲突

• 集线器的N个端口对应N个"网段",各网段属于同一个"冲突域"