【网络】网络通识

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网络的初衷和本质是计算设备连接在一起，共享资源（数据） 。

连接方式

计算设备的主要连接方式有直连和星型两种：

连接方式特点
直连* 速度快、简单
* 链路成本、维护成本极高
* 目前网线的最长大约 100m，一旦过长就会有传输质量、信号衰减的问题。需要中继
* 多方互联的时候，每一方都需要和其它方构建链路
* 新加入一台设备，需要与所有其它设备进行链接
* 多用于局域网测试网络
星型* 每加入一台设备时，只需要将它链接到中心设备
* 把不同网络的中心设备相互链接，就可以实现了两个较远距离网络的通信

网络通常是一个混合结构：

  • 中心设备称为交换结点，通常是路由器或交换机
  • 交换结点构成交换网络，交换网络连接着计算设备，这里的计算设备指一切可接入网络的设备
  • 交换网络的作用是将源主机发送的数据正确的转发到目的主机，称为数据交换。主要由交换结点完成

计算机网络

进一步对网络进行划分：

名称设备
网络边缘主机、网络应用
接入网络，物理介质有线或无线通信链路
网络核心（核心网络）互联的路由器（或分组转发设备）

网络边缘

网络边缘从硬件和软件可分别定义为：

  1. 主机（端系统）：手机、电脑、平板、IoT...
  2. 运行网络应用程序：Web、Email……

网络应用程序可以提供不同的应用模型（不同的服务方式）

客户端/服务器（client/server）应用模型

客户发送请求，接收服务响应：Web、FTP……

  • 服务器拥有所有资源
  • 服务器如果不能承受大量客户端请求，需要扩容，比较困难
  • 服务器随着客户端的增加，服务器的性能断崖式下降（非线性）—— 可扩展性问题
  • 服务器宕机 —— 稳定性问题
  • 服务器或许能承受，网络带宽不能

对等（peer-peer，P2P）应用模型

无（或不仅依赖）专用服务器，主机既是 Client 也是 Server，是对等的。通信在对等的实体之间直接进行：QQ、BT……

接入网络

网络边缘接入网络核心的方式称为接入网络：住宅（家庭）接入网络、机构（学校、企业等）接入网络、移动接入网络。对于网络用户，关心的主要内容有：

  1. 带宽（bandwidth）（bps）
  2. 是共享还是独占？

目前接入网路的方式有很多种，部分如下：

名称接入方式速率特点
数字用户线路DSL利用已有的电话线连接中心局的 DSLAM 。数据通信通过 DSL 电话线接入 Internet；语音（电话）通过 DSL 电话线接入电话网< 2.5 Mpbs 上行传输速率，典型速率 < 1 Mbps> 24 Mpbs 下行传输速率，典型速率 < 10 MbpsFDM（频分多路复用）：在不同频带（载波）上传输不同频道。> 50 kHz - 1 MHz 用于下行； 4 kHz - 50 KHz 用于上行； 0 kHz - 4 KHz 用于传统电话独占到中心局的接入
混合光纤同轴电缆HFC各家庭（设备）通过电缆网络 --> 光纤接入因特网服务提供商（ISP，如电信、移动、联通）的路由器下行高达 300 Mbps 传输速率，上行为 2 Mbps 传输速率各家庭共享家庭到电缆头端的接入网络；
机构（企业）接入网络端系统通常直接连接以太网交换机（switch）典型传输速率：10 Mbps、100 Mbps、1 Gbps、10 Gbps主要用于公司、高校、企业等组织机构
无线接入网络通过共享的无线接入网络连接端系统与路由器，如基站

网络核心

网络核心是互联的路由器网络，关键功能是路由+转发

  • 路由（routing）：确定分组从源到目的传输的路径，由路由算法管理
    • 属于全局的控制层面：表现为对从源到目的整条链路的控制
  • 转发（forwarding）：将分组从路由器的输入端口交换至正确的输出端口
    • 属于局部的数据层面：表现为对完整链路中某个路由器的输入口转发到输出口

网络核心解决的基本问题是：如何实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机？—— 即数据交换

Internet

我们说的 Internet 是全球最大的互联网络。它一方面为网络应用如 Web、email、网络游戏、社交网络提供着通信服务，另一方面为网络应用提供着 API，比如发送、接收文件数据的 API

Internet 组成

  1. 数以百万计的互连的计算设备（电脑、手机、智能手表、摄像头....）的集合，运行着各种网络应用，如 http/https 网站、ftp 服务器、邮件系统等。一般使用【主机】或者【端系统】指代。
  2. 通信链路：光纤、铜缆、无线电、卫星等等一切接入网络的方式
  3. 分组交换：数据交换的一种方式，用于转发分组（数据包），由路由器（routers）和交换机（switches）（交换结点）实现

总的来说，就是主机通过通信链路接入数据交换网络完成通信

数据交换

数据交换除了可以解决主机两两互联的 N2N^2 链路问题：N 台主机要两两互连，需要 N(N−1)2\frac{N(N−1)}{2} 条链路，规模大的时候不切实际，还可以动态分配传输资源

数据交换有以下几种类型：

  1. 电路交换
  2. 报文交换
  3. 分组交换

电路交换

最典型的电路交换网络：电话网络。电路交换的三个阶段：

  1. 建立连接（呼叫/电路建立）
  2. 通信
  3. 释放连接（拆除电路）

电路交换是独占资源的，但也存在共享的中继线。电路交换由于线路建立时间长、不可靠，不适合突发式（burst）的计算机之间的通信

报文交换（message switching）

  • 报文：源（应用）发送的信息整体，如：一个文件
  • 报文交换直接发送信息整体，如果发送信息过大，会占用链路较长时间，阻碍其它用户发送信息

分组交换（package switching）

  • 分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包（packet），每个分组需要额外的分组头
  • 分组交换需要报文的拆分与重组，会产生额外的开销（分组头、拆分、重组）
  • 可能会排队：增加时延，如果中间的交换节点 buffer 满了还会丢包。这个时延和丢包是不确定的
  • 统计多路复用：A & B 在通信链路中的分组序列不确定，按需共享链路

按照有没有连接继续区分，分组交换可分为：

  • 虚电路网路
  • 数据报网络，互联网为数据报网络

虚电路（VC）

在每个小单元都建立连接，先趟一遍找到路径，做好标记（虚电路号，VC号），结合路由器的转发表，之后一直延该路径进行转发

报文交换和分组交换的对比

均采用 存储-转发 的交换方式：

  • 报文交换以完整报文进行存储-转发
  • 分组交换以较小分组进行存储- 转发

对于以下拓扑：

有 M（如 7.5Mb） bits 的报文，链路的传输速率即带宽为 R bits/sec（如 1.5Mbps），路由器数为 n（2，跳步数 h = n + 1 = 3）：

报文交换

直接发送 M bits 报文：

  1. 第一段 M / R = 7.5 / 1.5 = 5 s
  2. 第二段 M / R = 7.5 / 1.5 = 5 s
  3. 第三段 M / R = 7.5 / 1.5 = 5 s

共计：15 s，交换结点需要 M bits = 7.5 Mbits 的缓存大小

分组交换

每个分组（packets）：L bits，如 1500 bits，分组传输延迟（时延）delay = L / R

7.5 Mb 数据将分为 5000 组，每组 1500 bits：

  1. 第 1 个分组，第一段 L/R=15001.5×106=1 msL / R = \frac{1500}{1.5×10^6} = 1\ ms
  2. 第 1 个分组，第二段 1 ms，此时第 2 个分组处于第一段
  3. 第 1 个分组，第三段 1 ms，此时第 2 个分组处于第二段，第 3 个分组处于第一段
  4. 当第 4998 个到达时，第 5000 个分组在第一段
  5. 还需 2 × 1 ms 的时间到达

共计：5002 ms = 5.002 s，交换结点需要 L bits = 1500 bits 的缓存大小

分组交换的报文交付时间： T=MR+(h−1)LR=MR+nLRT=\frac{M}{R}+(h−1)\frac{L}R= \frac{M}R+n\frac{L}R

分组交换一定优于电路交换吗？

  • 分组交换允许更多的用户同时使用网络
  • 分组交换适用于突发数据传输网络
    • 资源充分共享
    • 简单、无需呼叫建立
  • 分组交换可能产生拥塞（congestion）：分组延迟和丢失
    • 需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制

哪怕是电路交换，交换结点之间的链路也需要为多个不同的用户传输数据，但是链路只有一条，交换节点通过多路复用区分这些数据

多路复用

简称复用，是通信技术中的基本概念，为网络提供基础功能支持，作用是将不同用户的数据经过同一信道传输出去。使用数据链路层的多路访问控制协议控制

  • 将链路/网络资源（如带宽）划分为 “资源片”
  • 将资源片分配给各路 “呼叫”
  • 每路呼叫独占分配到的资源片进行通信
  • 资源片可能 “闲置”（无共享）

多路复用有很多种方式，典型的多路复用方法有：

  • 频分多路复用
  • 时分多路复用
  • 波分多路复用
  • 码分多路复用

频分多路复用（FDM）

各用户占用不同的带宽资源（带宽指频率带宽，Hz，区分于数据发送速率） 每个用户分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带

时分多路复用（TDM）

将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧），每个用户在每个 TDM 帧中占用固定序号的时隙 每个用户所占用的时隙是周期性出现的（周期就是 TDM 帧的长度） 所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度

波分多路复用（WDM）

光的频分复用，分的是光波的波长

利用光调制器和光解调器来复用和分用

码分多路复用（CDM）

广泛应用于无限链路共享（蜂窝网、卫星通信等）

每个用户分配一个唯一的 m bit 的码片序列，“0” 用 “-1” 表示，“1” 用 “+1” 表示，如（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）。各用户使用 相同频率载波，利用各自码片序列编码数据。

编码信号 =（原始数据）X（码片序列）

解码：码片序列与编码信号的内积各用户码片序列相互正交，这样非自身码片序列与自身编码信号的内积为:

  • 发送比特 1（+1），则发送自己的 m bit 码片序列
  • 发送比特 0（-1），则发送该码片序列的 m bit 码片序列的反码

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