计算机网络Chap1 introduction

计算机网络Chap1 introduction

#计算机网络 2023-09-13

目录

1. 什么是互联网？
   1. 互联网："螺母与螺栓 "视角
   2. 互联网：“服务”视角
2. 什么是协议?
3. 网络边缘：主机、接入网络、物理介质
   1. 网络结构
   2. 接入网络
      1. 有线接入
      2. 数字用户线路digital subscriber line(DSL)
      3. 家庭网络
      4. 无线接入网络
         1. 无线局域网（WLANs）
         2. 广域蜂窝接入网
      5. 企业级网络
      6. 数据中心网络
   3. 主机
      1. 发送数据包packets of data
   4. 链路：物理媒介
4. 网络核心：数据包/电路交换、互联网结构
   1. 网络核心
   2. 两个关键的网络核心功能
   3. 分组交换
      1. 存储转发
      2. 排队
   4. 分组交换的替代方案：电路交换
      1. 电路交换： FDM和TDM
   5. 分组交换 vs 电路交换
   6. 互联网结构
      1. 网络中的网络
5. 性能：损耗、延迟、吞吐量

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目录：

• 什么是互联网？
  • 互联网："螺母与螺栓 "视角
  • 互联网：“服务”视角
• 什么是协议?
• 网络边缘：主机、接入网络、物理介质
  • 网络结构
  • 接入网络
    • 有线接入
    • 数字用户线路digital subscriber line(DSL)
    • 家庭网络
    • 无线接入网络
      • 无线局域网（WLANs）
      • 广域蜂窝接入网
    • 企业级网络
    • 数据中心网络
  • 主机
    • 发送数据包packets of data
  • 链路：物理媒介
• 网络核心：数据包/电路交换、互联网结构
  • 网络核心
  • 两个关键的网络核心功能
  • 分组交换
    • 存储转发
    • 排队
  • 分组交换的替代方案：电路交换
    • 电路交换： FDM和TDM
  • 分组交换 vs 电路交换
  • 互联网结构
    • 网络中的网络
• 性能：损耗、延迟、吞吐量

什么是互联网？

• 数十亿台联网计算设备：
  • 主机 = 终端系统
  • 在互联网 "边缘 "运行网络应用程序
• 数据包交换机：转发数据包（数据块）
  • 路由器、交换机
• 通信链路
  • 光纤、铜线、无线电、卫星
  • 传输速率：带宽
• 网络
  • 设备、路由器、链接的集合：由组织管理

互联网："螺母与螺栓 "视角

• 互联网： "网络之网"
  • 互联互通的互联网服务提供商
• 协议无处不在
  • 控制信息的发送和接收
  • 例如，HTTP（网络）、streaming video流媒体视频、Skype、TCP、IP、WiFi、4/5G、Ethernet以太网
• 互联网标准
  • RFC ：Request for Comments 征求意见
  • IETF ：Internet Engineering Task Force 互联网工程任务组

互联网：“服务”视角

• 为应用程序提供服务的基础设施：
  • 网络、流媒体视频、多媒体电话会议、电子邮件、游戏、电子商务、社交媒体、互联设备......
• 为分布式应用程序提供编程接口：
  • 允许发送/接收应用程序 "连接 "和使用互联网传输服务的 "钩子"。
  • 提供服务选项，类似于邮政服务

什么是协议?

人类协议：

• "几点了？"
• "我有个问题
• 介绍

规则：

• 发送的特定信息
• 收到信息时采取的具体行动，或其他事件

网络协议：

• 计算机（设备）而非人类
• 互联网上的所有通信活动都受协议制约

==协议==规定了网络实体之间发送和接收信息的格式和顺序，以及在信息发送、接收和处理过程中采取的行动。

协议的定义：显示格式、收发信息的顺序和采取的行动

网络边缘：主机、接入网络、物理介质

网络结构

• 网络边缘：
  • 主机：客户机和服务器
  • 服务器通常位于数据中心
  • 
• 接入网络、物理介质：
  • 有线、无线通信链路
  • 
• 网络核心：
  • 相互连接的路由器
  • 网络之网
  • 

接入网络

如何将终端系统连接到边缘路由器？

• 住宅接入网
• 机构接入网络（学校、公司）
• 移动接入网络（WiFi、4G/5G）

有线接入

• frequency division multiplexing 频分复用（FDM）：在不同频段传输不同信道

• HFC：hybrid fiber coax混合光纤同轴电缆
  • 非对称：下行传输速率高达 40 Mbps - 1.2 Gbps，上行传输速率为 30-100 Mbps
• 电缆、光纤网络将家庭连接到 ISP 路由器
  • 家庭共享接入网络到电缆头端

数字用户线路digital subscriber line(DSL)

• 使用现有电话线连接中心局 DSLAM
  • 数据通过 DSL 电话线传输到互联网
  • 语音通过 DSL 电话线传输到电话网
• 24-52 Mbps 专用下行传输速率
• 3.5-16 Mbps 专用上行传输速率

家庭网络

无线接入网络

• 共享无线接入网络，将终端系统与路由器连接起来
  • 通过基站，又称 "接入点

无线局域网（WLANs）

• 通常在建筑物内或周围（~100 英尺）
• 802.11b/g/n （WiFi）： 11、54、450 Mbps 传输速率
• 

广域蜂窝接入网

• 由移动、蜂窝网络运营商提供（10 千米）
• 10's Mbps
• 4G/5G 蜂窝网络
• 

企业级网络

• 公司、大学等
• 有线、无线链路技术的混合，连接交换机和路由器的混合（稍后我们将介绍两者的区别）
  • 以太网：100Mbps、1Gbps、10Gbps 的有线接入速率
  • WiFi：11、54、450 Mbps 的无线接入点

数据中心网络

• 高带宽链路（10 到 100 Gbps）将数百到数千台服务器连接在一起，并与互联网相连。
• 
• 

主机

发送数据包packets of data

• 主机发送功能：
  • 接受申请信息
  • 分成长度为 L 比特的小块，称为数据包
  • 以传输速率 R ，将数据包传输到接入网络
    • 链路传输速率，又称链路容量，又称链路带宽

数据包传输延迟 = 传输L位数据包到链路需要的时间 = \(\frac{L(bits)}{R(bits/sec)}\)

链路：物理媒介

• bit 比特：在发射机/接收机对之间传播
• physical link 物理链路：位于发送器和接收器之间的链路
• guided media 引导介质：
  • 信号在固体介质中传播：铜、光纤、同轴电缆
• unguided media 非引导介质：
  • 信号自由传播，如无线电
• 双绞线 (TP)
  • 两根绝缘铜线
  • 5 类：100 Mbps、1 Gbps 以太网
  • 6 类：10Gbps 以太网
• 同轴电缆：
  • 两根同心铜导体
  • 双向
  • 宽带
    • 电缆上有多个频率通道
    • 每个信道 100's Mbps
• 光纤电缆：
  • 携带光脉冲的玻璃纤维，每个脉冲一个比特
  • 高速运行：
    • 点对点高速传输（10-100Gbps）
  • 低错误率：
    • 中继器间距大
    • 不受电磁噪音影响
• 无线无线电
  • 通过电磁频谱中的不同 "波段 "传输信号
  • 无物理 "导线
  • 广播，"半双工"（发送器到接收器）
  • 传播环境影响：
    • 反射
    • 物体阻挡
    • 干扰/噪音
• 无线电链路类型：
  • 无线局域网（WiFi）
    • 10-100's Mbps；10's 米
  • 广域（如 4G/5G 蜂窝网络）
    • 10's Mbps（4G），约 10 千米
  • 蓝牙：电缆替代
    • 短距离，速率有限
  • 地面微波
    • 点对点；45 Mbps 信道
  • 卫星
    • 高达 < 100 Mbps（Starlink）下行链路
    • 270 毫秒终端延迟（地球静止轨道）

网络核心：数据包/电路交换、互联网结构

网络核心

• 网状互联路由器
• 数据包交换：主机将应用层信息分解成数据包
  • 网络将数据包从一个路由器转发到下一个路由器，跨越从源头到目的地路径上的链路

两个关键的网络核心功能

• 数据包头部的目标地址(对应header value)

• forwarding 转发：

  • 又名 "交换
  • 本地操作：将到达的数据包从路由器的输入链路(0111)移动到相应的路由器输出链路(2)

• 路由选择：

  • 全局行动：确定数据包从源到目的地的路径
  • 路由算法

• 

• 

分组交换

存储转发

• 数据包传输延迟：以 R bps 向链路传输（推出）L 位数据包需要 L/R 秒的时间

• 存储和转发：整个数据包必须先到达路由器，然后才能在下一条链路上传输

• 单跳数字示例

  • L = 10 Kbits
  • R = 100 Mbps 带宽：单位时间内能够传输的数据量
  • 单跳传输延迟 = 0.1 毫秒
  • \(\frac{L(bits)}{R(bits/sec)}\)

排队

• 当工作到达的速度快于服务速度时，就会出现排队现象。

• 数据包排队和丢失：如果到达链路的速率（以 bps 为单位）在一段时间内超过了链路的传输速率（以 bps 为单位）：

  • 数据包将排队，等待在输出链路上传输
  • 如果路由器的内存（缓冲区）满了，数据包就会被丢弃（丢失）

分组交换的替代方案：电路交换

• 分配给终端的资源，为源端和目的端之间的 "呼叫 "保留。
  • 在图中，每个链路有四个电路。
  • 呼叫获得顶部链路的第 2 个电路和右侧链路的第 1 个电路。
  • 专用资源：不共享
  • 类似电路（保证）的性能
  • 如果呼叫未使用，则电路段闲置（不共享）
  • 常用于传统电话网络

电路交换： FDM和TDM

• Frequency Division Multiplexing 频分复用（FDM）
  • 将光学、电磁频率划分为（窄）频带
  • 每个呼叫分配自己的频段，可按该窄频段的最大速率进行传输
• Time Division Multiplexing 时分复用（TDM）
  • 将时间划分为若干时段
  • 每个呼叫分配到的周期性时隙，在其时隙内可以（仅）以（更宽）频带的最大速率进行传输

分组交换 vs 电路交换

问：在电路交换和分组交换条件下，有多少用户可以使用这个网络？

• 电路交换：10个用户
• 分组交换：在 35 个用户中，同时有 10 个用户处于活动状态的概率小于 0.0004 *

概率公式：C_n ^k p ^k (1-p)^n-k

分组交换是 "灌篮高手 "吗？

• 非常适合 "突发 "数据 - 有时有数据要发送，但有时没有
  • 资源共享
  • 更简单，无需呼叫设置
• 可能出现过度拥塞：缓冲区溢出导致数据包延迟和丢失
  • 需要可靠的数据传输和拥塞控制协议
• 问：如何利用分组交换提供类似电路的行为？
• 答："这很复杂"。我们将研究各种试图使分组交换尽可能 "类似电路 "的技术。

问：保留资源（电路交换）与按需分配（分组交换）的类比？

互联网结构

网络中的网络

• 主机通过接入互联网服务提供商 Internet Service Providers （ISPs）连接互联网
• 接入互联网服务提供商必须相互连接
• 这样，任何两台主机（在任何地方！）都可以互相发送数据包
• 由此产生的网络之网非常复杂
  • 由经济、国家政策驱动的演变

问题：有数百万个接入互联网服务提供商，如何将它们连接在一起？

方案：将每个接入 ISP 连接到一个全球转接 ISP？

客户和提供商 ISP 有经济协议。

但是，如果一家全球互联网服务提供商的业务是可行的，就会出现竞争者 ....

• 在 "中心"：少量连接良好的大型网络
  • "一级 "商业互联网服务提供商（如 Level 3、Sprint、AT&T、NTT），覆盖全国和国际范围
  • 内容提供商网络（如 Google、Facebook）：将其数据中心连接到互联网的专用网络，通常绕过一级、区域性互联网服务提供商

分组

1. 在同一时间内，网络中可进行的最大连接数是多少？

   11+16+18+19 = 64

2. 假设这些最大连接数都在进行中，当网络收到另一个呼叫连接请求时会发生什么情况，是否会被接受？回答是或否

No

3. 假设每个连接都需要 2 个连续的跳转，并且呼叫是顺时针连接的。例如，一个连接可以从 A 到 C，从 B 到 D，从 C 到 A，再从 D 到 B。在这些限制条件下，网络中在同一时间最多可以有多少个连接！

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4. 假设从 A 到 C 需要 19 个连接，从 B 到 D 需要 11 个连接，我们能否通过四个链路路由这些呼叫，以满足所有 30 个连接的需要？回答 是或否

   Yes

性能：损耗、延迟、吞吐量