Week 1

計算機網路是什麼？

計算機網路 = 通訊技術 + 計算機技術 （通訊網路的信源和信宿換成計算機）

特點：互連的（距離遠、數量大時採用交換網路，以路由器、交換機作為交換節點）、自治的（無主從關係）

Internet是什麼？

從組成細節角度，Internet是網路之網路（ISP，Internet Service Provider的網路），實現資料的分組交換

從服務的角度，Internet是為網路應用 提供通訊服務 的通訊基礎設施，併為網路應用 提供應用程式設計介面（API）

網路協議是什麼？

是規則，是標準，是約定（進行資料交換），規範了網路中所有資訊傳送和接收的過程

規定了格式、意義

協議三要素：語法、語義、時序

計算機網路結構長啥樣？

①網路邊緣：主機、網路應用

​ 典型模型：客戶/伺服器（client/server）應用模型、對等應用（P2P）模型

②接入網路、物理介質：有線或無線通訊鏈路

​ 接入網路連線使用者到特定的服務提供商，並通過承載網路到達網路核心（如Internet），包括以下型別： ADSL（非對稱*數字使用者線路：電話網【頻分多路複用】）、電纜網路（有線電視網【頻分多路複用】）、乙太網、無線 區域網（LANS）、廣域無線接入（蜂窩無線網）

​ *非對稱：上下行速率不同

③網路核心：互聯的路由器（或分組轉發裝置）

​ 關鍵功能：路由+轉發，通過 資料交換

舉例：Internet結構

網路核心中，資料交換那些事兒?

1、什麼是資料交換？

​ 在多個數據終端裝置之間，為任意兩個終端裝置建立資料通訊臨時互連通路的過程

​ 含義1：使用 交換裝置 進行動態轉接，通過建立物理上或者邏輯上的埠間連線，將一個埠的資料轉移到另一個埠

​ 含義2： 動態地 分配傳輸資源，實現資料從源主機穿越交換網路到達目的主機的過程

2、為什麼要資料交換？

​ 主機直接連線成本過高（N^2）

3、資料交換型別：電路交換、報文交換、分組交換

（1）電路交換

​ 電路交換三個階段：建立連線（建立）、通訊、釋放連線（拆除）

​ 獨佔資源

​ 電路交換網路如何實現鏈路（通道）共享？多路複用 ！

​ ①頻分複用（FDM）：各使用者佔用不同的（頻率）頻寬資源，使用者分配到一定的頻帶後，自始至終佔用這個頻帶

​ ②時分複用（TDM）：將時間劃分為等長的時分複用幀，使用者在每個幀中佔用固定序號的時隙

​ ③波分複用（WDM）：光的頻分多路複用

​ ④碼分複用（CDM）：每個使用者分配唯一的m bit碼片序列（不同使用者之間的序列是正交 的），其中用-1表示0，用+1表示1；各使用者使用相同頻率 的載波，利用各自碼片序列編碼資料

​ 我的理解：原始資料採用二進位制編碼，想要傳送一個位元1，實際使用+1參與計算；想要傳送位元0，實際使用-1參與計算。因此，傳送位元1，即編碼訊號為自己的m bit碼片序列；傳送位元0，即編碼訊號為自己的m bit碼片序列的反碼。

​ 將各維度的資料乘上相應維度的碼片序列，求和得到疊加向量P：

​ 解碼時，使用碼片序列與編碼訊號求內積，即得到原始資料。

​

（2）報文交換（如電報）

​ 報文：源（應用）傳送資訊整體，是所有的資料、資訊一次性傳遞

​

（3）分組交換（如Internet）

​ 分組：報文拆分出來的一系列相對較小的資料包，包括：頭 + 資料

​ 分組交換需要對報文進行 拆分 和 重組 ，會產生額外開銷

​ 當多個源利用同一條資料鏈路進行傳輸時，並不會分配頻寬，而是利用全部頻寬進行傳輸。這時的分組序列不是確定的，而是 按需共享鏈路 。這種的鏈路共享方式稱為 統計多路複用 。

​ 後一節點將資料分組接收過來，暫存，再確定從哪一個鏈路轉發至下一節點的過程，稱為 儲存-轉發 交換方式，報文交換與分組交換均採用儲存-轉發交換方式。

各種資料交換型別的比較&總結

1、報文交換 vs. 分組交換

分組交換的優勢在於：在具有多箇中間節點的鏈路上，報文交換隻能等待前一個節點完全傳輸完成後，才能進行後一個節點的傳輸；分組交換在多個節點上可以同步進行傳輸，因此能夠提高效率。另一方面，由於報文所佔空間較大，需要路由器的快取也較大。

計算——傳輸延遲

報文交換：T = M/R*3

分組交換：T = (M/L+2)L/R = M/R + 2L/R

顯然，分組交換節省了不少時間；並且由此可以推出跳步數為n時的傳輸延遲為T = M/R + nL/R

2、電路交換 vs. 分組交換

分組交換的優勢在於：由於不獨佔通訊鏈路，能夠允許更多使用者同時使用網路；

電路交換的優勢在於：能夠保證每個申請到通訊鏈路的使用者的通訊質量

3、分組交換的優勢和劣勢

分組交換適用於突發資料傳輸網路（資源充分共享，簡單、無須呼叫建立），但在多個使用者同時傳輸大量資料時可能產生 擁塞 問題，使得分組延遲和丟失。需要協議處理可靠資料傳輸和擁塞控制。

如何衡量計算機網路的效能？

1、速率（資料率/資料傳輸速率/位元率）：單位時間傳輸資訊量 [單位：b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s]

​ 我們說的速率一般指額定速率/標稱速率

2、頻寬：（原指訊號具有的頻頻寬度 = 最高頻率 - 最低頻率）網路頻寬通常指數字通道能傳送的最高資料率 [單位：b/s（bps）等]

3、延遲/時延

​ 產生丟包、延遲的原因：分組到達速率超出輸出鏈路容量時，在路由器快取中排隊（時延），如果路由器快取大小不足，則發生丟包

​ ①結點處理延遲d proc：在結點進行差錯檢測、確定輸出鏈路等等

​ ②排隊延遲d queue：等待輸出鏈路，取決於路由器擁塞程度

​ ③傳輸延遲d trans：d trans = L/R （與分組長度和鏈路頻寬有關）

​ ④傳播延遲d prop：d prop = s/d與物理鏈路長度和訊號傳播屬於有關

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

4、流量強度 = La/R （L：分組長度；R：鏈路頻寬；a：平均分組到達速率）

​ 當La/R~0：平均排隊延遲很小；La/R->1：平均排隊延遲很大；La/R>1：超出服務能力，平均排隊延遲無限大

5、時延頻寬積 = 傳播時延 × 頻寬 = d drop × R（bits），也稱為“以位元為單位的鏈路長度”，用於衡量鏈路的長度

6、丟包率 = 丟包數/已發分組總數

7、吞吐量（率）：傳送端與接收端之間傳送資料速率（bit/s）

​ 若有多段鏈路構成一條鏈路，則吞吐量取決於其中吞吐量最小的鏈路（稱為 瓶頸鍊路 ）

什麼是計算機網路體系結構？

…從功能上 描述網路結構，而非具體電路上

…是分層結構

…是抽象的

…每層遵循某些 網路協議 完成本層功能

——是計算機網路的各層及其協議的集合

實體：任何可傳送或接收資訊的硬體或軟體程序

協議：控制兩個 對等實體 進行通訊的規則集合，是同層之間的，是水平 的

服務：任一層實體需要使用下層 服務，實現本層功能，向上層提供服務，是垂直 的；下一層協議的實現對上一層服務的客戶不可見；相鄰層通過介面 進行互動，通過服務訪問點 SAP 交換原語

什麼是OSI參考模型？

——是標準化的理論模型，用於學習，目的是支援 異構網路系統 的互聯互通

主機完成所有七個層次的功能，中間系統只需要完成三個層次的功能

實線代表物理鏈路真實的傳輸路徑，虛線代表邏輯上的資料傳輸

原始資料自頂向下逐層封裝（加頭或加尾），在物理層成為位元傳播，再逐層解包（去頭去尾），吧最終的資料交給使用者，封裝的目的在於增加控制資訊（包括地址、差錯檢測、協議控制等）

1、物理層

實現每一位元的傳輸

功能：規範介面特性（機械特性、電氣特性、功能特性、規程特性），規定位元編碼，定義資料傳輸速率，實現傳送裝置和接收裝置的位元同步（時鐘同步），定義傳輸模式（單工/半雙工/全雙工）

2、資料鏈路層 //以下 “負責” 指該層提供的服務

負責（物理鏈路直接相連的兩個相鄰）結點-結點 的（以幀為單位的）資料傳輸

功能：組幀（加頭加尾）——目的是使接收端能從位元流中切分出資料，物理定址（利用幀中的實體地址標識），流量控制，差錯控制，訪問/接入控制（利用物理定址）

3、網路層

負責 源主機 到 目的主機 資料分組交付

功能：邏輯定址（如IP地址）、路由（路徑選擇）、實現分組轉發（從IP到IP）

4、傳輸層

將會話層傳輸的資料拆分、構造成段，再交付給網路層（當然也包括其反過程）

負責源-目的（端-端）的程序間 完整報文傳輸

功能：報文的分段和重組、SAP定址（區分不同程序，如：埠號）、連線控制、流量控制、差錯控制

5、會話層

可能向表示層的資料流中插入一些同步控制點

功能：對話控制（建立、維護）、同步（恢復資料用）

最“薄”的一層，實際不存在

6、表示層

負責處理兩個系統間交換資訊的語法與語義 問題

功能：資料表示轉化（傳送端轉化為主機獨立的編碼，接收端轉化為主機相關編碼）、加密/解密、壓縮/解壓縮

實際不存在

7、應用層

為使用者提供網路介面，以使用網路服務

最豐富的一層

什麼是5層參考模型？

TCP/IP參考模型：

TCP/IP模型沒有協議規定網路介面層，只需要包含網際層所需的IP即可，因此帶來了巨大的便利

將網路介面層開啟，可以得到經典的5層參考模型，綜合了OSI和TCP/IP的優勢，也是學習的重點

1、應用層 [報文]：支援各種網路應用（FTP、SMTP、HTTP）

2、傳輸層 [段]：程序-程序的資料傳輸（TCP、UDP）

3、網路層 [資料報]：源主機到目的主機的資料分組路由與轉發（IP協議、路由協議等）

4、鏈路層 [資料幀]：（物理上）相鄰網路元素的資料傳輸（乙太網、WIFI、PPP）

5、物理層：位元傳輸

資料路徑：（源主機）1->2->3->4->5->（交換機）5->4->（路由器）5->4->3->4->5->（目的主機）5->4->3->2->1