计算机网路基础 - 一些基本概念与网络结构

2023-11-19

1. 基本概念

计算机网络 = 通信技术+计算机技术,是两项技术紧密结合的产物。

通信系统的基础模型:

计算机网络,是指将地理位置不同、具有独立功能的多台计算机及其外部设备,通过通信线路连接,在网络操作系统,网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下,实现资源共享和信息传递的计算机系统。

即互连的、自治的计算机及设备的集合,并通过交换网络互连主机。


 

2. 计算机网络的组成

ISP(Internet Service Provider)

全球ISP、区域ISP、移动网络、家庭网络、机构网络等等,均属于计算机网络的组成部分。

  • 计算设备:主机(Host),即端系统(end system),PC、服务器、无线笔记本、手机等
  • 通信链路:分为有线链路和无线链路,如光纤、铜缆、无线电、卫星等
  • 分组交换:转发分组,如路由器、交换机等

 

3. 计算机网络的服务

  • 为网络应用提供通信服务的通信基础设施:Web、语音电话、Email、网络游戏等。
  • 为网络应用提供应用编程接口(API):支持应用程序连接Internet,提供传输服务。

 

4. 计算机网络协议

仅有主机和链路等硬件设施,无法组成计算机网络,还需要网络协议。

协议是计算机网络有序运行的重要保证。硬件是计算机网络的基础,而协议是计算机网络中数据交换必须遵守的规则。

 

网络协议(Network Protocol),简称为协议,是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。协议规定了通信实体之间所交换的消息的格式、意义、顺序以及针对收到的信息或发生的事件所采取的动作(actions)。

协议规范了网络中所有信息发送和接收到过程,如TCP、IP、HTTP、802.11等。也是学习网络的重要形式、网络创新的表现形式等。Internet协议标准通常由一些特定的组织进行制订,为全球网络通信的通用准则,如RFC(Request of Comments)、IETF(Internet Engineering Task Force)互联网工程任务组等。

 

协议的三个要素:

  • 语法(Syntax):数据与控制信息的结构或格式、信号电平
  • 语义(Semantics):需要发出何种控制信息、完成何种动作以及作出何种相应、差错控制
  • 时序(Timing):事件顺序、速度匹配

 

5. 计算机网络的数据交换

数据交换,是计算机网络实现数据通过网络核心,从源主机到达目的主机的方法。

数据交换需要保持网络的连通性,并解决在一定网络规模下的连通性问题。

数据交换的分类:

  • 电路交换(CS, Circuit  Switching):通信网络中最早出现的交换方式,也是应用最普遍的一种方式,主要应用与电话通信网络中。
  • 报文交换(Message  Switching):不要求两个通信结点之间建立专用通路,结点把要发送的信息组织成一个数据包——报文,该报文中含有目标结点的地址,完整的报文在网络中一站一站地向前传送。
  • 分组交换(Packet Switching):也称包交换技术。将用户传送的数据划分成一定的长度,每个部分叫做一个分组,通过传输分组的方式传输信息的一种技术。

 

5.1 电路交换

  • 典型应用:电话网络
  • 通信过程:连接建立、信息传送、连接拆除
  • 特点:独占资源,实时性好,可靠性高

 

5.1.1 多路复用技术

多路复用(Multiplexing),简称复用。将链路、网络资源划分为“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进行通信。资源片可能出现闲置状态(idle)。

典型多路复用方法:

  • 频分多路复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)
  • 时分多路复用 TDM(Time Division Multiplexing)
  • 波分多路复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
  • 码分多路复用 CDM(Code Division Multiplexing)

 

频分多路复用,各用户占用不同的频率带宽(Hz),用户在分配到这个频带狗,在通信过程中自始至终都都独占这个频带。

 

时分多路复用,是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。每个用户所占的时隙是周期性出现的,其周期就是TDM帧的长度。

时分复用的所有用户,是在不同的时间,占用相同的频带宽度。

 

波分多路复用,即光的频分复用。

  • 发送端:将两种或多种不同波长的光载波信号经复用器(亦称合波器,Multiplexer)汇合在一起,并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输。
  • 接收端:经解复用器(亦称分波器或称去复用器,Demultiplexer)将各种波长的光载波分离,然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。

这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术,称为波分复用。

 

码分多路复用,是用一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号。靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式,主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术,包括无线和有线接入。

如在多址蜂窝系统中以信道来区分通信对象,一个信道只容纳一个用户进行通话,许多用户同时通话,则以信道来区分。

码分复用被广泛的应用于无线链路共享技术,如蜂窝网,卫星通信等。

每个用户分配一个唯一的m bit码片序列(chipping sequence),其中“0”用“-1”表示,“1”用“+1”表示,如S站的码片序列:(-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)×(码片序列)

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

各用户码片序列相互正交(orthogonal)

另{ di }为原始数据序列,各用户的叠加向量为:

码分复用的解码时,码片序列与编码信号计算内积:

 

5.2 报文交换

报文交换是以报文为数据交换的单位,报文携带有目标地址、源地址等信息,在交换结点采用存储转发的传输方式。

每一个结点接收整个报文,检查目标结点地址,然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点。经过多次的存储——转发,最后到达目标,因而这样的网络叫存储——转发网络。其中的交换结点要有足够大的存储空间(一般是磁盘),用以缓冲收到的长报文。

交换结点对各个方向上收到的报文排队,对照下一个转结点,然后再转发出去,这些都带来了排队等待延迟。报文交换的优点是不建立专用链路,但是线路利用率较高,这是由通信中的等待时延换来的。

 

优势:

  • 不需要预先建立一条专用的通信线路,不存在连接建立时延,用户可随时发送报文
  • 存储转发优势,传输高可靠性,提供多目标服务,允许建立数据传输优先级
  • 高通信线路的利用率

劣势:

  • 存储转发劣势,高转发时延(含接收报文、检验正确性、排队、发送时间等),网络通信量越大,造成的时延越大。实时性差,不适合传送实时交互式业务的数据。
  • 只适用于数字信号。
  • 对网络中每个结点的缓冲区有较高要求,成本较高,优势要把等待转发的报文存在磁盘上,进一步增加了传输时延。

 

5.3 分组交换

报文分拆出来的一系列相对较小的数据包,称为分组。分组交换需要报文的拆分与重组,因此会产生额外开销。

报文交换与分组交换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出转发
  • 分组交换以较小的分组进行存储转发

5.3.1 分组交换的传输延迟计算

发送主机接收应用报文,拆分为较小的长度L bits的分组(packets),在传输速率为R的链路上传输分组。

分组传输时延(delay)= L(bits)/ R(bits/sec)

5.3.2 分组交换的报文交付时间计算

报文 M bits,链路带宽(数据传输速率) R bps,分组长度(大小) L bits,跳步数 h,路由器数 n。

路由器数目等于跳步数减1,即 n = h - 1

分组报文交付时间 T = M / R + (h - 1)× L / R = M / R + n × L / R

 

例:在图中存储转发方式的分组交换网络中,所有链路的数据传输速率为100 Mbps,分组大小为1000B,其中分组头大小为20B。若主机H1向H2发送一个大小为980000B的文件,则在不考虑分组拆装时间的和传播延迟的情况下,从H1发送开始到H2接收完为止,需要的时间至少是多少?

 

答:每个分组1000B,分组头20B,每个分组可耻传输980B,则980000B的文件需要传输1000个分组。H1发送整个文件,需要:

(980000 + 20 × 1000) ×  8 / 100,000,000 = 80ms

根据路由选择基本原理,所有数据分组至少会经过两个路由,所以再加上最后一个分组的两次转发的传输延迟:

2 × 1000 × 8 / 100,000,000 = 0/16ms

所以H2收完整个文件至少需要80.16ms

 

转载于:https://www.cnblogs.com/Liubit/p/7761914.html

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