网络概要

• 主机≈端系统, 在网络边缘运行网络应用 → 用户直接使用
• 主机之间的通信, 实际上是进程之间的通信

• 分组交换机(路由器和交换机)和通信链路 → 网络核心, 为边缘部分提供服务

• 边缘与核心的分界处 → 网络接入(有线/无线)

基础结构

网络边缘

• 客户-服务器模式, 客户端请求服务器的资源
• “服务器农场”
• 可扩展性较差, 载荷过大容易宕机, 达到阈值之后断崖式下降

• P2P(对等)模式, 对等传输
• 每个节点既是服务器优势客户端, 请求的节点越来越多, 但提供资源的节点也越来越多, 可扩展性好, 常用于文件分发系统

网络核心

• 通过信令系统凭借拨号建立起独享的通信线路

电路交换(线路交换)

• 电话接线员

• 建立连接-通话-释放连接

• 通话全部时间内, 通话的两个用户始终占用端到端的通信资源

• 将网络带宽资源分为片pieces

• 为呼叫预留端到端资源, 为专用资源, 不共享, 保证性能, 要求建立呼叫连接. 如果没有数据发送, 被分配的资源就会浪费. 传统电话网络通常采用这种方法. 然而计算机之间连接具有很强的突发性, 浪费的片较多, 不适合用电路交换实现.

• 带宽分片方式: 频分/时分/波分(用于光通信)/码分(FDM/TDM/WDM/CDM)

• 线路连接建立耗时较长

• 可靠性不高(?) → 一旦中心设施损坏则会大面积瘫痪

• 对每一个节点, 来一个比特就传输一个比特

分组交换

• 以分组(package)为单位(思想类似于分页?)

• 电路交换 → 报文交换 → 分组交换

• 使用存储-转发方式, 完全存储分组数据之后再进行转发(不能直接通过, 否则会变成占用全部带宽的线路交换, 不能实现共享, 一定需要排队)

• 网络带宽资源不再分为一个个片, 传输时使用全部带宽

• 实质上是采用了在数据通信的过程中断续/动态分配传输带宽的策略, 适用于传送突发式的计算机数据, 提高了通信线路的利用率

• 缺点就是带来了时延和拥塞问题

• 按照有无网络层连接可以分成两种方式: 数据报网络(分组携带目标主机的完整地址, 主机在通信之前不需要握手, 交换节点不需要维护通信状态, 每个分组的传输均独立) / 虚电路(主机之间需要建立网络层连接, 保存通信状态, 用信令建立虚电路, 每个分组携带虚电路号标识该连接, 在每个节点存储转发, 不携带完整地址)

• 有无连接体现在整个传输路径上, 而不仅体现在端系统上

• 好处: 由专享线路变为按需使用, 等量网络资源下减少浪费, 能够支持更多用户

• 代价1: 由于在每个节点处要完全存储分组才进行转发, 故节点处延迟显著大于线路交换

• 代价2: 当分组的到达速率大于传出速率时, 分组队列将越来越长. 当分组队列排满时, 新到达的链路将被丢弃(丢包)
• 流量强度 = 分组到达速率 / 分组转发速率, 流量强度接近1时会产生拥塞, 等于1就会挂掉

• 总时延 = 处理时延 + 排队时延 + 发送时延(传输时延, 发生在机器内而不是链路上) + 传播时延





发送和接收时延是一个时延在发送方和接收方的两个视角, 不能叠加

• 分组交换下, 网络核心的的两个最主要作用: 转发(查路由表决定分组怎么走) + 路由(由路由实体与其他路由通信, 计算得出路由表, 会实时变化)
💡
路由器之间经常交换彼此掌握的路由信息, 以便创建和动态维护路由器的转发表, 使得转发表能够在整个网络拓扑发生变化时及时更新
• 转发是局部的, 路由是全局的

• 传输的瞬间, 就好像有一条专门的链路把端系统连在一起一样

• 分组交换实际上是一种特殊的时分复用, 只不过周期内时间片的划分方式不固定, 称为统计多路复用(statistic multiplexing)

• 网络多媒体: 让分组交换具有线路交换的一些性能特性

网络接入

• 网络边缘通过网络接入连接到网络核心

• 频分/时分/波分/码分多路复用(FDMA/TDMA/WDMA/CDMA)

住宅接入网络

• 越网上是光纤, 越往下是同轴电缆

Modem(Modulator + Demodulator, 调制解调器)

• 利用现有的线网资源(电话线), 低成本快速接入大量用户, 但是语音带宽较小, 常为4kHz

• 猫(Modulator)的作用: 改变信号的波形, 调整其频率, 用于传输网络数据

• 使用modem池子, 接入所有用户的上网数据, 进入网络核心传输数据

• 带宽通常很窄, 56kbps以下, 常用于90年代中后期, 打电话和上网不能同时进行

• 改良(DSL): 0~4kHz依然用于语音, 4kHz以上分为上行和下行带宽, 一般下行带宽更大, 因为用户通常是数据消费者而非生产者. 上行带宽可以达到1Mbps, 下行可以达到10Mbps. 打电话的同时可以上网, 沿用至今.
• 上下行带宽不对称 → ADSL

• 如果用电力调制解调器的话, 也可以使用电网上网

有线接入网

• 多路复用/FDM, 频分复用, 信号互相不干扰



不对称, 下行速率比上行速率更高, 物理上表现为一根电缆, 共享带宽

DSL(数字用户线路)

• 使用双绞铜线(电话线), 不共享带宽, 使用调制解调器, 直接连接到DSLAM, 同样不对称,

单位接入网络

• 经常有多个交换机和路由器来处理大量数据

无线接入网络

网络体系结构(五层)

• 对等层次之间传送的数据单位叫做盖层的协议数据单元PDU; 层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU (Service Data Unit),它可以与PDU 不一样, 可以是多个SDU合成为一个PDU, 也可以是一个SDU 划分为几个PDU

• 各层协议，实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。

• 协议是控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合。语法规定格式, 语义规定操作

• 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

• 协议是水平的, 服务是垂直的. 第n 层向上面的第n + 1 层所提供的服务实际上已包括了在它以下各层所提供的服务。

应用层 → 报文

• 应用到应用, 不同应用有不同的应用层协议

运输层 → TCP报文段 / UDP用户数据报

• 进程到进程

• 多种应用可以使用同一个运输层服务, 所以运输层有复用和分发的功能

• TCP/IP协议族 → 上下两头大而中间小(网络层协议只有IP一个, everything over IP, IP over everything)

网络层 → IP数据报

• 主机到主机

• 网络层的IP数据报和运输层的UDP用户数据报不是一个东西

数据链路层 → 帧

• 节点到节点

• 在接收数据时，控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结 束(在帧的前后分别带上附加信息)

• 使得接收端能够检测到收到的帧中是否有差错, 有差错就简单丢弃出了差错的帧以免继续浪费更多网络资源; 若采用可靠传输协议则还要纠正差错

物理层 → 比特

• 由于是比特流的传输, 故不再加上控制信息

• 从首部开始传送比特流

开放式系统互联参考模型 OSI

网络拓扑

总线

环形拓扑

双重环形拓扑(冗余)

星形拓扑

树形拓扑

网状拓扑

蜂窝式拓扑

网络设备