- 什么是计算机网络
- 什么是网络协议？
- 计算机网络的结构
- 网络核心
- 计算机网络性能
- 速率
- 带宽
- 延迟/时延(delay或latency)
- 四种分组延迟
- 吞吐量/率（Throughput）
- 练习
- 题1 时延
- 题2 网络性能
- 题3 假设两个节点同时经一个速率为R的广播信道开始传输一个长度为L的分组。用dprop表示这两个节点之间的传播时延。如果 dprop < L/R,会出现碰撞嘛？为什么
- 题4 收发两端之间的传输距离为 100km，信号在媒体上的传播速率为 2×10^8m/s，数据长度为 10^6bit，数据发送速率为 100kb/s，试计算它的发送时延和传播时延。
- 题5 如图所示网络。A在t=0时刻开始向C发送一个2Mbits的文件；B在t=0.1+e秒（e为无限趋近于0的小正实数）向D发送一个1Mbits的文件。忽略传播延迟和结点处理延迟。
- 题6 考虑两台主机A和主机B由一条带宽为R bps、长度为M米的链路互连，信号传播速率为V m/s。假设主机A从t=0时刻开始向主机B发送分组，分组长度为L比特。试求：
- 题7 假设主机A向主机B以存储-转发的分组交换方式发送一个大文件。主机A到达主机B的路径上有3段链路，其速率分别是R1=500kbps，R2=2Mbps，R3=1Mbps。试求：
- 计算机网络结构
什么是计算机网络
相关概念
计算机网络=通信技术+计算机技术
- 计算机网络是通信技术与计算机技术紧密结合的产物
- 通信系统模型：
练习
- 为网络应用提供通信服务的通信基础设施:
- Web, VoIP, email, 网络游戏, 电子商务, 社交网络, …
为网络应用提供应用编程接口（API）：
回答：ABCD
- 仅有硬件（主机、 链路、路由器……）连 接，Internet能否顺畅运行？能保证应用数据 有序交付吗？……
回答：No！还需要有协议。
什么是网络协议？
相关概念
协议是计算机网络有序运行的重要保证
任何通信或信息交换过程都需要规则
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、顺序以及针对收到信息或发生的事件所采取的“动作”（actions）
协议的三要素
语法（Syntax）
数据与控制信息的结构或格式
-
语义（Semantics）
需要发出何种控制信息
- 完成何种动作以及做出何种响应
-
时序（Timing）
事件顺序
-
练习 网络协议
-
协议是计算机网络的重要内容
计算机网络的结构
网络边缘
主机(端系统)
- 位于“网络边缘”
-
客户/服务器(client/server)应用模型
客户发送请求，接收服务器响应
-
对等(peer-peer, P2P)应用模型
无（或不仅依赖）专用服务器
- 通信在对等实体之间直接进行
-
数据中心
大部分提供搜索结果、电子邮件、Web页面和视频的服务器都属于大型数据中心。
接入网络
定义
将网络边缘接入核心网（边缘路由器）
- 住宅（家庭）接入网络
- 机构接入网络 (学校,企业等)
- 移动接入网络
用户关心的是:
利用已有的电话线连接中心局的DSLAM（数字用户线接入复用器）
- 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 Mbps上行传输速率 (典型速率 < 1 Mbps)
- < 24 Mbps下行传输速率 (典型速率 < 10)
FDM:
DSL利用电话公司现有的本地电话基础设施，而电缆因特网接入利用了有线电视公司现有的有线电视基础设施。
- 频分多路复用: 在不同频带（载波）上传输不同频道
- 因为在这个系统中应用了光纤和同轴电缆，所以它被称为混合光纤同轴（HFC）系统
- 非对称: 下行高达30Mbps传输速率，上行为2 Mbps传 输速率
各家庭（设备）通过电缆网络→光纤接入ISP路由器
主要用于公司、高校、企业等组织机构
- 典型传输速率：10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps
-
无线接入网络
网络核心
定义
互联的路由器网络
- 网络核心的关键功能:路由+转发
网络核心解决的基本问题
- Q：如何实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机？
- A：数据交换
网络核心
相关概念
为什么需要数据交换？
交换？
数据交换的类型
- 电路交换
- 报文交换
-
电路交换
电路交换的特点
最典型电路交换网络：电话网络
- 电路交换的三个阶段：
- 建立连接（呼叫/电路建立）
- 通信
- 释放连接（拆除电路）
-
电路交换网络的链路共享？
电路交换网络如何共享中继线？
练习 电路交换
- 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”（calls）
- 每路呼叫独占分配到的资源片进行通信
-
典型多路复用方法
频分多路复用( frequency division multiplexing-FDM )
- 时分多路复用( time division multiplexing-TDM )
- 波分多路复用(Wavelength division multiplexing-WDM)
码分多路复用( Code division multiplexing-CDM )
频分多路复用FDM
频分多路复用的各用户占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽 ”是频率带宽（单位：Hz）而不是数据的发送速率）
- 用户在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
- 时分复用则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
- 每用户所占用的时隙是周期性出现（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
报文交换（message switching）
报文：源（应用）发送信息整体
分组交换
存储-转发（store-and-forward）
- 报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式
区别：
发送主机:
- 接收应用报文（消息）
- 拆分为较小长度为 L bits的分组（packets）
- 在传输速率为R的链路上传输分组
报文交换 vs 分组交换？
- 报文交换：3段链路（M/R）=3(7.5Mbits/1.5Mbps)=15s
- 分组交换：
- 路由器缓存只需1500bits<<7.5Mbits
- 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
- 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
- Q: 如何提供电路级性能保障?
- 例如，音/视频应用所需的带宽保障
分组交换 vs 电路交换？
- 分组交换提供了比电路交换更好的带宽共享，但可能产生拥塞：分组延迟和丢失
- 分组交换更简单、更有效，实现成本更低
-
分组交换的报文交付时间
练习1
【解】980 000 B大小的文件需要分1000个分组，每 个分组1 000 B。H1发送整个文件需要的传输延迟 为(980 000+201000)8/100 000 000=80ms；根据路由选择基本原理，所有数据分组应该经过两个路由器的转发，所以再加上最后一个分组的两次转发的传输延迟，即210008/100 000 000=0.16ms。所以 ，H2收完整个文件至少需要80+0.16=80.16ms。
练习2 简述分组交换和电路交换的区别。如果因特网采用电路交换的方式进行数据交换，会带来什么问题？
解：区别：
电路交换是以电路连接为目的的交换方式，通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通道。
分组交换是以分组为单位进行传输和交换的，它是一种存储——转发交换方式，即将到达交换机的分组先送到存储器暂时存储和处理，等到相应的输出电路有空闲时再送出。
所带来的问题：
（1）电路交换平均连接建立时间对计算机通信来说较长。
（2）电路交换家里连接后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用率低。
（3）电路交换时，数据直达，不同类型，不同规格，不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。
计算机网络性能
速率
速率即数据率(data rate)或称数据传输速率或比特率(bit rate)
单位时间（秒）传输信息（比特）量
- 计算机网络中最重要的一个性能指标
- 单位：b/s（或bps）、kb/s、Mb/s、Gb/s
- k=103、M=106、G=109
-
带宽
“带宽”(bandwidth)原本指信号具有的频带宽度， 即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）
网络的“带宽”通常是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位：b/s (bps)
常用的带宽单位:
A:分组在路由器缓存中排队
- 分组到达速率超出输出链路容量时
- 分组排队，等待输出链路可用
丢包
四种分组延迟
dproc: 结点处理延迟 （nodal processing delay）
dtrans: 传输延迟 （transmission delay）
- L: 分组长度(bits)
- R: 链路带宽 (bps)
-
dprop: 传播延迟（propagation delay）
d: 物理链路长度
- s: 信号传播速度 (~2×108 m/sec)
-
时延带宽积
-
吞吐量/率（Throughput）
吞吐量:表示在发送端与接收端之间传送数据速率 (b/s)
即时吞吐量: 给定时刻的速率
- 平均吞吐量: 一段时间的平均速率
练习
题1 时延
-
题2 网络性能
-
题3 假设两个节点同时经一个速率为R的广播信道开始传输一个长度为L的分组。用dprop表示这两个节点之间的传播时延。如果 dprop < L/R,会出现碰撞嘛？为什么
会出现碰撞，因为如果两个节点同时传输数据，当各自的节点没有传输完成的时候，就受到了来自于另一个节点的信息，导致接受数据受损，发生碰撞
拓展：假设 dprop > L/R，因为dprop > L/R 所以检测不到碰撞 但是其中可能会有碰撞（两个结点中有第三个节点，同时受到两个数据）也可能没有碰撞（中间节点没有同时受到两个数据或者在这两个节点同一侧）
题4 收发两端之间的传输距离为 100km，信号在媒体上的传播速率为 2×10^8m/s，数据长度为 10^6bit，数据发送速率为 100kb/s，试计算它的发送时延和传播时延。
解：传输时延dtrans=L/R=10^6bit/100kb/s=10s;传播时延dprop=d/s=100km/2*10^8m/s=0.5ms
题5 如图所示网络。A在t=0时刻开始向C发送一个2Mbits的文件；B在t=0.1+e秒（e为无限趋近于0的小正实数）向D发送一个1Mbits的文件。忽略传播延迟和结点处理延迟。
请回答下列问题：
1)如果图中网络采用存储-转发方式的报文交换，则A将2Mbits的文件交付给C需要多长时间？B将1Mbits的文件交付给D需要多长时间？
解：设左边的存储转发节点为E, 右边的节点为F。
A-E传输整体报文所需时间(2Mbits / 10Mbits/s) = 0.2 s；传输完毕于 0.2 s。
B-E传输整体报文所需时间(1Mbits / 10Mbits/s) = 0.1s；传输完毕于 (0.2 + e)s。
E-F先传输A的报文，需要(2Mbits / 20Mbits/s) = 0.1s；传输完毕于 0.3s。
E-F在结束A的报文后开始传输B的报文，需要(1Mbits / 20Mbits/s) = 0.05s；传输完毕于 (0.35 + e) s。
F-C传输需 0.2 s，传输完毕于0.5s。
F-D传输需 0.1 s，传输完毕于 (0.45 + e) s。
综上，A到C交付2Mbits需要0.5s。B到D交付1Mbits需要0.35s。
2)如果图中网络采用存储-转发方式的分组交换，分组长度为等长的1kbits，且忽略分组头开销以及报文的拆装开销，则A将2Mbits的文件交付给C需要大约多长时间？B将1Mbits的文件交付给D需要大约多长时间？
解：A-C，B-D经过了两个路由器，共3跳到达，假设A,B连接的路由器为E，C,D连接的路由器为F
存储-转发方式的报文交换是以较小的分组进行“存储-转发”，其报文交付时间计算公式为：
○ 报文：Mbits
○ 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
T=M/R+(h-1)L/R
=M/R+nL/R
t从0到0.1秒时，A-C独占链路带宽，此时发送分组传输时延为L/R
1000 bits/10000000 bits = 0.0001
即一个分组从A到E仅需0.0001秒，那么0.1秒内A可以发送1000个分组，即1Mbits报文
从t=0.1秒之后，E到F的链路由A,B共享，各占10Mbits的链路
A->C：T=2（Mbits）/ 10（Mb/s）+21000 / 10000000=0.2002
B->D：T=1（Mbits）/ 10（Mb/s）+21000 / 10000000=0.1002
B到D需要大约0.1002秒
3)报文交换与分组交换相比，哪种交换方式更公平？（即传输数据量小用时少，传输数据量大用时长）
分组交换用时少。且在报文交换情况下，当B-D慢了0.1+e秒开始传输时，在E-F链路上需要等待A的报文发送完毕。在分组交换情况中，可以按需共享来复用链路，使得B的报文分组不被阻塞。因此分组交换更为公平。题6 考虑两台主机A和主机B由一条带宽为R bps、长度为M米的链路互连，信号传播速率为V m/s。假设主机A从t=0时刻开始向主机B发送分组，分组长度为L比特。试求：
1)传播延迟（时延）dp；
M/V
2)传输延迟dt；
L/R
3)若忽略结点处理延迟和排队延迟，则端到端延迟de是多少？
M/V+L/R
4)若dp>dt，则t=dt时刻，分组的第一个比特在哪里？
R(L/R)=L,刚离开主机A
5)若V=250000km/s，L=512比特，R=100 Mbps，则使带宽时延积刚好为一个分组长度（即512比特）的链路长度M是多少？
时延带宽积=M/VR=512，M=512b*250000km/s/100Mbps=1280m
(注：1k=10^3,1M=10^6)题7 假设主机A向主机B以存储-转发的分组交换方式发送一个大文件。主机A到达主机B的路径上有3段链路，其速率分别是R1=500kbps，R2=2Mbps，R3=1Mbps。试求：
1)假设网络没有其他流量，则传送该文件的吞吐量是多少？
答：瓶颈链路为R1，则此场景下传送文件的吞吐量为：500kbps。
（端到端路径上，限制端到端吞吐量的链路：瓶颈链路）
2)假设文件大小为4MB，则传输该文件到主机B大约需要多少时间？
时间T=文件大小4MB*8bit/最小链路速率500kbps=64s
计算机网络结构
计算机网络的体系结构
为什么需要计算机网络体系结构？
网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
- 计算机网络体系结构简称网络体系结构 (network architecture)是分层结构
- 每层遵循某个/些网络协议完成本层功能
- 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
- 体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义
-
为什么采用分层结构?
结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系
- 分层的参考模型（reference model ）
- 模块化的分层易于系统更新、维护
- 任何一层服务实现的改变对于系统其它层都是透明的
- 例如，登机过程的改变并不影响航空系统的其它部分（层）
- 有利于标准化
分层是否有不利之处？
实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
- 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议是“水平的” 。
- 任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，服务是“垂直的”。
- 下层协议的实现对上层的服务用户是透明的。
同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点 SAP (Service Access Point)，交换原语，指定请求的特定服务。
OSI参考模型
开放系统互连 (OSI)参考模型是由国际标准化组织 (ISO) 于1984年提出的分层网络体系结构模型
目的是支持异构网络系统的互联互通
- 异构网络系统互连的国际标准
- 理解网络通信的最佳学习工具 （理论模型）
- 理论成功，市场失败
-
OSI参考模型解释的通信过程
为什么需要数据封装？
增加控制信息
- 构造协议数据单元 (PDU)
控制信息主要包括:
比特编码
- 选用什么样的编码方式
- 数据率
- 定义一个数据率
- 比特同步
- 时钟同步
传输模式
负责结点-结点（node-to-node）数据传输
- 组帧（Framing）
- 物理寻址（Physical addressing）
- 在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接收端
- 数据链路层功能
- 流量控制（Flow control） 避免淹没接收端
- 差错控制（Error control） 检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧
- 访问(接入)控制（Access control） 在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权
网络层
- 负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付
- 可能穿越多个网络
- 逻辑寻址（Logical addressing）
- 全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如 IP地址
- 路由（Routing）
- 路由器(或网关)互连网络，并路由分组至最终目的主机
- 路径选择
- 分组转发
传输层
- 负责源-目的（端-端） （进程间） 完整报文传输
- 分段与重组
- SAP寻址
- 确保将完整报文提交给正确进程，如端口号
- 连接控制
- 流量控制
-
会话层
对话控制（dialog controlling）
- 建立、维护
- 同步(synchronization)
- 在数据流中插入“同步点”
-
表示层
处理两个系统间交换信息的语法与语义（syntax and semantics ）问题
- 数据表示转化
- 转换为主机独立的编码
- 加密/解密
-
应用层
支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）
典型应用层服务：
-
题2 网络结构
答案为BD;表示层在会话层的上一层，可以使用会话层的同步服务。
题3 TCP/IP
-
题4 在OSI参考模型中，负责实现路由选择功能的是网络层
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