1. 基本概念

計算機網絡 = 通信技術+計算機技術，是兩項技術緊密結合的產物。

通信系統的基礎模型：

計算機網絡，是指將地理位置不同、具有獨立功能的多臺計算機及其外部設備，通過通信線路連接，在網絡操作系統，網絡管理軟件及網絡通信協議的管理和協調下，實現資源共享和信息傳遞的計算機系統。

即互連的、自治的計算機及設備的集合，並通過交換網絡互連主機。

2. 計算機網絡的組成

ISP（Internet Service Provider）

全球ISP、區域ISP、移動網絡、家庭網絡、機構網絡等等，均屬於計算機網絡的組成部分。

• 計算設備：主機（Host），即端系統（end system），PC、服務器、無線筆記本、手機等
• 通信鏈路：分為有線鏈路和無線鏈路，如光纖、銅纜、無線電、衛星等
• 分組交換：轉發分組，如路由器、交換機等

3. 計算機網絡的服務

• 為網絡應用提供通信服務的通信基礎設施：Web、語音電話、Email、網絡遊戲等。
• 為網絡應用提供應用編程接口（API）：支持應用程序連接Internet，提供傳輸服務。

4. 計算機網絡協議

僅有主機和鏈路等硬件設施，無法組成計算機網絡，還需要網絡協議。

協議是計算機網絡有序運行的重要保證。硬件是計算機網絡的基礎，而協議是計算機網絡中數據交換必須遵守的規則。

網絡協議（Network Protocol），簡稱為協議，是為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定。協議規定了通信實體之間所交換的消息的格式、意義、順序以及針對收到的信息或發生的事件所采取的動作（actions）。

協議規範了網絡中所有信息發送和接收到過程，如TCP、IP、HTTP、802.11等。也是學習網絡的重要形式、網絡創新的表現形式等。Internet協議標準通常由一些特定的組織進行制訂，為全球網絡通信的通用準則，如RFC（Request of Comments）、IETF（Internet Engineering Task Force）互聯網工程任務組等。

協議的三個要素：

• 語法（Syntax）：數據與控制信息的結構或格式、信號電平
• 語義（Semantics）：需要發出何種控制信息、完成何種動作以及作出何種相應、差錯控制
• 時序（Timing）：事件順序、速度匹配

5. 計算機網絡的數據交換

數據交換，是計算機網絡實現數據通過網絡核心，從源主機到達目的主機的方法。

數據交換需要保持網絡的連通性，並解決在一定網絡規模下的連通性問題。

數據交換的分類：

• 電路交換（CS, Circuit Switching）：通信網絡中最早出現的交換方式，也是應用最普遍的一種方式，主要應用與電話通信網絡中。
• 報文交換（Message Switching）：不要求兩個通信結點之間建立專用通路，結點把要發送的信息組織成一個數據包——報文，該報文中含有目標結點的地址，完整的報文在網絡中一站一站地向前傳送。
• 分組交換（Packet Switching）：也稱包交換技術。將用戶傳送的數據劃分成一定的長度，每個部分叫做一個分組，通過傳輸分組的方式傳輸信息的一種技術。

5.1 電路交換

• 典型應用：電話網絡
• 通信過程：連接建立、信息傳送、連接拆除
• 特點：獨占資源，實時性好，可靠性高

5.1.1 多路復用技術

多路復用（Multiplexing），簡稱復用。將鏈路、網絡資源劃分為“資源片”，將資源片分配給各路呼叫。每路呼叫獨占分配到的資源進行通信。資源片可能出現閑置狀態（idle）。

典型多路復用方法：

• 頻分多路復用 FDM（Frequency Division Multiplexing）
• 時分多路復用 TDM（Time Division Multiplexing）
• 波分多路復用 WDM（Wavelength Division Multiplexing）
• 碼分多路復用 CDM（Code Division Multiplexing）

頻分多路復用，各用戶占用不同的頻率帶寬（Hz），用戶在分配到這個頻帶狗，在通信過程中自始至終都都獨占這個頻帶。

時分多路復用，是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀），每個用戶在每個TDM幀中占用固定序號的時隙。每個用戶所占的時隙是周期性出現的，其周期就是TDM幀的長度。

時分復用的所有用戶，是在不同的時間，占用相同的頻帶寬度。

波分多路復用，即光的頻分復用。

• 發送端：將兩種或多種不同波長的光載波信號經復用器(亦稱合波器，Multiplexer)匯合在一起，並耦合到光線路的同一根光纖中進行傳輸。
• 接收端：經解復用器(亦稱分波器或稱去復用器，Demultiplexer)將各種波長的光載波分離，然後由光接收機作進一步處理以恢復原信號。

這種在同一根光纖中同時傳輸兩個或眾多不同波長光信號的技術，稱為波分復用。

碼分多路復用，是用一組包含互相正交的碼字的碼組攜帶多路信號。靠不同的編碼來區分各路原始信號的一種復用方式，主要和各種多址技術結合產生了各種接入技術，包括無線和有線接入。

如在多址蜂窩系統中以信道來區分通信對象，一個信道只容納一個用戶進行通話，許多用戶同時通話，則以信道來區分。

碼分復用被廣泛的應用於無線鏈路共享技術，如蜂窩網，衛星通信等。

每個用戶分配一個唯一的m bit碼片序列（chipping sequence），其中“0”用“-1”表示，“1”用“+1”表示，如S站的碼片序列：（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）。

各用戶使用相同頻率載波，利用各自碼片序列編碼數據。

編碼信號=（原始數據）×（碼片序列）

• 如發送比特1（+1），則發送自己的m bit碼片序列
• 如發送比特0（-1），則發送該碼片序列的m bit碼片序列的反碼

各用戶碼片序列相互正交（orthogonal）

另{ di }為原始數據序列，各用戶的疊加向量為：

碼分復用的解碼時，碼片序列與編碼信號計算內積：

5.2 報文交換

報文交換是以報文為數據交換的單位，報文攜帶有目標地址、源地址等信息，在交換結點采用存儲轉發的傳輸方式。

每一個結點接收整個報文，檢查目標結點地址，然後根據網絡中的交通情況在適當的時候轉發到下一個結點。經過多次的存儲——轉發，最後到達目標，因而這樣的網絡叫存儲——轉發網絡。其中的交換結點要有足夠大的存儲空間（一般是磁盤），用以緩沖收到的長報文。

交換結點對各個方向上收到的報文排隊，對照下一個轉結點，然後再轉發出去，這些都帶來了排隊等待延遲。報文交換的優點是不建立專用鏈路，但是線路利用率較高，這是由通信中的等待時延換來的。

優勢：

• 不需要預先建立一條專用的通信線路，不存在連接建立時延，用戶可隨時發送報文
• 存儲轉發優勢，傳輸高可靠性，提供多目標服務，允許建立數據傳輸優先級
• 高通信線路的利用率

劣勢：

• 存儲轉發劣勢，高轉發時延（含接收報文、檢驗正確性、排隊、發送時間等），網絡通信量越大，造成的時延越大。實時性差，不適合傳送實時交互式業務的數據。
• 只適用於數字信號。
• 對網絡中每個結點的緩沖區有較高要求，成本較高，優勢要把等待轉發的報文存在磁盤上，進一步增加了傳輸時延。

5.3 分組交換

報文分拆出來的一系列相對較小的數據包，稱為分組。分組交換需要報文的拆分與重組，因此會產生額外開銷。

報文交換與分組交換均采用存儲轉發的交換方式：

• 報文交換以完整報文進行存儲出轉發
• 分組交換以較小的分組進行存儲轉發

5.3.1 分組交換的傳輸延遲計算

發送主機接收應用報文，拆分為較小的長度L bits的分組（packets），在傳輸速率為R的鏈路上傳輸分組。

分組傳輸時延（delay）= L（bits）/ R（bits/sec）

5.3.2 分組交換的報文交付時間計算

報文 M bits，鏈路帶寬（數據傳輸速率） R bps，分組長度（大小） L bits，跳步數 h，路由器數 n。

路由器數目等於跳步數減1，即 n = h - 1

分組報文交付時間 T = M / R + （h - 1）× L / R = M / R + n × L / R

例：在圖中存儲轉發方式的分組交換網絡中，所有鏈路的數據傳輸速率為100 Mbps，分組大小為1000B，其中分組頭大小為20B。若主機H1向H2發送一個大小為980000B的文件，則在不考慮分組拆裝時間的和傳播延遲的情況下，從H1發送開始到H2接收完為止，需要的時間至少是多少？

答：每個分組1000B，分組頭20B，每個分組可恥傳輸980B，則980000B的文件需要傳輸1000個分組。H1發送整個文件，需要：

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

根據路由選擇基本原理，所有數據分組至少會經過兩個路由，所以再加上最後一個分組的兩次轉發的傳輸延遲：

2 × 1000 × 8 / 100,000,000 = 0/16ms

所以H2收完整個文件至少需要80.16ms

計算機網路基礎 - 一些基本概念與網絡結構