一 、计算机网络？
计算机网络是通信技术与计算机技术紧密结合的产物，即计算机网络=通信技术+计算机技术
计算机网络就是一种通信网络
通信系统模型：
1.计算机网络简介
Definition：计算机网络就是互连的、自治的计算机集合
- 自治：无主从关系
- 互连：互联互通
- 通过通信链路互联
- 通过交换网络互连主机
- 通过通信链路互联
2.什么是Internet ——组成细节的角度
- Global最大的互联网络
- ISP(Internet Service Provider)网络互连的 “网络之网络“
- 数以百万计的、互连的、计算设备集合:（在Internet中互联的不单单是传统计算机，还有智能手机、pc机、智能穿戴等等）
- 主机(hosts)=端系统（end systems） （计算机网络中各种计算设备、或计算机统 称为主机/端系统）
- 运行各种Internet Applications
- 通过通信链路链接
- 光纤, 铜缆, 无线电, 卫星……
- 分组交换:转发分组(数据包)
- 路由器(routers) 和交换机(switches)
- 一些有趣的END设备
根据天气情况而定烤一个天气形状的土司机。。。。
3.什么是Internet——服务角度
- 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, qq，wechat…
- 为网络应用提供应用编程接口（API）:
- 支持应用程序“连接”Internet，发送/接收数据
- 提供类似于邮政系统的数据传输服务
Internet 示意图
截图自P3 1.1 什么是Internet？
衔接问题：仅有硬件*（主机、Routers、链路…)连接，Internet能否顺畅running？能否保证应用数据有序交付？
答：Absolutely not！We still need a rule——network protocol
4.什么是网络协议？
-
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） -
是计算机网络有序运行的重要保证
硬件（主机、路由器、通信链路等）是计算机网络的基础
计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则，如同交通系统 -
协议是计算机网络的重要内容
- 1.协议规范了网络中所有信息 发送和接收过程。 如：e.g., TCP, IP, HTTP, Skype, 802.11
- 2.学习网络的重要内容之一
- 3.网络创新的表现形式之一
- 4.Internet协议标准
RFC: Request for Comments（一个很权威的Document）
IETF:互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force）所有的网络协议都在这里权威定义和发布
如图，人类交谈。任何通信或信息交换过程都需要规则
再反观下图的网络通信
3点说明：
通信主体是“机器”而不是人
交换“电子化”或“数字化”消息
计算机网络的所有通信过程都必须遵守某种/些规则—协议
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- 协议的三要素：
（举一个不甚得当的例子：
好比写几封有顺序封邮寄的信件（现在好少写情书信件了…
首先要按格式（语法）填编码、写地址、贴邮票；
然后写好信的内容（语义）；
隔一段时间投递邮箱（时序））
- 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
完成何种动作以及做出何种响应
差错控制 - 时序（Timing）
事件顺序
速度匹配
5.课后思考。（视频课后讨论题目：
网络协议对于计算机网络十分重要，是计算机网络的重要内容。
有人甚至声称学习计算机网络就是学习网络协议，1.那么我们到底应该如何理解网络协议？
2. 如何理解网络协议的三个基本要素？
3. 网络通信过程是网络协议完成的吗？
一、就像老师视频中所说的一样，网络协议对于计算机网络就像是交通规则对于交通系统，虽然它不是计算机网络的实体组成部分， 但计算机网络的正常运行少不了网络协议。
二、网络协议的三个要素包括：语义，语法与时序。
(1)语义是解释控制信息每个部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应。
(2)语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序。 时序是对事件发生顺序的详细说明。 形象的说:语义表示要做什么，语法表示要怎么做，时序表示做的顺序。
三、网络通讯并不通过协议完成，网络通信过程是凭借着主机、链路、路由器等硬件设施，遵循着网络协议完成的。
——ZM_FZU031802…2020-2-10
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二、计算机网络结构（Construction）
按照节点链路划分：
1.网络边缘: 主机、 网络应用（客户端和服务器）
2.接入网络，物理介质: 有线或无线通信链路
3.网络核心（核心网络）: 互联的路由器（或分组转发设备）、网络之网络
按照ISP来说明：
网络之网络
1.网络边缘（如下三种“边缘”）
- （主机）端系统:
位于“网络边缘”
运行网络应用程序 ， 如：Web, email
在网络边缘 - 客户/服务器(client/server)应用模型：（主从模式，expandability 差）
客户发送请求，接收服务器响应， 如：Web应用，文件传输FTP应用 - 对等(peer-peer, P2P)应用模型:
通信在对等实体之间直接进行，如：Gnutella, BT, Skype, QQ
无（或不仅依赖）专用服务器
- 基础设施为网络应用提供服务的两个通信方式：
- 1、面向连接的服务
流量控制，考虑到客户机的“接受能力”服务机不能太快；拥塞控制，考虑传输链路的“交通情况”，降低流量； - 2、无连接的服务
2.接入网络
Q: 如何将网络边缘接入核心网（边缘路由器）?
A: 接入网络（如下的类别划分，并不严格意义上的
- 住宅（家庭）接入网络
（modem猫，天翼网关） - 机构接入网络 (学校,企业等) 移动接入网络
然而作为用户，关心是:
带宽(bandwidth) (bps)？ 共享/独占？
下面看几个有代表性的接入网络
- 接入网络: 数字用户线路 (DSL) 特点如下
- 利用已有的电话线连接中心局的DSLAM
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)（上传）
- < 24 Mbps下行传输速率 (典型速率 < 10)（下载）
- FDM: >50 kHz - 1 MHz用于下行
4 kHz - 50 kHz用于上行
0 kHz - 4 kHz用于传统电话
- 利用已有的电话线连接中心局的DSLAM
该图中的生疏的名词，日后会做解释：DSL接入多路复用器等
-
接入网络: 电缆网络（线缆网络，cable ）（有线电视网络
- 频分多路复用: 在不同频带（载波）上传输不同频道（看电视换台
平时看电视换台，调的就是上图的频道
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如图： - HFC:混合光纤同轴电缆（ hybrid fiber coax）
非对称: 下行高达30Mbps传输速率，上行为2 Mbps传
输速率(何谓上行下行 - 各家庭（设备）通过电缆网络→光纤接入ISP路由器
各家庭共享家庭至电缆头端的接入网络
不同于DSL的独占至中心局的接入
- 频分多路复用: 在不同频带（载波）上传输不同频道（看电视换台
-
典型家庭网络的接入&机构（企业）接入网络 (Ethernet)
英文字的说明
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
目前，端系统通常直接连接以太网交换机（switch）
- 无线接入网络
- 通过共享的无线接入网络连接端系统与路由器
通过基站（base station）或称为“接入点”（access point）- 无线局域网（LANs）:（如下左图
同一建筑物内 (30m)
802.11b/g (WiFi): 11Mbps、
54Mbps传输速率 - 广域无线接入：（如下右图
通过电信运营商 (蜂窝网) ，接入
范围在几十公里~ 带宽：1 Mbps、10 Mbps、
100Mbps
3G、 4G: LTE
移动互联网
- 无线局域网（LANs）:（如下左图
- 通过共享的无线接入网络连接端系统与路由器
- 物理媒体
还有一种尚在实验当中的LiFI（light fidelity），号称有光的地方就可以上网
3.网络核心
路由器的网状网络，互联的路由器网络
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
- 电路交换：
为每个呼叫预留一条专有电路：如电话网 - 分组交换：
将要传送的数据分成一个个单位：分组
将分组从一个路由器传到相邻路由器（hop），一段段最终从源端传到目标端
每段：采用链路的最大传输能力（带宽）
网络核心的关键功能:路由+转发
- 路由(routing):
确定分组从源到目的传输路径 路由算法 - 转发(forwarding):
将分组从路由器的输入端口交换至正确的输出端口
本篇文章涉及到好多陌生的名词，视频中，老师说日后会讲到。秉持治学严谨态度，我信了这老师的话。
3.数据交换
- 需要交换网络,理由如图
交换网络（网络核心）可以想象成一个连有所有终端巨大的交换设备 - 何谓交换？
- 数据交换类型有三
- 电路交换
- 报文交换
- 分组交换
3.1电路交换(又称线路交换circuit switch )
-
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） - 独占资源 ——电路交换最显著的一点（疑问：那是不是打电话的时候不能被监听？
比如说：两人通话，,占用的信道资源，不能被第三方使用，保障了通话性能。
当释放了连接， 那么资源被释放
当一个网络采用电路交换通信，任何两个主机之间的通信都要建立一条电路。
实际上，采用多路复用（Multiplexing）技术
就可以实现电路交换网络共享中继线，实现电路交换网络的链路共享，
如图：
3.2多路复用技术
- 多路复用(multiplexing)，简称复用，是通信技术中的基本概念
这里的复用和分用，可以很巧妙和粗浅的理解称力的正交合成与正交分解
有些物理链路的通信传输能力比如光纤，远大于一路电话通信所需的传输能力，于是就可以实现共享信道。 实现共享信道的技术，最典型的就是Multiplexing。
- 多路复用
- 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
- 资源片可能“闲置”(idle) (无共享)
- 典型多路复用方法:（在电路交换网络、或在通信网络中使用比较多的
- 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)
WDM的实质是FDM。 - 码分多路复用( Code division multiplexing-CDM )
多路复用逐个简介：
-
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
图文并茂，好理解：不同颜色就是不同用户占用的频率
-
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
-
波分多路复用WMD
波分复用就是光的频分复用
一览大致
一览细节
不同用户使用不同波长的光 -
码分多路复用CMD
这是一个很聪明的”正交“应用
先附一篇很棒的文章来理解：
《码分多路复用的生动阐述》
（ 这篇文章，涉猎很广，谈及学数学、学信息技术之间的微妙关系，让我这个读了十来年书的大学生泪目啊。给人一种相见恨晚，遇故知的亲切感，感谢计算机网络，让我们相遇- 再来理解概念定义
- 广泛应用于无线链路共享 (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 (chippingsequence)，其中**“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表 示，**
例如： 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)（正交，相交、交的很”正“）
视频课程中的CMD距离不如上附的文章说的生动详尽，不写进来了。
- 广泛应用于无线链路共享 (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 (chippingsequence)，其中**“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表 示，**
- 再来理解概念定义
3.3数据交换—报文、分组交换（1）(分组交换packet switching )
二者交换均采用存储-转发交换方式
区别：
报文交换以完整报文进行“存储-转发”
分组交换以较小的分组进行“存储-转发”
- 报文：源（应用）发送信息整体 比如：一个文件
- 存储 → 转发
- 如果没有存储转发，就是独占了线路了。
报文交换以完整报文进行存储-转发
- 分组交换
- 分组：报文分拆出来的一系列相对较小的数据包
- 分组交换需要报文的拆分与重组
- 产生额外开销（时间、资源的开销等开销、
- 排队和延迟：
如果到达速率>链路的输出速率: 分组将会排队，等待传输
如果路由器的缓存用完了，分组将会被抛弃
头部的额外开销
- 排队和延迟：
看下面几张图就懂了
所谓同通过Routers，就是一次在Router上的存储和转发，
源主机不断的向路由器发送分组数据，并行工作
- 是时候提及一个新的多路复用技术：
分组交换:统计多路复用（Statistical Multiplexing），如图：
按需共享， 不像前面电路交换的多路复用技术都是实现分配好了链路资源。
3.4数据交换—报文、分组交换（2）
二者的交换，哪种交换更好呢？
两位在传输时延的层面来决斗吧！(传输时延，延迟，传输数据的交付时
分组传输的延迟计算
搭建一个决斗场： 如图，数据从左边主机经两路由器，传到右边主机，孰快孰慢？
战力分析
| 报文交换 | 分组交换 |
|---|---|
| 报文长度为M bits | 报文被拆分为多个分组 |
| 每次传输报文需要M/R秒 | 分组长度为L bits |
| 链路带宽为R bps | 每个分组传输时延为L/R秒 |
此外，不考虑分组交换产生的其他额外开销
战报数据
战果：分组交换大比分胜出。
现在赛后采访分组交换获胜的秘诀：
- 分组交换的报文交付时间
分组交换笑了笑不说话，并抛出一张秘籍图片
3.5数据交换—报文、分组交换（3）
做第一个例题：（所有例题都会整理到本栏目的例题文章中。
实例化了3.4的公式
上节回顾： 分组交换在文件交付时间上完败报文交换
但又出现了一个新的挑战者：电路交换
此次他们要在另一个决斗场比拼， 如图多个用户共用一个链路的时候，谁支持的用户数量更多？
战力分析
| 电路交换 | 分组交换 |
|---|---|
| 电路交换，建立电路独占信道，即便占用资源不活动，别的用户不能使用。 | |
| 最大可供10用户 | 对于35个用户, 大于10个用户同时活动的概率<0.0004 |
战果：分组交换允许更多用户同时使用网络！——网络资源充分共享
但是不能说，分组交换绝对优于电路交换，理由如下：
- 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
4.Internet结构：网络之网络
注意这里Internet翻译成互联网或网际，Network才翻译成网络。
ISP:Internet Service Provider(互联网服务提供商，如中国电信、中国移动、中国联通)
- 端系统通过接入ISP（access ISPs ）连接到Internet
家庭、公司和大学ISPs - 接入ISP必须进一步互连
这样任意两个主机才可以互相发送分组 - 构成复杂的网络互连的网络
经济和国家政策是网络演进的主要驱动力 - 让我们采用渐进方法来描述当前互联网的结构
Q: 数以百万计的接入ISP是如何互连在一起的呢？
A1：每个接入ISP直接相互连接？No way .技术经济都不可行（规模是等差数列和，(a1+an)n/2)
A2：将每个接入ISP连接到一个国家或全球ISP（Global ISP）?
但是从商业角度，必定有竞争者…，这些ISP网络必须互连
…可能出现区域网络（regional networks）连接接入ISP和运营商ISP
… 内容提供商网络(content provider networks，如： Google,
Microsoft等) 可能运行其自己的网络，并就近为端用户提供服务、内容
IXP（Internet exchange point）本身也是一个高速的网络
- 在网络中心：少数互连的大型网络
- “一级”(tier-1)商业ISPs (如：网通、电信、Sprint、 AT&T)，提供国家或国际范围的覆盖
- 内容提供商网络（content provider network， 如：Google)：私有网络，连接其数据中心与Internet，通常绕过一级ISP和区域ISPs
在网络的最中心，一些为数不多的充分连接的大范围网络（分布广、节点有限、
但是之间有着多重连接） “tier-1” commercial ISPs (e.g., Level 3, Sprint, AT&T, NTT), 国家或者国际
范围的覆盖 content provider network (e.g., Google): 将它们的数据中心接入ISP，方便周边
用户的访问；通常私有网络之间用专网绕过第一层ISP和区域ISPs
2.课后讨论
掌握网络拓扑结构的意义
Internet是全球最大的互联网络，其网络拓扑结构极其复杂，而且具有很强的动态性，有很多研究机构或研究团队在开展网络拓扑结构发现相关问题研究。请大家搜索阅读相关文献，并讨论实现网络拓扑发现的意义有哪些？
网络拓扑图形中能更直观明了的看清楚网络中各个节点之间的链接，还有接口之间的链接，也就是反应网络中各实体间的结构关系，这样方便配置和排除错误。网络拓扑设计地好坏对整个网络的性能和经济性有重大影响。
FZU物信黄福…2020-2-16
采用合适的网络拓扑结构
(1)可以尽可能提高可靠性,以保证所有数据流能准确接收;还要可提高系统的可维护性,使故障检测和故障隔离较为方便
(2)降低建网费用
(3)提高系统的扩展性
(4)为用户提供尽可能短的响应时间和最大的吞吐量。
孤岛violet2020-2-20
网络核心：路由器的网状网络
4.课后交流
存储-转发方式的分组交换
分组交换是现代计算机网络重要的理论基础之一，也是目前在计算机网络中广泛采用的数据交换技术，存储-转发则是分组交换的基本工作方式。
请大家讨论一下，分组交换是否可以采取其他工作方式？有什么样的优缺点？分组交换除了存储转发之外，还可以直通转发。
优点：①加速了数据在网络中的传输。因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多。
②简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。
③减少了出错机率和重发数据量。因为分组较短，其出错机率必然减少，每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。
④由于分组短小，更适用于采用优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，因此对于计算机之间的突发式的数据通信，分组交换显然更为合适些。
缺点：①尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。
②分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的信息量大约增大5%～10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。
③当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。
还可以采用直通式和碎片隔离
1.直通式 优点：不需要存储 ，延迟非常小、交换非常快，这是它的优点。 缺点：因为数据包内容并没有 被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力。由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入/输出端口直接接通，而且容易丢包。
2.碎片隔离 它检查数据包的长度是否够64个字节，如果小于64字节，说明是假包，则丢弃该包;如果大于64字节，则发送该包。 缺点：这种方式也不提供数据校验。 优点：它的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。
FZU-03180254…2020-2-13
分组交换除了存储转发之外，还可以直通转发。
优点：加速了数据在网络中的传输。因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多。
简化了存储管理。因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。
减少了出错机率和重发数据量。因为分组较短，其出错机率必然减少，每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。
由于分组短小，更适用于采用优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，因此对于计算机之间的突发式的数据通信，分组交换显然更为合适些。
17计科5班43…2020-3-25
本篇结束