目录
1、网络边缘 2、接入网络 3、网络核心 4、Internet结构
课程来自中国大学MOOC《计算机网络》哈尔滨工业大学https://www.icourse163.org/course/HIT-154005
一、基本概念
1、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，是一种特殊的通信网络，信源和信宿通常是计算机。通信系统模型如下：
计算机网络是互连的、自治的计算机集合。自治指无主从关系，某个计算机不能控制另外一个计算机；互连指通过通信链路互联互通。当距离远、数量大时通过交换网络互连主机。
Internet是全球最大的互联网络，是通过ISP网络（Internet Service Provider）互连的“网络之网络”。全球或国家级的ISP网络与相对较小的区域ISP网络互连，进一步连接到组织机构的网络或家庭网络，还可以使用无线网络。
Internet是数以百万计的互连的计算设备集合。
① 主机（hosts），也称端系统（end systems），包括PC、服务器、无线笔记本、智能手机等，可以运行各种网络应用。
② 计算设备通过通信链路连接在一起，分为无线和有线链路，介质可能是光纤、铜缆、双绞线、无线电、卫星等。
③ 互连网络不可能利用通信链路直连所有主机，还需要交换网络。交换网络由路由器和交换机等设备构成，实现数据的分组转发。
Internet是通信基础设施，运行各种各样分布式的网络应用（Web、VoIP、email、网络游戏、电子商务、社交网络等），为网络应用提供通信服务。Internet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。
2、网络协议
硬件（主机、路由器、通信链路等）是计算机网络的基础，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（如交通规则）。网络通信的通信主体是“机器”，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规则——协议。
网络协议（network protocol），简称协议，是网络中数据交换的规则、标准或约定。规定了通信实体之间所交换的消息的格式、含义、顺序以及针对收到信息或发生的事件所采取的“动作”（actions）。 常见的网络协议包括TCP, IP, HTTP, Skype, 802.11等。
协议三要素：语法（syntax），数据与控制信息的结构或格式，信号电平（底层信息）；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响应，差错控制；时序（timing），协议双方通信所要遵循的事件顺序，及交换信息时的速度匹配。
协议是计算机网络的重要内容，规范了网络中信息发送和接收过程。是学习网络的重要内容之一，网络创新的表现形式之一。
Internet协议标准以RFC（Request for Comments）文档的形式存在，由互联网工程任务组IETF（Internet Engineering Task Force）进行管理。
二、网络结构
1、网络边缘
由主机（端系统）构成，位于“网络边缘”，运行网络应用程序。主机上网络应用通讯方式主要有两类。
客户/服务器（client/server）应用模型：客户发送请求，接收服务器响应，如Web应用，文件传输FTP应用。服务器端应用预先在服务器计算机上运行，客户端运行客户端软件，主动与服务器进行通信，主动发起请求的是客户，被动接收请求的是服务器。所有通信在客户和服务器间进行，不会出现客户和客户进行通信。
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，如Gnutella, BT, Skype, QQ。
2、接入网络
接入网络指将网络边缘连接到网络核心的边缘路由器上的方式。接入网络大致分为三类，住宅（家庭）接入网络、机构（学校、企业等）接入网络、移动接入网络。用户关心带宽和接入方式，带宽（bandwidth）指数据传输速率（bps），不同于通常所说的带宽（信号最高和最低频率之差，单位Hz），接入方式是共享或独占。
（1）数字用户线路（DSL）
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。通过电话线实现声音和数据的同时传输，通过DSL多路复用器将话音信号和数据信号进行分离。
ADSL，A指非对称，上下行速率不同 。<2.5Mbps上行传输速率（典型<1Mbps），<24Mbps下行传输速率（典型<10）。
采用频分多路复用（FDM）技术，把信号调试到不同频带进行传输。下行（>50kHz-1MHz）、上行（4kHz-50kHz）、传统电话（0kHz-4kHz）。
（2）电缆网络
电缆网络，也称混合光纤同轴电缆（hybrid fiber coax，HFC），同轴电缆通过频分多路复用技术实现电视信号和数据信号的同时传输，在电缆头端分离后连接到光纤，进一步连接到ISP路由器。
非对称: 下行高达30Mbps传输速率，上行为2 Mbps传输速率。
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。HFC带宽可能比DSL高，但速度未必快。
（3）机构（企业）接入网络（Ethernet）
机构接入网络利用典型的局域网技术，现在最典型、应用最广泛的是Ethernet技术。通过局域网连接机构的路由器，进一步连接ISP。
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）。
（4）无线接入网络
通过基站（base station）或称为“接入点”（access point）实现共享的无线接入网络和端系统、路由器的连接。
无线局域网（LANs）：同一建筑物内（30m）、802.11b/g（WiFi） 传输速率11、54Mbps。
广域无线接入：通过电信运营商（蜂窝网），接入范围在几十公里~，带宽1、10、100Mbps，如3G、4G LTE、移动互联网。
3、网络核心
网络核心是路由器互连构成的网络，网络核心的关键功能：路由+转发。
当数据传送到Internet网络核心，网络核心根据数据分组查本地转发表（也称路由表，根据路由协议计算获得），正确把它送到某一个接口，送到下一个路由器，最终送到目的地。
网络核心解决的基本问题：如何实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机？数据交换。
4、Internet结构
Internet网络：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。
当前Internet结构：无人能给出精确描述，动态性强。
在网络中心，少数互连的大型网络包括：“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 networks，如：Google、微软等），私有网络，连接其数据中心与Internet，通常绕过一级ISP和区域ISPs，就近为端用户提供服务、内容。
多个全球ISP必须互连。一种方式是利用对等链路把几个路由器互连，另一种方式是引入第三方的互联网交换节点（Internet exchange point，IXP）进行连接，IXP本身就是高速网络，实现大型ISP之间的互连。
可能出现区域网络（regional networks），连接接入ISP和运营商ISP，进而连接全球ISP。
三、数据交换
如何实现数据通过网络核心从源主机到达目的主机？数据交换。为什么需要数据交换？N2链路问题，如果主机数量多，链路数及每个主机的电路数都会急剧增加，经济、技术问题；将主机与交换设备连接，每台主机只需要一条链路，但对交换设备端口要求高且主机距离远很难与交换设备连接；为了保证连通性且适应不同的网络规模，把交换设备互连，构成交换网络，将主机与某个交换设备连接，通过交换网络把数据进行存储转发，最终送到目的地。
交换：动态转接，交换设备所有端口间动态的在物理上或逻辑上建立连接，将一个端口的数据转移到另外一个端口，且这种连接在很多设备中可以并行进行。动态分配传输资源，实现数据从源主机穿越交换网络送到正确的目的主机。
数据交换的类型：电路交换、报文交换、分组交换。
1、电路交换
最典型电路交换网络：电话网络。任意两台电话机通信时，先拨号请求建立电路，通话完毕拆除电路。
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）。
显著特点：独占资源。通信过程中建立的电路所占有的通信资源（如信道资源）不能被第三方共享，如双方没说话，没有信息传输，但仍然占用资源。
电路交换网络的链路共享？如何共享中继线？——多路复用（Multiplexing）。
2、多路复用
多路复用（multiplexing），简称复用，是通信技术中的基本概念。通常，一些物理链路的通信能力远大于一路通信需要的能力。
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）。
典型多路复用方法如下。
（1）频分多路复用（Frequency division multiplexing-FDM）
频分多路复用的各用户占用不同的频率带宽（单位：Hz），频率互不干扰。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。典型代表有线电视网络。
（2）时分多路复用（Time division multiplexing-TDM）
时分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。
（3）波分多路复用（Wavelength division multiplexing-WDM）
波分复用就是光的频分复用。
（4）码分多路复用（Code division multiplexing-CDM）
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（chipping sequence），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发送反码。
各用户码片序列相互正交（orthogonal），保证共享信道而不相互干扰。
令{di}为原始数据序列，各用户的叠加向量为
解码：发送数据的码片序列与信道中的叠加向量的内积，得到1，则发送数据为1；-1则发送的数据为0，0则该时间段该码片序列没有发送数据。
3、报文、分组交换
（1）概念
报文交换（message switching）：报文指源/应用发送信息的整体，比如一个文件。在整个数据传输过程中要以报文作为一个整体一次性转发到相应节点（如路由器），再进一步转发。典型代表电报。
分组交换（package switching）：在源主机将报文拆分为一系列相对较小的数据包（组），在每组原始数据上添加头部信息（控制信息），中间路由器向目的主机转发分组时，同时源主机也在转发下一个分组，一直持续，将所有分组发送到目的主机，目的主机将分组重组得到原始报文。
分组交换需要报文的拆分和重组，产生额外开销（时间和大小），但不严重。
统计多路复用（statistical multiplexing）：对于分组交换，多个通信按需共享链路。不是将带宽分配，而是不同报文发送的数据到达路由器需要通过同一条链路进行转发时，无论A还是B的数据，均利用全部带宽转发。理论上如果A发送的数据多，则A平均占用的共享链路带宽比B多，如果B不发数据，则A几乎占用全部带宽。统计多路复用对于链路的共享非常有利。
存储-转发（store-and-forward）：将数据接收，暂存，确定链路且链路可用后转发。报文交换与分组交换均采用存储-转发的交换方式，前者的数据交换单位是完整报文，后者是较小的分组。
（2）报文交换vs分组交换
源主机将应用报文拆分为长度为L bits的分组（packets），在传输速率为R的链路上传输分组。源主机发送分组是一个bit一个bit发送，从发送第一个bit开始到最后一个bit发送结束称为传输延迟。
报文交换：报文长度M bits、链路带宽（数据传输速率）R bps、每次传输报文需要M/R秒；
分组交换：分组长度L bits、每个分组传输时延为L/R秒。
跳步数h、路由器数n=h-1。
忽略其它所有时间开销（分组的拆分、组装及头部等），只考虑报文传输时间。
例：M=7.5 Mbits，L=1500bits，M=5000L，R=1.5 Mbps。
分组交换每个路由器大部分时间都可以并行的转发数据且路由器需要的缓存小，报文交换是串行。分组交换在现代计算机网络以及大部分数据网络中广泛使用。
（3）例题
在下图所示的采用“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1 000 B，其中分组头大小为20 B。若主机H1向主机H2发送一个大小为980 000 B的文件，则在不考虑分组拆装时间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？（1 B=8 bits）
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+20*1000)*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2*1000*8/100 000 000=0.16ms。所以H2接收完整个文件至少需要80+0.16=80.16ms。
（4）分组交换vs电路交换
一个路由器有N个用户，通过1 Mbps的链路进行通信。
每个用户：“活动”时需100 kb/s，平均活动时间10%。
电路交换：支持10个用户同时使用网络，建立电路后即使在非活动时间也占用资源；
分组交换：路由器按照分组到达的先后顺序，以1 Mbps的带宽发送数据，如果35个用户，大于10个用户同时活动的概率<0.0004。分组交换允许更多用户同时使用网络，网络资源充分共享。
分组交换更适用于突发数据传输网络（随机，在某一段时间大量使用网络资源），资源充分共享，简单、无需呼叫建立。Internet网络使用分组交换。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。
非突发：看视频时源源不断传输数据，电话网络打通后按照一定速率传输语音。
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（否则语音过程中卡顿）。