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L01什麼是計算機網路

計算機網路

計算機網路=通訊技術+計算機技術=一種通訊網路

定義：互連的、 自治（無主從關係）的計算機集
合。

構成：由交換網路互連主機

• 主機(hosts)=端系統（end systems）
  • 執行各種網路應用
• 交換網路
  • 交換節點：路由器或交換機
  • 通訊鏈路
    • 光纖, 銅纜, 無線電,衛星……

Internet

全球最大的網際網路絡，由ISP(Internet Service Provider互連而成的“網路之網路”

L02什麼是網路協議？

定義

網路協議(network protocol)是為進行網路中的資料交換而建立的規則。

內容

協議規定了通訊實體之間所交換訊息的格式、 意義以及針對收到資訊或發生的事件所應採取的“動作” 、 順序

三要素

語義規定了通訊，語法表示具體實現方式，時序表示通訊

• 語義（Semantics）
  • 通訊雙方應當做什麼
  • 需要發出何種控制資訊，以及資訊含義（收到特定資訊需要完成的動作與做出什麼樣的響應）。
• 語法（Syntax）
  • 規定資訊格式
  • 使用者資料與控制資訊的結構與格式
• 時序（Timing）
  • 事件發生順序
  • 時序是對事件發生順序的詳細說明。

L03計算機網路結構

網路邊緣

主機（端系統）位於網路邊緣，執行網路應用程式。

客戶/伺服器(client/server)應用模型：客戶傳送請求，接收伺服器響應

對等(peer-peer, P2P)應用模型:無（或不僅依賴）專用伺服器通訊在對等實體之間直接進行

接入網路

將網路邊緣接入核心網的中介網路。

數字使用者線路DSL

利用已有的電話線連線中心局的DSLA

• 資料通訊通過DSL電話線接入Internet
• 語音（電話）通過DSL電話線接入電話網
• 非對稱接入網路，上行速度遠慢於下行
• ＦＤＭ

電纜網路

• FDM
• 非對稱

無線接入網路

通過共享的無線接入網路連線端系統與路由器

• 通過基站（base station）或稱為“接入點”（access point）
• 無線區域網（LANs）
• 廣域無線接入

網路核心（核心網路）

互聯的路由器或交換機構成的網路

關鍵功能:routing+forwarding

• 路由：確定分組從源到目的傳輸路徑
• 轉發：確定路徑後的傳送動作

L04Internet結構

結構非常複雜當前Internet結構無人能給出精確描述，下面給出一個基本描述影象：

1. 多層次的isp將全球的邊緣網路組織起來。
2. 由於政治經濟因素，頂層isp不唯一。
3. 各個isp通過ixp internet exchange point作為交換節點，以對等鏈路（peering link）圖中為紅線相連線。
4. 除了各個主機，還有regional net區域網路也是接入者之一。
5. 除了isp提供主機互動外，內容提供商網路(content provider networks，如： Google,Microsoft等) 可能執行其自己的網路，並就近為端使用者提供服務、內容。

Q：Internet是全球最大的網際網路絡，其網路拓撲結構極其複雜，而且具有很強的動態性，有很多研究機構或研究團隊在開展網路拓撲結構發現相關問題研究。請大家搜尋閱讀相關文獻，並討論實現網路拓撲發現的意義有哪些？

A：網路拓撲圖形中能更直觀明瞭的看清楚網路中各個節點之間的連結，還有介面之間的連結，也就是反應網路中各實體間的結構關係，這樣方便配置和排除錯誤。網路拓撲設計地好壞對整個網路的效能和經濟性有重大影響。

來源：百度百科

網路管理的目的是通過監視和控制複雜的計算機網路，最大限度地保證其正常執行，並且要提高效率、降低成本。而網路拓撲發現則是配置管理的核心，故障和效能管理的基礎，同時它也是衡量一個商業網路管理系統成敗的重要尺度。因此拓撲發現演算法的設計在整個網管系統的開發中有著舉足輕重的地位。

網路拓撲發現的應用：

(1)模擬網路：為了模擬實際網路，必須首先得到該網路的拓撲結構；

(2)網路管理:涉及到配置管理、效能管理、故障管理,具體地說,網路拓撲資訊可幫助網路管理者確定優化網路配置：測試和判斷網路效能,發現網路瓶頸所在

和失效的鏈路；

(3)伺服器定位:網路拓撲資訊可幫助使用者確定自身在網路中的位置，從而確定伺服器的位置，以及選擇哪一個網路服務提供商可以將時延最小化、可用頻寬最大化；

(4)為與拓撲結構相關的演算法的效能改進提供依據；

(5)為Internet流量工程(traffic engineering)和網路行為學的研究提供基礎輔助依據。

來源：（中國知網）莊鎖法, 龔儉.網路拓撲發現綜述[J].計算機技術與發展, 2007, 17 (10) :80-91.

L05資料交換-電路交換

資料交換

我們這裡討論的資料交換是核心網路實現互聯互通功能的主要手段，即設立中介路由器或交換機。

為什麼要使用資料交換

如果直連的話是O(n^2) 的。必須提高線路複用率。

資料交換型別

電路交換

報文交換

分組交換

電路交換

直接在兩點之間建立物理線路來完成交換。

對於多路佔用的物理鏈路，如果每回只有一個路能使用則需要頻繁的物理接點調整，因此使用多路複用技術使得一條物理線路能被多路使用。

L06多路複用

多路複用(Multiplexing)：

1. 鏈路/網路資源劃分為“資源片”將資源片分配給各路“呼叫”（calls）
2. 每路呼叫獨佔分配到的資源片進行通訊
3. 資源片可能“閒置”

分類

頻分多路複用( frequency division multiplexing-FDM )
時分多路複用( time division multiplexing-TDM )
波分多路複用(Wavelength division multiplexing-WDM)
碼分多路複用( Code division multiplexing-CDM )

FDM

頻分多路複用的各使用者佔用不同的頻寬資源（請注意，這裡的“頻寬”是頻率頻寬（單位： Hz） 而不是資料的傳送速率），頻寬這一詞會多次出現，在不同的語境下分別表示頻率的範圍或資料傳輸速率。

被分配的資源就是頻率頻寬。

TDM

時分複用則是將時間劃分為一段段等長的時分複用幀（TDM 幀），每個使用者在每個 TDM 幀中佔用固定序號的時隙，每使用者所佔用的時隙是週期性出現（其週期就是TDM 幀的長度）

WDM

波分複用就是光的頻分複用

CDM

碼分多路複用利用正交向量的特殊數學性質完成多路資料合併，鏈路傳輸合併資料，各路使用自己的正交向量來對合並資料解碼，以此實現多路複用。

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， 例如：

​ S 站的碼片序列： (–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)各使用者使用相同頻率載波， 利用各自碼片序列編碼資料，編碼訊號 = (原始資料) × (碼片序列)。

如傳送位元 1（+1） ， 則傳送自己的 m bit 碼片序列

如傳送位元 0（-1） ， 則傳送該碼片序列的m bit 碼片序列的反碼

各使用者碼片序列相互正交(orthogonal)

若{di}為原始資料序列，疊加向量為

解碼：碼片序列與編碼訊號的內積

L07資料交換-報文交換、分組交換

報文交換

其實非常簡單，就是指把資訊打包，一次性發送。打包的資訊叫做報文

分組交換

報文交換的改進版，把報文拆成較小的資料包，分開傳送，再重新組裝。

和報文交換區別：

• 需要拆分重組
• 資料包要額外包頭
• 可並行傳送

統計多路複用

分組交換使用統計多路複用。

統計多路複用即路由器將接收到的資料包加入快取佇列，逐一發送，那麼多個主機發送的資料包，路由器並不區分，只是接受併發送，誰發的快，路由器就更可能下一個傳送其資料包，即表現統計傾向。

不像電路分組的多路複用，是一種按需共享的動態複用技術。

報文交換vs分組交換

儲存轉發

報文交換與分組交換均採用儲存-轉發交換方式

• 報文交換以完整報文進行“儲存-轉發”
  • 需要更大的路由器快取
  • 序列傳送
  • 不需要額外時間拆分合並
  • 無檔案頭
• 分組交換以較小的分組進行“儲存-轉發”
  • 路由器快取要求低
  • 並行傳送
  • 需要額外時間來拆分合並
  • 附加額外檔案頭

報文交付時間差異

報文: M bits
鏈路頻寬 : R bps
分組長度（大小） : L bits
跳步數: h
路由器數: n=h-1

T_分組交換=M/R+(h-1)L/R=M/R+nL/R

T_報文交換=hM/R

由於分組交換的並行傳送機制，使得路由器的頻寬利用率被提高。

分組交換vs電路交換

兩者的區分主要在於分組交換的儲存轉發機制以及拆分合並傳輸。

• 由於分組轉發是統計多路複用，因此相比電路交換的獨佔多路複用能夠更靈活的分配物理鏈路資源，允許更多使用者同時使用網路。
• 分組轉發適用於突發資料傳輸網路
• 分組轉發，當路由器接受過多內容導致快取填滿時會丟棄後續資料包，產生資料丟失。佇列等待也會產生傳輸延遲。需要協議處理可靠資料傳輸和擁塞控制。
• 電路交換雖然無法靈活分配資源，但是能夠提供穩定低延遲的連線

Q:分組交換是現代計算機網路重要的理論基礎之一，也是目前在計算機網路中廣泛採用的資料交換技術，儲存-轉發則是分組交換的基本工作方式。請大家討論一下，分組交換是否可以採取其他工作方式？有什麼樣的優缺點？

A:

直通轉發（Cut-through Switching）

交換機在接收整個幀之前讀取目標地址，然後在整個幀到達之前轉發幀。此模式減少了傳輸

的延遲，但缺少檢查，且不支援不同輸入輸出速率的埠間的資料轉發。 其有兩種形式，快

速轉發和無碎片轉發。

快速轉發（Fast-forward switching）

快速轉發通過在接收目標地址（幀的前6個位元組）後立即轉發幀來提供最低級別的延遲。由於

其不會檢查錯誤，因此可能會出現轉發壞幀的情況。雖然這種情況很少發生，並且目標網路

介面卡在收到時會丟棄壞幀，但在具有高衝突率的網路中，這會對可用頻寬產生負面影響。

無碎片轉發（Fragment-Free Switching）

無碎片轉發是直通轉發的一種改進形式。在進行轉發之前，交換機讀取乙太網幀的至少64個

位元組，避免轉發小於64位元組的乙太網幀，以此過濾掉衝突片段。但如果頻繁傳送資料量很小

的報文，會導致頻寬的利用效率低下。

L08計算機網路效能

速率

速率即資料率(data rate)或稱資料傳輸速
率或位元率(bit rate)，單位時間（秒）傳輸資訊（位元）量。
單位： b/s（或bps）、 kb/s、 Mb/s、 Gb/s，$k=10^3$、 $M=10^6$、$ G=10^9$

頻寬

網路的“頻寬”通常是數字通道所能傳送的“最
高資料率”，單位： b/s (bps)

“頻寬” (bandwidth)原本指訊號具有的頻頻寬度，即最高頻率與最低頻率之差，單位是赫茲（Hz）

延遲/時延(delay或latency)

該節針對針對目前網路實際選擇使用的分組轉發討論。

節點處理延遲

訊號通過物理鏈路傳送給路由器之後，路由器對接收到的資訊進行處理的時間。

• 差錯檢測
• 確定輸出鏈路
• 通常< msec，毫秒級

排隊延遲

等待輸出鏈路可用，取決於路由器擁塞程度

R: 鏈路頻寬(bps)
L: 分組長度 (bits)
a: 平均分組到達速率

$流量強度（）流量強度（）流量強度（）流量強度（traffic intensity）= La/R$

• La/R ~ 0: 平均排隊延遲很小
• La/R -> 1: 平均排隊延遲很大
  • 均態阻塞很大是因為網路傳輸量的突發性，導致瞬間資料量可能很大，使得一直維持一個較大的阻塞時長。
• La/R > 1: 超出服務能力， 平均排隊延遲無限大！

傳輸延遲

鏈路頻寬指的是路由器將儲存內容變為物理訊號傳送的能力，傳輸延遲指將資料包轉換為物理訊號傳送出路由器的時間。

傳播延遲

訊號離開路由器後，在物理鏈路上傳播的時間

時延頻寬積

$時延頻寬積傳播時延頻寬時延頻寬積傳播時延頻寬時延頻寬積傳播時延頻寬時延頻寬積 = 傳播時延頻寬=d_{prop}R (bits)$

即某個瞬間，物理鏈路儲存的資料量

分組丟失（丟包率）

丟包率=丟包數/已發分組總數

• 佇列快取容量有限
• 分組到達已滿佇列將被丟棄 (即丟包)
• 丟棄分組可能由前序結點或源重發（也可能不重發）

吞吐量/率（Throughput）

吞吐量:表示在傳送端與接收端之間傳送資料速率 (b/s)
和頻寬不同，頻寬只是一端屬性。

吞吐量是傳送端與接收端鏈路上各段鏈路的頻寬最小值

L09計算機網路體系結構

為什麼需要計算機網路體系結構？

計算機網路是一個非常複雜的系統,涉及許多組成部分，需要一種結構來有效的解析、管理整個計算機網路

分層結構

我們使用分層結構來描述計算機網路體系結構。

網路體系結構是從功能上描述計算機網路結構，每一層實際上指一個等級的功能。

優點

結構清晰，有利於識別複雜系統的部件及其關係

• 模組化的分層易於系統更新、 維護
• 任何一層服務實現的改變對於系統其它層都是獨立的
• 定義抽象功能而自由具體實現，利於標準化

缺點

• 過度分層降低效率，提升複雜度
• 各層次的隔離使得無法通過綜合調整改善效能

Q：分層網路體系結構有什麼缺點？

A：由於分層需要定義模組結構，可能導致層間互動不清晰，介面複雜，並且由於每層都要對

資料進行處理，導致資訊互動的時間延長，增加了資料量。另外，由於各個層次隔離，對通

信的優化和擴充套件都只能在各個層次進行，無法在整個系統層次討論。

Q：在哪些情況下有必要不採用分層結構？

A：分層結構（模組化）是任何複雜系統的必要實現手段。所以任何成系統的體系都通常存在

分層結構，不然就會很麻煩。可能在某些極端情況下，不需要分層結構，例如：家裡的電燈

泡和開關，開關傳遞給電燈泡一個電“訊號”（？），電燈泡立即開啟（沒有軟體進行上層的

處理操作）。而跨層體系結構是可以考慮的。

Q：跨層體系結構的網路設計及其優點？

A：跨層設計是一種綜合考慮協議棧各層次設計與優化並允許任意層次和功能模組之間自由交

互資訊的方法，在原有的分層協議棧基礎上整合跨層設計與優化方法可以得到一種跨層協議

棧。跨層設計與優化的優勢在於通過使用層問互動，不同的層次可以及時共享本地資訊，減

少了處理和通訊開銷，優化了系統整體效能。與傳統的分層結構相比，跨層協議棧的層問交

互要複雜些，各層需要了解其他層的行為並需要更多的專用介面，降低了通用性。但是，跨

層設計方法的各層協議和功能模組的協同有助於消除冗餘功能；採用訊息驅動的控制方法，

任意層之間可以互動資訊；針對特定的場合進行整合設計和優化可以較好匹配應用需求和網

絡條件。例如在無限通訊中，考慮到無線通道有限的頻寬資源、通道的時變特性以及節點自

身的侷限性，跨層設計方法優勢帶來的好處遠大於層間互動帶來的協議設計複雜性的缺點。

參考：王海濤,劉曉明 adhoc網路中跨層設計方法的研究 2005

計算機網路體系結構

計算機網路體系結構(network architecture)是分層結構：

• 每層遵循某個/些網路協議完成本層功能，功能的依賴構成層次關係。層即功能，協議是對功能的具體定義。
• network architecture即計算機網路的各層及其協議的集合

基本概念

實體(entity) ：表示任何可傳送或接收資訊的硬體或軟體程序。同一系統的各個層次分別都是實體，兩個不同系統的層次分別都是實體。
協議：控制兩個同層實體進行通訊的規則的集合，協議是“水平的” 。
服務：任一層實體需要使用下層服務，遵循本層協議，實現本層功能， 向上層提供服務，服務是“垂直的” 。
透明：下層協議的實現對上層的服務使用者是透明的。
SAP和交換原語：同系統的相鄰層實體間通過介面進行互動（服務和要求服務），通過服務訪問點 SAP(Service Access Point)和交換原語（控制指令），指定請求的特定服務。

L10OSI與Internet參考模型

OSI參考模型

開放系統互連 (OSI)參考模型是由國際標準化組織 (ISO) 於1984年提出的分層網路體系結構模型。目的是支援異構網路系統的互聯互通。

• 異構網路系統互連的國際標準
• 理解網路通訊的最佳學習工具（理論模型），市場失敗
• 7層劃分

OSI參考模型解釋的通訊過程

• 協議控制層次之間資料的邏輯傳輸，使用虛線表示；實際資訊傳輸是通過傳輸介質實現的，傳輸使用實線表示。
• 中間系統只需要網路層、資料鏈路層、物理層
• 主機需要全部7層。

OSI參考模型資料封裝與通訊過程

• 傳送方各層次依據協議附加頭部資訊，逐層向下遞增
• 接收方個層次按協議拆解、解析頭部，逐層向上遞減
• 物理層不會再對資料加工

為什麼需要資料封裝？

• 增加控制資訊
  • 構造協議資料單元 (PDU)
• 控制資訊主要包括:
  • 地址（Address） : 標識傳送端/接收端
  • 差錯檢測編碼（Error-detecting code） : 用於差錯檢測或糾正
  • 協議控制（Protocol control） : 實現協議功能的附加資訊，如: 優先順序（priority）、服務質量（QoS）、 和安全控制等

層次功能介紹

物理層功能

提供基本的位元流傳輸服務，並不能穩定的進行資料傳輸，需要資料鏈路層的輔助。

• 介面特性
  • 機械特性、電氣特性、功能特性、規程特性
• 位元編碼：如何表示0如何表示1
• 資料率：物理層上資料傳輸速率
• 位元同步：保證傳送接收同步
  • 時鐘同步
• 傳輸模式
  • 單工（Simplex）：單向通訊
  • 半雙工（half-duplex）：交替進行，同一時刻只能單向通訊（對講機）
  • 全雙工（full-duplex）：同一時刻能雙向通訊

資料鏈路層功能

為網路層提供高質量的資料傳輸功能。

• 負責物理鏈路直接相連的兩個節點之間的資料傳輸，結點-結點（node-to-node）資料傳輸。注意物理層不會再加頭尾，物理層發的只是位元，資料鏈路層保證為網路層提供高質量的資料交換服務，物理層只是實現位元傳輸。
• 組幀（Framing），傳送資料時將來自網路層的資料加頭加尾。了使傳輸中發生差錯後只將有錯的有限資料進行重發，資料鏈路層將位元流組合成以幀為單位傳送。
• 差錯控制：檢測並重傳損壞或丟失幀，並避免重複幀。常見的是校驗碼。
• 幀同步：幀的組織結構必須設計成使接收方能夠 明確地從物理層收到的位元流中對其進行識別，也即能從位元流中區分出幀的起始與終止，這就是幀同步要解決的問題。
• 物理定址（Physical addressing）：在幀頭中增加發送端和/或接收端的實體地址標識資料，物理層並不能很好的控制位元流接受物件，很可能接受方是無篩選的，這時候就需要增添實體地址來告訴接收方該資料是否是以其為物件的。
• 流量控制（Flow control）：匹配發送接受端的頻寬，避免淹沒接收端造成擁塞或丟包。
• 訪問(接入)控制（Access control）：對於共享的資料鏈路，在任一給定時刻決定哪個裝置擁有鏈路（物理介質）控制使用權。

網路層功能

傳輸層和資料鏈路層之間。保證網路上的資料傳輸。

• 邏輯定址（Logical addressing）：全域性唯一邏輯地址，確保資料分組被送達目的主機，如IP地址。物理定址在不同網路中不具有唯一性，無法在多網路中有效定址。
• 路由：路線選擇
• 分組轉發 ：分組轉發資料

傳輸層功能

負責源-目的（端-端）（程序間）完整報文傳輸

• 報文的分段重組
• SAP定址（業務接入點）：其頭部有源-目的程序號、埠號、其他型別SAP號
• 連線控制：端-端邏輯連線的建立維護拆除
• 流量控制（可選）：匹配發送接受速度問題
• 差錯控制（可選）：差錯、糾錯

會話層功能

在osi中功能非常少，實際應用上沒有這一層

• 對話控制：建立維護
• 同步：在資料流插入“同步點”

表示層功能

處理兩個系統間交換資訊的語法與語義（syntax and semantics ） 問題，實際應用上沒有這一層

• 資料表示轉化
  • 轉換為主機獨立的編碼
• 加密/解密
• 壓縮/解壓縮

應用層功能

幫助使用者通過使用者代理（如瀏覽器）或網路介面使用網路應用

典型應用層服務：

• 檔案傳輸（FTP）
• 電子郵件（SMTP）
• Web（HTTP）

TCP/IP參考模型

先實踐後整理，不同於osi先理論後實踐

IP可用於任何網路介面層，這也是TCP/IP得以快速發展的原因之一。

5層參考模型

綜合 OSI (理論清晰)和 TCP/IP 的優點(實用)，實用最廣泛的參考模型，課程講解也是用該模型。

• 應用層: 支援各種網路應用
  • FTP, SMTP, HTTP
• 傳輸層: 程序-程序的資料傳輸
  • TCP, UDP
• 網路層: 源主機到目的主機的資料分組路由與轉發
  • IP協議、路由協議等
• 鏈路層: 相鄰網路元素（主機、交換機、路由器等）的資料傳輸
  • 乙太網（Ethernet）、 802.11 (WiFi)、PPP
• 物理層:位元傳輸

5層模型的資料封裝

注意，交換機只有鏈路層和物理層，而路由器還有網路層，即交換機無法在多網路間傳播。

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