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数据通信与计算机网络 —— 概述

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数据通信与计算机网络 —— 概述

概述

数据通信系统模型

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  • 源系统 源点： 它是生成数据的设备。如计算机输出的数字比特流。 发送器： 通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够成为在传输系统中进行传输的电磁信号。典型的发送器是调制器，它将计算机输出的数字比特流转换成可在电话网上传输的模拟信号。
  • 传输系统 传输线或网络系统。
  • 目的系统 接收器： 接收来自传输系统的信号，并将其转换成终点可处理的信息。典型的接收器是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，还原出发送端产生的数字比特流。 终点：　获取来自接收器数据的设备。

*数字通信系统主要性能指标

  • 有效性指标 指衡量数据通信系统的传输能力的指标。

    常用带宽、传输速率和频带利用率等指标来表示。

  • 特征性指标 指衡量数据通信系统的传输质量的指标。这些指标与有效性指标有很大关系。

    常用有差错率、可靠性、通信的建立时间、适应性和可维性、经济性、标准性。

有效性指标

带宽

传输速率

频带利用率

特征性指标

差错率

可靠性

主要靠以下两个指标来描述。这里假设一个通讯系统从它工作开始至 TT 时刻，共发生过 NN 次故障，进行过 NN 次维修，每次正常运行的时间是Δti\Delta t_i ，每次维修时间是 ΔtFi\Delta t_{Fi}，则这两个指标分别是：

  1. 平均无故障工作时间 MTBF（Mean Time Between Failure）：指系统各部件相邻两次发生故障的平均间隔时间。

MTBF=∑i=1NΔti/N MTBF= \sum^{N}_{i=1}\Delta t_i/N

  1. 平均故障维修时间 MTTR (Mean Time To Repair) ：指系统发生故障时所需要维修花费的平均时间。

MTTR=∑i=1NΔtFi/N MTTR=\sum^{N}_{i=1}\Delta t_{Fi}/N

系统有效度：系统在规定条件和规定时间内，维持规定功能的概率。

A=MTBFMTBF+MTTR A=\cfrac{MTBF}{MTBF+MTTR}

数据通信网络

数据通信网络的组成

数据通信网络由硬件和软件两部分组成。硬件指数据传输设备、数据交换设备和通信线路等。软件指支持硬件配置实现网络协议功能的各种程序。

数据通信网络的分类

  • 广域网 指覆盖范围很广的远程网络，由结点交换机及其连接的线路组成。目前主要采用分组交换技术。
  • 局域网 指通过通信线路，把较小地域范围内的各种设备连接在一起的通信网络。
  • 城域网 指覆盖范围界于前两者之间的，面向企业的公用网络。

计算机网络概述

计算机网络的组成

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根据因特网的工作方式，它由两大部分组成。

① 核心部分 由大量的各种网络和连接这些网络的路由器组成。它为周边部分提供连通和交换服务。 在核心部分起特殊作用的是路由器(router)。路由器是一种专用计算机，它的主要功能是转发接收到的分组，是因特网上实现分组交换(packet switching)的关键部件。

② 周边部分 由所有连接在因特网上的主机组成。它为用户提供通信(传送数据、音频或视频)和资源共享服务。位于因特周边部分任何两台主机之间的通信，实际上是指：“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。通常把这些主机称为端系统（end system）。

端系统之间的通信有两种模式：

  1. 客户/服务器模式(Client/Server model)

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    主机A(客户)向主机B。 (服务器)发出请求服务。主机B(服务器) B向主机A(客户)提供服务。

  2. 对等模式(Peer-to-Peer)

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    对等模式 (peer-to-peer，简写 P2P)是指两个主机通信时所处的地位是对等的，它们运行着对等软件就可以同时起着客户或服务器的作用向对方提供服务。

计算机网络的分类

按照不同范围的网络：互联网、广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个人区域网PAN。

按照不同服务对象：公用网络、专用网络

*计算机网络的性能指标

  1. 速率（speed）

    定义：计算机网络中的主机在信道上单位时间内的传输量。也称数据率（data rate）或比特率（bit rate）。

    单位：比特/秒 （bit/s）或者 bps

    注意：这里是额定速率，实际速率要比此值更低。

  2. 带宽 (bandwidth)

    定义：是指某个信号所具有的频带宽度。一个信号可能包含不同的频率成分，它的带宽就是这个信号不同频率成分所占的频率范围。如今的网络通信线路，将带宽表示通信线路传送数据的能力，即从网络中的某一点到另外一点所能达到的最高数据传输速率。

    单位：比特/秒(bit/s)

    注意：在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

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  3. 吞吐量（throughput）

    定义：指单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。

    单位：比特/秒 （bit/s）或者 bps

    注意：吞吐量更经常用于对某个网络的性能测试，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。如 100Mbit/s 的以太网，带宽是 100Mbit/s ，典型的吞吐量可能只有 70Mbit/s。

  4. 时延（delay）

    定义：时延指数据(一个报文或分组或比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。

    单位：秒（s）

    总时延 = 传输时延 + 传播时延 + 处理时延+ 排队时延

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    • 发送时延

      指主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。

      发送时延=数据帧长度(b)信道带宽(b/s) \text{发送时延}=\cfrac{\text{数据帧长度}(b)}{\text{信道带宽}(b/s)}

    • 传播时延

      指电磁波在信道中传播一定距离所花费的时间。

      \text{传播时延}=\cfrac{\text{信道长度}(m)}\text{电磁波在信道中的传播速率(m/s)}

      自由空间中电磁波的传播速率为 3.0×105km/s3.0×10^5 km/s 铜线电缆中电磁波的传播速率为 2.3×105km/s2.3×10^5 km/s 光缆中电磁波的传播速率为 2.0×105km/s2.0×10^5 km/s

    • 处理时延

      指主机或网络结点(路由器或交换机) 处理分组所花费的时间。包括对分组的首部分析、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等 。

    • 排队时延

      指分组进入网络结点后，需先在输入队列中排队等待处理，以及处理完毕后在输出队列中排队等待转发的时间。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时，会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于处理时延为无穷大。

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    • 往返时间 RTT (Round-Trip Time) 表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认应答所经历的全部时间。如果接收端收到数据后立即发送确认，这相当于传播时延的两倍。

  5. 时延带宽积

    定义：时延带宽积是指传播时延与带宽之乘积。

    image-20220323205411121 $$ \text{时延带宽积}=\text{传播时延}\times \text{带宽} $$ 单位：b

    注意：链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

  6. 利用率

    定义：

    • 信道利用率：指在规定时间内信道上用于传输数据的时间比例。完全空闲的信道的利用率是零。

    • 网络利用率：指全网络的信道利用率的加权平均值。

      U=1−D0D U=1-\cfrac{D_0}{D}

      式中，D0D_0表示网络空闲时的时延，DD 表示网络当前的时延。UU 的数值在 0 到 1 之间。

    注意：信道利用率力求高些，但并非越高越好。因为信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。拥有较大主干网的ISP都把信道利用率控制在50%以内，否则就采取扩容措施。

计算机网络体结构模型

基本分层结构模型

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网络协议

为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(network protocol)，简称为协议。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。网络协议需要包括：

  1. 语法 数据与控制信息的结构或格式。
  2. 语义 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
  3. 同步 事件实现顺序的详细说明。

OSI模型

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TCP/IP模型

  • 应用层 该层向用务提供一组常用的应用程序，为不同主机上的进程或应用之间提供通信。
  • 传输层 该层提供端对端系统的数据传送服务。
  • 互联网层 该层使用网际协议实现穿越多个网络的路由选择功能。
  • 网络接口层 该层是端系统和通信子网之间的接口，实现端系统与其相连的网络进行数据交换

五层体系结构

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  • 应用层(application layer) 确定进程间通信的性质以满足用户的需求，直接为用户的应用进程提供服务。
  • 传输层(transport layer) 负责主机中两个进程之间的通信(端到端通信)。
  • 网络层(network layer) 负责为分组交换网上的不同主机提供通信。
  • 数据链路层(data link layer，简称链路层) 在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧为单位的数据。
  • 物理层(physical layer) 透明地传送比特流。

其他重要概念

实体

实体(entity) 指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。实体通常指一个特定的软件模块。

协议

协议(protocol)是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。协议的语法定义了所交换信息的结构或格式；协议的语义定义了源端和目的端所要完成的操作。

服务

服务(service)指同一开放系统中某一层向它的上一层提供的操作，但不涉及这些操作的具体实现。

服务访问点（端口）

服务访问点 SAP (Service Access Point)指同一开放系统中相邻层的实体提供服务的交互处。是位于相邻层的界面上，也就是相邻层实体交互的逻辑接口。又称端口(port)。

在OSI模型中，对等层实体传送数据的单位，称为协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)。相邻层实体间传送数据的单位，称为服务数据单元SDU(Service Data Unit)。相邻层实体通过SAP一次交互信息的数据单位，称为接口数据单元IDU(interface Data Unit)。

面向连接服务与无连接服务

面向连接服务(connection-oriented)

  • 面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放三个阶段。
  • 传输的数据具有顺序性。
  • 适用于在一定时期内向同一地发送多个报文的场合。

无连接服务(connectionless)

两个实体之间的通信不需要先建立好一个连接，下层的资源无需事先预作准备，即资源可进行动态分配。无连接服务是一种不可靠的服务，常被描述为“尽最大努力交付”(best effort delivery)或“尽力而为”。

  • 两个通信实体无需同时处于活跃(active)状态。
  • 无连接服务最主要的类型：数据报(datagram)
  • 优点：灵活、方便。缺点：不能防止报文的丢失、重复和失序。

服务原语

在OSI模型中，相邻层之间的服务可用原语(primitive)和参数(parameter)来表示。

  • 原语是相邻层实体交互时所交换的一些必要信息，定义了所执行的操作，其具体实现是通过中断、函数调用、系统调用或OS提供的进程控制机制完成的。

  • 参数用于传递数据和控制信息。

一个完整的服务原语由名字、类型和参数组成。