计算机网络 控制 notes

【网络系统与控制】1-通信网络概述

Posted by Orchid on February 20, 2025

一、通信网络的基本概念

  1. 网络的定义

    • “网络”（Network）是一个统称，泛指把人或物互连在一起而形成的系统。

    • 互联网（Internet）：是全球众多网络相互连接而成的特定网络，采用TCP/IP协议。

    • 端系统通过通信链路和分组交换机（packet switch）连接到一起

      端系统：网络应用，使用/产生 网络信号/数据，数据流的起点和终点 传感器：产生x，y，-> 网络 控制器：使用x，y，<- 网络 产生u -> 网络 执行器：接收u <- 网络 分组交换机：网络的网络，(路由器、交换机是不同的) 通信链路：数据包在网络中的传输路径

  2. 网络的组成

    • 网络边缘：包括端系统/主机（客户机和服务器）、接入网（将主机物理连接到边缘路由器）。

      边缘路由器：端系统到任何其他端系统的路径上的第一台路由器

    • 网络核心：由互连的分组交换机组成，是“网络的网络”。

二、网络边缘与接入技术

  1. 接入方式
    • 数字用户线（电话线）、电缆、光纤、Wi-Fi/IEEE 802.15.4、LTE/5G等。
  2. 物理媒介
    • 导引型媒介：双绞铜线、同轴电缆、光缆。
    • 非导引型媒介：无线电波、卫星信号。

三、网络核心与交换技术

  1. 交换方式
    • 分组交换：
      • 源和目的地之间，每个分组通过通信链路和分组交换机传送。
      • 存储-转发传输机制：交换机向输出链路转发分组的第一个比特前，需收到整个分组。
    • 电路交换、报文交换
  2. 分组交换的几个关键
    • 核心机制：存储与转发 $\Rightarrow$ 时延
    • 排队时延：分组到达速率 > 链路发送速率时，分组在交换机输出缓存排队。
    • 丢包：输出缓存被充满时，分组丢失。
    • 路由与转发

四、网络性能指标

  1. 时延

    • 时延包括处理时延、发送时延、排队时延和传播时延 $\Rightarrow d_{节点} = d_{延迟}+d_{发送}+d_{排队}+d_{传播}$

    • 处理时延：主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花 费的时间

    • 排队时延：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延，与流量强度相关

      流量强度：La/R

      • La/R ~ 0: 平均排队时延很小 • La/R à 1: 平均排队时延很大 • La/R > 1: 比特到达队列的平均速率超过从该队列传输出去的速率, 排队时延趋向无穷大!

    • 发送时延：$d_{发送}=L(bit)/R(bps)$。

    • 传播时延：$d_{传播}=链路距离（m）/物理媒介传输速率（m/s）$。

    • 端到端时延：假设路径上有N-1台路由器，且输出队列均没有拥塞，时延 $d_{E2E}=N(d_{处理}+d_{发送}+d_{传播})$。

  2. 丢包

    • 排队导致缓存溢出
    • 链路传输有比特错误率
    • 丢失的分组可能由源或者中继节点重传

  3. 吞吐量

    • 表示单位时间内通过网络的数据量，包括瞬时吞吐量和平均吞吐量。
    • 端到端吞吐量受限于瓶颈链路，吞吐量 $=min(R_1,R_2,…,R_n)$。

五、协议层次及其服务模型

  1. 协议的定义

    • 定义了通信实体之间交换的报文格式和顺序，以及发送/接收报文时的动作。

  2. 网络层级功能

    • 每一层实现某些功能、服务，使用下层提供的服务。

  3. 网络层级结构

    • ISO/OSI体系结构：七层模型，包括应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。

    • TCP/IP体系结构：四层模型，包括应用层、运输层、网际层、网络接口层

    • 五层协议体系结构：五层模型，包括应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。

      • 应用层：端系统之间文件数据交换，产生数据和信息流的关键（控制和感知）
      • 传输层：进程 $\leftrightarrow$ 进程，确保端到端传递、流量控制
      • 网络层：主机 $\leftrightarrow$ 主机
      • 链路层：沿着路经把数据传给下一个节点
      • 物理层：比特移动，电磁波，coding

  4. 数据封装与传输

    • 应用进程数据经过各层封装，加上相应层的首部（和尾部），最终成为比特流在物理媒体中传播。

    • 接收端逐层剥去首部（和尾部），最终将应用程序数据上交给应用进程。

六、互联网的历史

  1. 分组交换的发展（1961-1972）
    • 1961年：Kleinrock提出使用分组交换处理突发性流量。
    • 1964年：Paul Baran研究分组交换在军用网络上的应用。
    • 1960年代：英国科学家研究分组交换技术。
    • 1967年：ARPA公布ARPAnet计划，是第一个分组交换的计算机网络，是今天互联网的直接祖先。
    • 1969年：第一台分组交换机安装在UCLA。
    • 1972年：ARPAnet首次公开演示，出现第一个网络控制协议和第一封电子邮件。
  2. 互联网的爆炸式增长（20世纪90年代）
    • 1990初期：ARPANET消失，万维网（WWW）应用程序出现。
    • 1990后期：大量初创公司创造互联网产品，互联网进入飞速增长和创新期。
    • 1995-2001年：互联网金融市场突变，出现互联网股票崩盘，但也诞生了微软、阿里、思科、腾讯、雅虎、谷歌、亚马逊等互联网巨头。
    • 2005年至今：家庭宽带、高速公共网络、WiFi和LTE/5G的积极部署，在线社交网络、专用网络、云计算、边缘计算等的发展。
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