DJ1-3 计算机网络和因特网

目录

一、物理介质

1. 双绞线

2. 同轴电缆

3. 光纤线缆

4. 无线电磁波

二、端系统上的 Internet 服务

1. 面向连接的服务

TCP（Transmission Control Protocol）

2. 无连接的服务

UDP（User Datagram Protocol）

TCP 和 UDP 的应用场景

三、网络核心部分

1. 电路交换

2. 报文交换

3. 分组交换

4. 比较分组交换与电路交换

5. 总结：网线的分类

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一、物理介质

• 物理链路：在发送方和接收方之间传播位（bit）信号。
• 导引型媒体：信号在固态介质中有向传播, 如：光纤、双绞线、同轴电缆等。
• 非导引型媒体：信号在大气空间或外太空空间自由传播，如：无线电等。

光纤（光）、双绞线（电）、同轴电缆（电）、无线电（电磁波）

1. 双绞线

是指两根彼此绝缘且相互缠绕成螺旋状的铜线。缠绕的目的是减少电磁干扰，提高传输质量。

• 屏蔽双绞线（STP，Shielded Twisted Pair）      
• 非屏蔽双绞线（UTP，Unshielded Twisted Pair）

一根网线共有 4 对双绞线，即 8 根线，两端需要连接水晶头。

参考视频：双绞线及七类水晶头压接讲解_哔哩哔哩_bilibili

拓展知识 1

最开始，若想在端系统 A 和 B 之间传输信息，则必须根据双绞线引脚功能进行配对，即 A 的输出必须配对 B 的输入，从而在两者之间形成交叉线。再后来，使用网卡即可自适应地调整引脚功能，从而在两者之间使用直通线。

• 交叉线：同一根网线的两端使用不同的线序，即一端使用 568A，一端使用 568B 。
• 直通线：同一根网线的两端使用相同的线序，即两端都使用 568A 或 568B 。

拓展知识 2

由于双绞线传输的是电信号，而电信号在传输过程中会产生损耗，因此在工程布线中，要求双绞线的长度 ≤ 100m 。

2. 同轴电缆

是指两根彼此绝缘的同心导体。

双向传输

3. 光纤线缆

光纤传导光脉冲，每个光脉冲代表 1 位。

• 高速传输：高速点对点传输，可达数十或数百 Gbps 。
• 低误码率：中继到更远传输距离。
• 防止电磁干扰，难以被分光窃听。

单模光纤纤芯细，对光的入射角有严格的要求。

• 由于光信号几乎按直线传播，因此传得又远又快。
• 由于光信号入射角相同，因此不会出现弯道超车的情况。

多模光纤纤芯粗，对光的入射角没有那么高的要求。

• 由于光信号有多种入射角，因此可能出现弯道超车的情况。
• 为避免弯道超车，就需要增大两次传输之间的间隔时间，从而导致带宽减小。

另一种分类方式：根据纤芯数量，分为单芯光纤和多芯光纤。

4. 无线电磁波

是指以电磁频谱承载信号。

• 没有物理连线
• 双向传输
• 受传播环境的影响

多路径衰落（干扰物表面反射）、盲区衰落（障碍物绕/透）、干扰（其它电磁信号）。

无线链路的类型有：

• 地面微波
• 局域无线通道
• 广域无线通道
• 卫星通道

二、端系统上的 Internet 服务

1. 面向连接的服务

目的：在端系统间传送数据。

握手：客户和服务器事先进入戒备状态，为接下来的分组交换做好准备。流程如下。

在两个端系统之间建立连接。

TCP（Transmission Control Protocol）

TCP 具有 4 大特性：

• 属于 Internet 的面向连接的服务。
• 可靠、顺序（编号）、字节流传输：解决数据错误、丢失（确认和重传）、时延等问题。
• 流量控制：解决速率不匹配问题，发送方不至于淹没接收方。
• 拥塞控制：当网络拥塞时发送者降低发送速率。

字节流传输是指采用没有边界的数据发送，其对立面为数据报传输。流量控制还能解决接收方缓冲能力有限，导致丢包的问题。

2. 无连接的服务

目的：在端系统间传送数据。

UDP（User Datagram Protocol）

• 属于 Internet 的无连接服务
• 不可靠数据传输
• 无流量控制
• 无拥塞控制

优点：由于传输时不需等待，因此传输速度更快，从而其实时性更好。

TCP 和 UDP 的应用场景

使用 TCP 的网络应用

• HTTP（Web）
• FTP（file transfer）
• Telnet（remote login）
• SMTP（email）

使用 UDP 的网络应用

• 流媒体
• 视频会议
• DNS
• Internet 电话

三、网络核心部分

网络核心部分是由相互连接的路由器构成的网络。基本原理有：

• 电路交换：每次会话预留沿其路径（线路）所需的独占资源，如：电话网。
• 分组交换：数据以离散的数据块通过网络来发送。

报文交换的出现时间位于两者之间。

1. 电路交换

1M 为带宽，单位为 bps 。显然这种独占会导致资源浪费，因此引入分片和多路复用。

① 要求呼叫建立

• 建立一个专门的端到端线路，意味着每个链路上预留一个线路

② 将网络资源（如：链路带宽）分片。

• 频分（frequency division）
• 时分（time division）

③ 采用多路复用（Multiple Access）的方式。

• 分片分配到会话
• 分片没有被会话使用的情况下，分片空载（不共享）

④ 电路级性能得到保证。

频分（FDMA）和时分（TDMA）

频分采用并行方式，因此无延迟。时分采用串行方式，因此需要等待；可通过减小单位时间来减少等待时间。

假设单位时间为 1s，将每个 1s 的 0-0.1s 分配给 “由 A 传输给 B”，即分配一个固定的时隙给 “由 A 传输给 B”。

电路交换举例

从主机 A 到主机 B 经一个电路交换网络需要多长时间发送一个 640Kb 的文件？假设所有链路都是 1.536 Mbps，每个链路使用 TDM 划分成 24 个时隙，创建一条端到端的链路需要 500msec 。

2. 报文交换

报文：用户一次传输的数据总量。

假设 A 的报文比 C 的报文早一位到达 R1，则 C 需要等待 10s 直到 A 的报文传输完毕才能传输。此外，若 A 的数据出错，则 B 只能丢掉全部数据，进行重传，C 需要再等待 10s 。

根源在于：没有限制报文的大小。

3. 分组交换

（1）每个端到端的数据流被划分成分组

• 所有分组共享网络资源
• 每个分组使用链路全部带宽
• 按需使用网络资源

（2）采用统计复用

在统计复用中，A 和 B 的分组没有固定的顺序；在时分复用中，每个主机获得各 TDM 循环帧的固定时隙。

（3）存在资源竞争

① 资源需求总量可以大于可获得资源的总量

② 拥塞：采用分组队列，等待使用链路。

③ 存储转发：分组每次转发 1 站。

• 所有分组均在同 1 个链路上传输
• 每经过 1 个链路就转发 1 次
• 转发分组前，要求收到完整分组

• 存在同一个分组跨越两个路由器
• 不存在同一个分组跨越两段通信链路

（4）分组交换网络的分类

① 数据报网络：TCP/IP

• 分组目的地址决定下一跳
• 会话期间路由可以改变
• 比方：驱车逐段问路

不记录状态信息，不建立连接。

② 虚电路网络：X.25、FR、ATM

• 每个分组有 1 个标签（虚电路号，virtual circuit ID），标签决定下 1 跳
• 连接建立时确定固定的路径，并且将保持于整个会话期间
• 路由器必须为每个连接维护状态信息

虚电路网络模拟电路交换但不会独占资源。

4. 比较分组交换与电路交换

假设 n 个用户共享 1Mbps 的通信链路，每个用户在活动期所需的传输率为 100Kbps，且只有 10% 的时间活动。

对于电路交换

如果有 10 位用户使用该通信链路。

浪费资源。

对于分组交换

如果有 35 位用户使用该通信链路，则同时有 10 位以上活动用户的概率小于 0.0004 。

能够满足。

分组交换允许更多的用户使用网络！

分组交换是最后的赢家吗?

优点：

• 适合大量的突发数据传输
• 资源共享
• 简单, 不需要建立连接

缺点：

• 过度竞争导致分组延迟与丢失
• 需要可靠数据传输、拥塞控制协议

问题：如何提供电路级的性能?

• 对于音视频的网络应用需要带宽保障
• 仍然是 1 个没有解决的问题（教材 CH9）

5. 总结：网线的分类

虚电路网络一定是面向连接的。

数据报网络既可以提供面向连接的服务，也可以提供无连接的服务。

如：Internet 为网络应用既提供面向连接的传输服务（TCP），也提供无连接的传输服务（UDP）。