计算机网络和因特网(网络核心和接入网)
网络核心和接入网
- 1.3 网络核心
- 电路交换和分组交换
- 1⃣️电路交换
- 1)工作原理
- 2)电路交换网络中的多路复用
- 3)电路交换缺陷
- 例题:发送文件时间计算(电路交换)
- 2⃣️分组交换
- 1)工作原理
- 2)存储转发传输
- 例题:发送文件时间计算(分组交换)
- 3⃣️报文交换
- 几种交换技术对比
- 4⃣️分组交换网络
- 1)比较
- 分类
- 1⃣️根据工作方式分
- 2⃣️根据作用范围分
- 3⃣️根据使用范围分
- 1.4 接入网
- 网络接入
- 1⃣️住宅接入
- 通过拨号调制解调器
- 新型宽带接入技术
- 2⃣️公司接入
- 3⃣️无线接入
- 物理媒体
- 1⃣️陆地无线电信道
- 2⃣️卫星无线电信道
1.3 网络核心
网络“内部”。连接端系统的分组交换机和链路形成的网状网络。
基本问题:数据如何通过网络传送?
- 电路交换
- 分组交换
电路交换和分组交换
- 电路交换
- 预留端到端资源:端系统之间通信路径上所需要的资源(缓存,链路宽带)。建立连接。
- 发送方以恒定速率向接收方传送数据。如,电话网络
- 分组交换
- 不需要资源预留
- 按需使用资源,可能要排队等待:同时有其它分组发送。如:因特网。
两者比较:
电路交换效率不高:预先分配传输链路,空闲时,浪费链路时间。
分组交换不适合实时服务:端到端时延不确定;
分组交换带宽共享好,简单,有效,成本更低;
分组交换按需分配链路,利用率高。
发展趋势:
广泛使用分组交换,电路交换话网向分组交换转变。
1⃣️电路交换
1)工作原理
通信双方必须先建立一个专用的连接(电路),一直维持,知道通信结束。
eg. 电路交换网络
每个链路可有n条电路,能够支持n条同步连接。
通信过程:
- 在两台主机A、B之间创建一条专用的端到端连接,分别占用每条链路中的一条电路;
- 该连接获得链路带宽的1/n,进行通信
2)电路交换网络中的多路复用
多路复用:在一条传输链路上同时建立多条连接,分别传输数据。
- 频分多路复用FDM
链路的频谱由跨越链路创建的连接所共享。- 按频率划分为若干频段,每个频段专用于一个连接
- 带宽bandwidth:频段的宽度)
- 时分多路复用TDM
时间划分为固定区间的帧,每帧再划分为固定数量的时隙,每一个时隙专用于一个连接,用于传输数据。
3)电路交换缺陷
- 效率较低:
静默期(无数据传输)专用电路空闲,网络资源被浪费; - 创建端到端电路及预留端到端带宽的过程复杂。
例题:发送文件时间计算(电路交换)
2⃣️分组交换
1)工作原理
报文(message):应用程序要传输的信息。包含需要的任何内容。如:控制功能或数据。
- 工作过程
- 源端将报文划分为较小的数据块(分组packet);
- 每个分组通过一系列链路的分组交换机传送,直到目的端
- 目的端恢复原报文
- 分组以链路的最大传输速率传输
- 传输过程中采用存储转发传输机制
2)存储转发传输
分组交换机先将输入端的整个分组接收下来(存储),再从输出链路转发传输出去(转发)。
相关参数:
- 传输时延:将一个分组的所有比特推送到输出链路上所需时间。弱一个分组长 L L L b i t bit bit,链路速率 R R R,该时延是 L / R L/R L/R s s s。
- 输出缓存(输出队列):用于保存准备发往某个链路的分组。每条相连的链路都对应由一个输出缓存。
- 排队时延:分组在输出缓存中等待转发的时间。
某条链路上要转发的分组多,需在其输出缓存中等待。排队时延是变化的,与网络中的拥塞有关。 - 分组丢失:当缓存空间已满时,有的分组要被丢弃。
例题:发送文件时间计算(分组交换)
3⃣️报文交换
将要发送的整个信息作为一个报文发送。
采用存储转发技术:整个报文先传送到相邻节点,全部存储下来,再转发到下一个结点。
几种交换技术对比
- 电路交换:整个报文的比特流连续地从源点直达终点,好像在一个管道中传送。
- 报文交换:整个报文先传送到相邻阶段,全部存储下来后,再转发到下一个结点。
- 分组交换:单个分组(只是整个报文的一部分)传送到相邻节点,存储下来后,再转发到下一个结点。
4⃣️分组交换网络
在源和目的主机之间通过一系列分组交换机转发分组。
类型:
- 虚电路网络
- 数据报网络
两者在建立路由和管理选路方面存在不同
1)比较
虚电路网络:交换机根据虚电路号转发分组。
- 源和目的主机之间先建立虚连接(虚电路)
- 每个虚电路指定一个标识符ID
- 分组带有标识符ID,决定下一跳(转发路径)
如,X.25、帧中继FR和异步传递方式ATM
数据报网络:交换机根据目的地址转发分组。
- 不需要建立连接
- 每个分组带有目的地址,决定下一跳(转发路径)
如,因特网
分类
有三种分类方式分别为工作方式、作用范围和使用范围。
1⃣️根据工作方式分
2⃣️根据作用范围分
局域网LAN(local area network):
范围较小,几公里左右,一幢楼房或一个单位。
一般将微机通过高速通信线路相连,速率高,通常在10 M B / s MB/s MB/s以上。
城域网或市域网MAN(metropolitan area network):
范围在广域网和局域网之间,例如一个城市。
传送速率比WAN高,范围约几~几十公里。
广域网WAN(wide area network):
范围通常为几十~几千公里。也称为远程网。
3⃣️根据使用范围分
公用网(Public Network):
面向大众,交费就可使用。
专用网(Private Network):
只为本单位内使用。
1.4 接入网
接入网(network access):
将端系统连接到其边缘路由器的物理链路。
是用户连接到网络的基础设施。
边缘路由器(edge router):
端系统到任何其它远程端系统的路径上的第一台路由器。
网络接入
- 解决的问题:端系统怎样连接到边缘路由器?
- 接入方式:
- 住宅接入(家庭用户)
- 公司接入(学校、单位)
- 无线接入(移动设备)
1⃣️住宅接入
将家庭端与边缘路由器相连接。
- 通过拨号调制解调器(dial-up modem)
- 新型宽带接入技术
通过拨号调制解调器
将家庭端系统通过普通模拟电话线用拨号调制解调器与住宅ISP相连。
- 调制解调器MODEM功能:
- 调制:将数字信号转换成模拟信号
- 解调:将模拟信号转换成数字信号
数字信号和模拟信号
模拟信号:用连续变化的电磁波表示数据,可以按照不同频率在链路上传输。
数字信号:用一系列电压脉冲表示数据,可用正、负两种电平表示“1”、“0”。
网络接入是沿着一条点对点拨号电话线的一对调制解调器。
点对点接入:
- 端系统方发送:MODEM将PC输出的数字信号转换为模拟形式,在模拟电话线(双绞线)上传输。
- ISP方接收:MODEM再将模拟信号转换回数字形式,作为ISP路由器输入。
缺点:
- 用户有效速率低于56kbps:双绞线质量低。
下载时间长。如下载一首3分钟的MP3歌曲大约需要8分钟 - 不能同时上网和拨打普通电话:不能“总是在线”
新型宽带接入技术
为住宅用户提供更高的数据传输率;
用户可以同时上网和打电话。
- 常用类型:
- 数字用户线DSL(digital subscriber line)
- 混合光纤同轴电缆HFC(hybrid fiber coaxial cable)
- 光线到户(fiber to the homes, FTTH)
(1)数字用户线DSL
有多种形式:
如ADSL(不对称)、SDSL(对称)、HDSL(高速)、VDSL(非常高速)等等。
住宅常用的是ADSL不对称数字用户线(Asymmetrical Digital Subscribe Line)
使用频分复用FDM:通信链路划分为3个不重叠频段:
- 高速下载信道50kHz~1MHz
- 中速上载信道4kHz~50kHz
- 普通的双向电话信道0kHz~4kHz用于普通电话
安装时可采用分离器将入户划分为高频和低频两条线路。
(2)混合光纤同轴电缆HFC
传统广播电视电缆系统的改进。
- HFC结构:采用同轴电缆和光纤混合接入方式
- 传统方式:电缆头端(head end)广播通过同轴电缆和放大器的分配网络传向住宅
2⃣️公司接入
通过局域网(LAN)连接端用户和边缘路由器。
- 先将多个端系统连接成局域网:如采用以太网技术,用双绞线或同轴电缆将端系统彼此连接。
- 局域网再与边缘路由器连接:边缘路由器负责与外连接。
以太网技术:
- 共享以太网:端系统共享以太网的传输速率;
- 交换以太网:多个用户可同时使用全部带宽通信。
3⃣️无线接入
用于无线移动设备(如移动电话和PDA等)的接入。
- 无线局域网(wireless LAN)
- 广域无线接入网(wide-area wireless access network)
无线局域网(wireless LAN)
也称为无线以太网或Wi-Fi(wireless fidelity,无线保真)
- 无线用户通过基站(无线接入点)连接
- 基站与有线的因特网连接,为无线用户提供服务。
- 通过基站互相通信,覆盖范围约几十米
广域无线接入网
- 基站由电信提供商管理,覆盖范围数万米
- 漫游的用户可利用移动电话接入基站
典型技术:
- 利用移动电话设施接入:欧洲的无线接入协议WAP、日本的i模式
- 分组交换接入:第三代无线3G技术、4G、5G、6G
物理媒体
将网络中不同端系统互相连接起来的物理线路。
是进行数据传输的物理通信,通过传播电磁波或光脉冲来发送比特流。
也称为传输媒体、传输介质、传输媒介。
- 分类两大类:
- 引导型媒体:电波沿着固体媒体传播。如双绞线、同轴电缆或光缆等。
- 非引导型媒体:电波在空气或外层空间中传播。如无线电等。
物理媒体的性能对网络的通信、速度、距离、价格以及网络中的节点数和可靠性都有很大影响。
1⃣️陆地无线电信道
利用无线电波在自由空间传播实现通信。
- 不需要安装物理线路;
- 能穿透墙壁、可连接移动用户,长距离传输;
- 性能与传播环境和传输距离有关。
类型:
- 运行在本地区域:跨越数十到几百米,如无线LAN,2Mbps、11Mbps
- 运行在广域:跨越数十千米,如WAP、5G技术等,数百Mbps。
2⃣️卫星无线电信道
通过一颗通信卫星连接两个或多个位于地球的微波发射方/接收方(地球站)。
- 卫星:在一频段上接收信号,使用转发器再生信号,并在另一个频率上发送信号。带宽可达Gb/s。
- 微波:频率很高(2~40GHz),在空间是直线传播,会穿透电离层而进入宇宙空间,不会经电离层反射传播。
两类卫星:
- 同步卫星(geostationary satellite):永久地停留在地球上方的某个固定点上(地球表面上方36000km的轨道)。
- 低纬度卫星(low-altitute satellite):较靠近地球,绕地球旋转。
对一个区域的连续覆盖,需要在轨道上放置许多卫星。
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