【计算机网络笔记】计算机网络的结构

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什么是计算机网络？
什么是网络协议？

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  • 系列文章目录
  • 网络边缘
  • 接入网络
    • 数字用户线路 (DSL)
    • 电缆网络
    • 典型家庭网络的接入
    • 机构（企业）接入网络 (Ethernet)
    • 无线接入网络
  • 网络核心
  • Internet结构
  • 最后

计算机网络的结构主要由三部分构成：

  • 网络边缘: 各种主机及其上的网络应用

  • 接入网络，物理介质: 有线或无线通信链路

  • 网络核心（核心网络）:互联的路由器（或分组转发设备）

    在这里插入图片描述

网络边缘的主机上会运行各种各样的应用。它们通过通信链路与网络中的其他部分连接。最核心的部分由互联的路由器设备组成。正是因为有了网络核心，才可能有更大的网络互联。

下面就分别来看看这三部分：

网络边缘

平时我们所用的电脑、手机等等其实就位于网络边缘。这些计算设备也叫做主机或端系统。这些主机上运行的网络应用程序主要有两种模型方式进行通信：

  • 客户/服务器(client/server)应用模型：客户发送请求，接收服务器响应。服务器端软件在服务器事先运行好，客户端软件运行在客户端然后主动与服务器进行通信。所有的通信都在客户端与服务器间进行，不会出现客户端与客户端之间的通信。比如：Web应用，文件传输FTP应用。
  • 对等(peer-peer, P2P)应用模型：通信双方是对等的，没有客户端和服务器之分，并且在这个应用模型中，没有（或不仅依赖）传统意义上的专用服务器。比如：Gnutella, BT, Skype, QQ。

接入网络

接入网络可能是一个复杂的网络，也可能是一个通信链路。它解决了如何将网络边缘接入核心网络这个问题。

按照接入网络的类型或者最常用的场合，大概可以分这几类：

  • 住宅（家庭）接入网络
  • 机构接入网络 (学校,企业等)
  • 移动接入网络

事实上，不管选择怎样的接入网络，用户最关心的是：

  • 带宽（数据传输速率）
  • 接入方式是独占的还是共享的。独占是带宽为一人所用，共享是大家共同使用带宽。

下面介绍具有代表性的接入网络：

数字用户线路 (DSL)

利用电话线，实现画音和数据的同时传输，这实际上采用了多路复用技术，简单来说就是多种信号使用一种物理介质进行传输。

DSL中典型的是ADSL非对称数字用户线路。

在这里插入图片描述

  • < 2.5 Mbps上行传输速率 (典型速率 < 1 Mbps)。上行就是从家里向网络上发数据

  • < 2.5 Mbps上行传输速率 (典型速率 < 1 Mbps)。下行也就是所谓的下载

  • FDM: >50 kHz - 1 MHz用于下行； 4 kHz - 50 kHz用于上行 ；0 kHz - 4 kHz用于传统电话。把信号调制到不同的频带上，利用不同频带的载波进行传输。

  • DSL是独占的

电缆网络

有线电视网络是一种典型的频分多路复用。平时我们看电视调不同的频道，调的就是载频，频率不同，传输的电视信号就不同。

在这里插入图片描述

有时也叫混合光纤同轴电缆。它也是非对称的，并且还是共享的，用户越多，某个用户获取的平均网络带宽就越低。

典型家庭网络的接入

在这里插入图片描述

机构（企业）接入网络 (Ethernet)

机构接入网络利用最典型的、也是应用最广泛有线局域网技术是以太网。

在这里插入图片描述

  • 主要用于公司、高校、企业等组织机构
  • 典型传输速率：10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps
  • 目前，端系统通常直接连接以太网交换机（switch）

无线接入网络

能够支持无线通信的主机连接到一个基站（在不同的网络里面也称为接入点。

比较典型的无线接入网络有：无线局域网（WiFi）、广域无线网（3G、4G网络等）。

网络核心

互联网的网络核心是互联的路由器网络。

网络核心的关键功能: 路由+转发

以Internet网络为例，作为Internet网络的网络核心，如果收到数据包或数据分组，就像一封信件，里面会有地址信息，核心网络会将它送往接口，送到下一个路由器，以此类推下一个路由器再送到另一个路由器，最终送到目的主机。这个过程中就涉及路由和转发这两个关键功能。

路由协议根据一系列路由算法确定路径，并将路径信息放进路由表。

在这里插入图片描述

Internet结构

Internet互联网是网络的网络，也就是说是由很多网络互联以后形成的一个全球性的、大的互联网。端系统通过接入ISP（access ISPs ）连接到 Internet。接入ISP后必须进一步连接，这样任意两个主机才可以互相发送分组。这样就会构成复杂的网络互连的网络。最终网络的规模和形态主要取决于经济和国家政策。

对于当前Internet结构，没有人能给出精确描述。因为它的动态性很强，随时有网络或主机接入，也随时有网络或主机离开。

那数以百万计的接入ISP是如何互连在一起的呢？就通过大的ISP将一些接入ISP连接在一起，然后这些大型ISP之间再互连从而实现每个接入ISP的互连。这些全球性的ISP之间可以通过对等链路比如光纤实现连接，也可以引用第三方的交换节点实现连接。如下图所示：

在这里插入图片描述

在互联网的发展过程中，还可能会出现另外一种网络，比如区域网络（regional networks）。区域ISP连接就近的接入ISP，然后再进一步连接全球ISP或者说是一级ISP。如下图所示：

在这里插入图片描述

近几年还出现了一种新的网络，就是网络内容提供商(content provider networks，如： Google, Microsoft等) 可能运行其自己的网络，并就近为端用户提供服务、内容。如下图所示：

在这里插入图片描述

所以从整体上来看，最上层是一些全球ISPs，还有一些像谷歌这样的网络内容提供商构建的私有网络（可以跨过一级ISP之间去构建）。一级ISP下面可能还有二级ISP甚至三级ISP，下面再连接区域ISP，区域ISP再连接接入ISP，接入ISP再连接主机。如下图所示：

在这里插入图片描述

所以网络中心只是少数互连的大型网络。

  • “一级” (tier-1)商业ISPs (如：网通、电信、Sprint、 AT&T)，提供国家 或国际范围的覆盖
  • 内容提供商网络（content provider network， 如：Google)：私有网络， 连接其数据中心与Internet，通常绕过一级ISP和区域ISPs

最后

回到一般情况，网络核心要解决的基本问题是如何实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机。解决方法就是数据交换。

下一篇文章介绍什么是数据交换，有哪些典型的数据交换技术，它们有什么优缺点。

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