计算机网络_因特网概述

1.1因特网概述：

因特网发展的三个阶段：

1969年：从单个网络ARPANET向互联网发展

1985年：逐步建成三级结构的因特网

1993年：逐步形成了多层次ISP（internet service provider）结构的因特网

国内三大提供商（第43次统计报告）总共出口宽带数

中国电信国际出口宽带数：4537680（Mbps）

中国联通国际出口宽带数：2234738(Mbps)

中国移动国际出口宽带数：1997000(Mbps)

因特网的组成

边缘部分

由所有连接在因特网上的主机组成（包括但不仅限于下几个）

1. 电脑

2. 手机

3. 平板

4. 笔记本

核心部分

由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务（包括但不仅限于下几个） 1.路由器 2.大量网络

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1.2三种交换方式

电路交换（Circuit Switching）

三个步骤

建立连接（分配通信资源） ​ 通信（一直占用通信资源） ​ 释放连接（归还通信资源）

比特流直达终点

电路交换的优点：

通信时延小 ​ 有序传输 ​ 没有冲突 ​ 适用范围广 ​ 实时性强 ​ 控制简单

电路交换的缺点：

建立连接时间长 ​ 线路独占，使用效率低 ​ 灵活性差 ​ 难以规格化

分组交换（Packet Switch）

发送方

构造分组 ​ 发送分组

路由器

缓存分组 ​ 转发分组

接收方

接受分组 ​ 还原报文

报文前加上首部（简称包）

整个报文存储转发

优点

无需建立连接 ​ 线路利用率高 ​ 简化了存储管理 ​ 加速传输 ​ 减少出错概率和重发数据量

缺点

引起了转发时延 ​ 需要传输额外的信息量 ​ 对于数据报服务，存在失序、丢失或重复分组的问题；对于虚电路服务，存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

报文交换（Message Switching）

报文进行分组并前加上首部

分组存储转发

优点

无需建立连接 ​ 动态分配线路 ​ 提高线路可靠性 ​ 提高线路利用率 ​ 提供多目标服务

缺点

引起了转发时延 ​ 需要较大存储缓存空间 ​ 需要传输额外的信息量

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1.3计算机网络的分类

按交换技术分类

电路交换网络 ​ 报文交换网络 ​ 分组交换网络

按使用者分类

公用网 ​ 专用网

按传输介质分类

有线网络 ​ 无线网络

按覆盖范围分类

广域网WAN

覆盖范围几十公里到几千公里

城域网MAN

覆盖范围5至50公里

局域网LAN

在较小的范围内（如实验室、教学楼）

个域网PAN

覆盖范围大约为10米

按拓扑结构分类

总线型网络

优点

建网容易 ​ 增减结点方便 ​ 节省线路

缺点

重负载时通信效率不高 ​ 总线任意一处出现故障，则全网瘫痪

星型网络

优点

便于网络的集中控制和管理

缺点

成本高，中央设备对故障敏感

环型网络

环中信号是单向传输

网状型网络

优点

可靠性高

缺点

控制复杂、线路成本高

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1.4性能指标

速率

比特

是计算机中的数据量单位

$$
8bit = 1Byte\\\\ 1KB = 2^{10}B\\\\ 1MB = K×KB = 2^{20}B\\\\ 1GB = K×MB = 2^{30}B\\\\ 1TB = K×GB = 2^{40}B\\\\ 厂家中的1GB为10^9
$$

速率

是连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也成为比特率或数据率

$$
1bit/s\\\\ 1kb/s = 10^3 b/s\\\\ 1Mb/s = k×kb/s = 10^6 b/s\\\ 1Gb/s = k×Mb/s = 10^9 b/s\\\\ 1Tb/s = k×Gb/s = 10^{12} b/s\\\\
$$

带宽

模拟信号系统中的意义

信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围 ​

$$
kHz\\\\ MHz\\\\ GHz\\\\
$$

计算机网络中的意义

表示网络的通信线路所能传送数据的能力

$$
kb/s Mb/s Gb/s
$$

吞吐量

表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量 ​ 吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制

时延

发送时延

分组长度（b）/发送速率（b/s）

传播时延

$$
信道长度（m）/电磁波传播速率（m/s）\\\\ 自由空间: 3×10^8 m/s\\\\ 铜线: 2.3×10^8 m/s\\\\ 光纤: 2.0×10^8 m/s\\\\
$$

处理时延

时延带宽积

$$
传播时延×带宽
$$

往返时间RTT

源主机收到目的主机的确认需要的时间

利用率

$$
信道利用率\\\\ 网络利用率\\\\ 网络当前的时延 = 网络空闲时的时延 / (1 - 利用率)\\\\
$$

丢包率

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1.5计算机网络体系结构

常见的计算机网络体系结构

OSI体系结构

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

应用层

HTTP协议 ​ SMTP协议 ​ DNS协议 ​ RTP协议 ​ 等等

运输层

TCP协议 ​ UDP协议

网际层

IP协议 ​ 网络接口层

原理体系结构

应用层 ​ 运输层 ​ 网络层 ​ 数据链路层 ​ 物理层

计算机网络体系结构分层的必要性

应用层

通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用

运输层

如何解决进程之间基于网络的通信问题 ​ 出现传输错误时，如何处理

网络层

如何标识各网络以及网络中的各主机 ​ 路由器如何转发分组，如何进行路由选择

数据链路层

如何标识网络中的各主机 ​ 如何从信号所表示的一串比特流中区分出地址和数据 ​ 如何协调各主机争用总线

物理层

使用怎样的信号表示比特0和1

计算机网络体系结构分层思想举例

发送端

应用层 ​ HTTP报文 ​ 运输层 ​ HTTP TCP报文段 ​ 网络层 ​ HTTP TCP IP数据报 ​ 数据链路层 ​ ETH HTTP TCP IP ETH帧 ​ 物理层 ​ 比特流

路由器

网络层 ​ HTTP TCP IP数据报 ​ 数据链路层 ​ ETH HTTP TCP IP ETH帧 ​ 物理层 ​ 比特流

接收端

发送端同理，发送端自顶向下，接收端逐步解析

计算机网络体系结构结构的专用术语

实体

任何可发送或接受信息的硬件或软件进程

协议（水平）

语法 ​ 定义所交换信息的格式 ​ 语义 ​ 定义收发双方要完成的操作 ​ 同步 ​ 定义收发双方的时序关系

服务（垂直）

下面的协议对上面的实体时透明的

协议数据单元PDU

对等层次之间传送的数据包

服务数据单元SDU

同一系统内，层与层之间交换的数据包