计算机网络-概述

一、计算机网络发展历史

1、身边的三大类网络

1、电信网络：提供电话、电报及传真等服务；
2、有线电视网络：向用户传送各种电视节目；
3、计算机网络：使用户能在计算机之间传送数据文件；（发展最快并起到核心作用）

2、互联网的两个重要特点

1、连通性

• 任何一台计算机可以向另外一台计算机发送消息
• 互联网上任意两台计算机终端，不管距离多远都是连通的，可以相互发送消息
• 计算机终端：能接入带互联网上的各种设备

2、共享性

3、计算机网络、互连网、互联网

1、计算机网络

由若干节点和连接这些节点的链路组成；

2、互连网

通过路由器把网络互连，构成覆盖性更大的计算机网络；

3、互联网

特指Internet，覆盖全球的计算机网络；

4、互联网基础结构发展的三个阶段

1、第一阶段

从单个网络ARPANET向互联网发展的过程；
1983年：因特网诞生

2、第二阶段

建成了三级结构的互联网，一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网或企业网；

3、第三阶段

逐渐形成了多层次ISP结构的互联网；
ISP（Internet Service Provider）互联网服务提供者

二、互联网的组成

从工作方式划分：边缘部分与核心部分

1、边缘部分

1. 在边缘部分只有一种设备：主机
2. 处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。这些主机又称为端系统。
3. 互联网边缘的部分就是多有能够上网的设备，统称为主机。

2、端系统之间通信

1、主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信，简称为计算机之间的通信。
2、端系统之间的通信方式有两种

1. 客户-服务器方式（C/S方式）
   即Client/Server方式，简称C/S方式。
2. 对等方式（P2P方式）
   即Peer-to-Peer方式，简称P2P方式。

3、客户-服务器工作方式

• 客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程。
• 客户-服务器所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
• 客户软件的特点
  • 被用户调用后运行，打算在通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。
  • B/S方式：（Browse/Server方式）一种特殊的C/S方式。
  • 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

4、服务器软件的特点

1. 专门用提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
2. 被动等待并接受客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。
3. 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

5、对等连接方式

• 对等连接（peer-to-peer，简写为P2P）是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。
• 只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经储存在硬盘中的共享文档。

3、核心部分

1、核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信。
2、路由器是实现分组交换的关键构件。

4、互联网分类（网络作用范围）

1 局域网LAN（Local Area Network）

• 局限在较小的范围（如1公里左右）
• 互联网的边缘部分，主机都在局域网里

2 城域网MAN（Metropolitan Area Network）

• 作用距离约为5~50公里
• 城域网通过接入网连接各种局域网

3 广域网WAN（Wide Area Network）

• 作用范围通常为几十到几千公里
• 互联网的核心部分，通过高速链路把城域网连接到一起
• 各级广域网的连接就是覆盖全球的互联网

4 接入网AN（Access Network）

接入网AN（Access Network），它又称为本地接入网或居民接入网，接入网是一类比较特殊的计算机网络，用于将用户接入互联网。

• ASDL接入
• 光纤同轴混合网（HFC）接入
• FTTx接入
• 3G/4G/5G接入
• 卫星网络接入
  接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。
  

三、电路交换和分组交换

1、在网络核心部分起特殊作用的是路由器（router）。
2、路由器是实现分组交换（packet switching）的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。
3、核心部分：分组交换技术

1、电路交换

1、每一部电话都直接连接到交换机上，二交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。所采用的的方式就是电路交换（circuit switching）。
2、交换即转接；从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按某种方式动态地分配传输路线的资源。
3、电路交换三个阶段

1. 建立连接
2. 通信
3. 释放连接

4、电路交换的缺点

• 计算机数据具有突发性；
• 通信线路的利用率很低，用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%；

2、分组交换

1、分组交换技术采用储存转发技术
2、在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段，然后在每一个数据段前面添加上首部构成分组（packet）；每一个分组的首部都含有目的地址和源地址等控制信息。
3、分组交换网以“分组”作为数据传输单元；依次把各分组发送到接收端。
4、路由器处理分组的过程是先把收到的分组先放入缓存，暂时储存，再查找转发表，找到某个目的地址应该从哪个端口转发，最后把分组送到适当的端口转发出去。
5、分组交换的优点

1. 高效：在分组传输的过程中动态分配传输宽带，对通信链路是逐段占用。
2. 灵活：为每一个分组独立地选择最合适的转发路由。
3. 迅速：以分组作为传送单位，可以不先建立就能向其他主机发送分组。
4. 可靠：保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，是网络有很好的生存性。

6、分组交换的缺点

• 分组在各节点储存转发时需要排队，会造成一定的延时。
• 分组必须携带的首部也造成了一定的开销。

四、计算机网络的性能

1、速率

1. 比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。
2. 比特（bit）是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个0或1.
3. 速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率（data rate）或比特率（bit rate）。
4. 速率的单位是bit/s，或kbit/s、Mbit/s、Gbit/s等。4*10¹⁰ bit/s = 40Gbit/s

2、带宽

1、意义

• “带宽”（bandwidth）本来是指信号具有的频率宽度，其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）
• 在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位是bit/s，即“比特每秒”
• 在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。即一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

2、单位

• 千比每秒（kb/s，10³b/s）
• 兆比每秒（Mb/s，10⁶b/s)
• 吉比每秒（Gb/s，10⁹b/s）
• 太比每秒（Tb/s，10¹²b/s）

3、吞吐量

1. 吞吐量（throughout）表示在单位时间内通过某个网络（或信道，借口）的数据量-
2. 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
3. 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

4、时延

• 时延（delay或latency）是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延。

• 网络中的时延由以下几个不同的部分组成：发送延迟、传播延迟、处理延迟、排队延迟

1 发送时延（传输时延）

• 发送数据时，数据帧从节点进入到传输媒体所需要的时间。即从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需要的时间。
• 发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率（bit/s)

2 传播时延

• 电磁波在信道中需要一定的距离而花费的是时间。
• 传播时延=信道长度(米)/信号在信道上的传播速率(米/秒)

3 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

4 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
• 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量

5 总时延

• 数据在网络中经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和。哪一种时延占主导地位，需要具体分析。

5、时延带宽积

• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。
• 时延带宽积=传播时延*带宽

6、往返时间RTT

• 往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接受方的确认，总共经历的时间。往返时间还包括各中间节点的处理时延、排队时延以及转达数据时的发送时延

7、利用率

1. 利用率分为信道利用率和网络利用率
2. 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。
3. 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。
4. 信道利用率并非越高越好。当信道利用率增大时，该信道引起的时延迅速增加。

五、计算机网络体系结构和层次划分

• 分层可将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题易于处理和研究。
• 开放系统互连参考模型OSI/RM（Open System Interconnection Reference Model），简称为OSI。
• 只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的也遵循这统一标准的任何其他系统进行通信。

1、OSI在市场化方面失败的原因

1. 在完成OSI标准时没有商业驱动力
2. OSI协议实现起来太复杂，且运行效率低
3. OSI标准的制定周期太长，使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场
4. OSI的层次划分也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现

2、各层需要完成的功能

1. 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠
2. 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收
3. 分段和重装：发送端将要发送的数据划分为更小的单位，在接收端将其还原
4. 复用和分用：发送端几个高层回话复用一条低层的连接，在接收端在进行分用
5. 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接

3、三种体系结构