计算机网络概述

目录

1.1 计算机网络概述 

1.1.1 基本概念

1.1.2 组成

1.1.3 功能

1.1.4 分类

1.1.5 性能指标

1.2计算机网络体系结构

1.2.1常见的网络体系结构

1.2.2 分层的必要性

1.2.3 分层处理的实现 

1.2.4 实体、协议、服务等概念

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1.1 计算机网络概述 

1.1.1 基本概念

·网络：由若干结点和连接这些结点的链路组成，如图所示，网络将许多计算机连接在一起

·互连网internet：通过路由器将网络互连起来，构成一个覆盖范围更大的网络，称为互连网，也叫网络的网络

 ·互联网Internet：又叫因特网，是一个专有名词，指当前全球最大的开放的，由众多网络相互连接而成的特定互连网，前身为美国的ARPANET，采用TCP/IP协议族作为通信的规则

1.1.2 组成

1.从组成部分看，一个完整的计网主要由硬件—主机、通信链路、交换设备、通信处理机等，软件—实现资源共享的软件和用户使用的工具软件，和协议—规定网络传输数据时的规范，三大部分组成，缺一不可。

2.从工作方式看，互联网Internet主要有边缘和核心两部分组成：

1）边缘部分 由所有连接在互联网上的主机组成，用户用来进行通信和资源共享，在网络边缘端系统间的通信方式为C/S和P2P

①Client/Server：客户和服务器都是通信中所涉及的两个应用进程，客户是服务的请求方，服务器对于客户的请求提供服务，而它们二者都要使用网络核心所提供的服务

 通信过程中，客户程序被用户调用后主动向服务器发送通信请求，在此过程客户程序必须知道服务器程序的地址，服务器程序被动的等待接受来自多个远地或本地的客户请求

②P2P：只要两台主机都运行了P2P软件，它们之间就可以进行平等的，对等连接通信，在通信时两台主机并不区分哪一个是请求方哪一个是服务提供方

 2）核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成，主要为边缘部分提供服务，在此过程中，路由器主要实现分组交换，即转发收到的分组，这是核心部分最重要的功能。

交换——按照某种方式动态的分配传输线路的资源，主要有电路交换，报文交换和分组交换

①电路交换：建立连接→通话→释放连接，这个过程中通话的两用户始终占用通信资源，整个报文的比特流连续的从源点直达终点

②报文交换：基于存储转发原理，整个报文先传送到相邻结点，存储下来后查找转发表再转发到下一个结点

③分组交换：采用存储转发技术，将一个报文划分为几个分组后再进行传送

 1.1.3 功能

1.数据通信 最基本和最重要的功能，实现联网计算机之间各种信息的传输，将分散在不同地理位置的计算机联系起来，进行统一调配控制管理

2.资源共享 可以是软件共享或数据硬件共享，使网络中的资源互通，极大提高个资源的利用率

3.分布式处理 当网络中某个计算机系统负荷过重时，可将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统，从而提高整个系统的利用率

4.提高可靠性 各计算机可通过网络互为替代机

5.负载均衡 将工作任务均衡的分配给网络中的各计算机

1.1.4 分类

1.按作用范围

①广域网(WAN) 提供长距离通信，运送主机所发送的数据，覆盖范围通常是直径为几十千米到几千千米的区域，因而也称远程网。广域网是因特网的核心部分。连接广域网的各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。

②城域网(MAN) 城域网的覆盖范围可以跨越几个街区甚至整个城市，直径范围约5~50km。城域网大多采用以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围讨论

③局域网(LAN) 局域网一般用微机或工作站通过高速线路相连，覆盖范围较小，通常是直径为几十米到几千米的区域。局域网在计算机配置的数量上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台。传统上，局域网使用广播技术，而广域网使用交换技术。

④个人区域网(PAN) 在个人工作的地方将消费电子设备(如平板电脑、手机等)用无线技术连接起来的网络，也称为无线个人区域网(WPAN),覆盖区域的直径约为10m。

2.按拓扑结构

 a）总线形网络 用单根传输线把计算机连接起来。优点是建网容易、增/减结点方便、节省线路；缺点重负载时通信效率不高、总线任意一处对故障敏感。

b）星形网络 每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连。中央设备现在一般是交换机或路由器。优点便于集中控制和管理，因为端用户之间的通信必须经过中央设备。缺点是成本高、中央设备对故障敏感。

c）环形网络。所有计算机接口设备连接成一个环。最典型的例子是令牌环局域网。环可以是单环，也可以是双环，环中信号是单向传输的。

d）网状网络。一般情况下，每个结点至少有两条路径与其他结点相连，多用在广域网中，

有规则型和非规则型两种。优点是可靠性高，缺点是控制复杂、线路成本高。

3.按传输技术

①广播式网络。所有联网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信

道发送报文分组时，所有其他的计算机都会“收听”到这个分组。接收到该分组的计算机将通过检查目的地址来决定是否接收该分组。

②点对点网络。每条物理线路连接一对计算机。若通信的两台主机之间没有直接连接的线

路，则它们之间的分组传输就要通过中间结点进行接收、存储和转发，直至目的结点。

4.按交换技术

5.按使用者

①公用网(Public Network) 指电信公司出资建造的大型网络，所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都可以使用这种网络，也称公众网。

②专用网(Private Network) 指某个部门为满足本单位特殊业务的需要而建造的网络，不向本单位以外的人提供服务。例如铁路、军队等部门的专用网。

6.按传输介质

①有线网络 有双绞线网络、同轴电缆网络等。

②无线网络 有蓝牙、微波、无线电等类型。

1.1.5 性能指标

1.速率Speed

 网络中的速率是指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据率或比特率，单位为b/s (比特每秒or bps)。数据率较高时，可用kb/s (k= 10^3)、Mb/s、Gb/s表示。在计算机网络中，通常把最高数据传输速率称为带宽。

2.吞吐量Throughput

单位时间内通过某个网络的实际数据量，受到网络带宽或网络额定速率的限制

3.带宽Bandwidth

本来表示通信线路允许通过的信号频带范围，单位是赫兹(Hz)。在计算机网络中，带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力，即数字信道所能传送的“最高数据传输速率”，单位是比特/秒(b/s)

4.时延Delay

数据(一个报文或分组)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需要的总时间，由发送时延、传播时延、处理时延和排队时延构成

①发送时延 结点将分组的所有比特传输到链路所需的时间，即从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间，也称传输时延

发送时延=分组长度/信道宽度

=分组长度/发送速率

②传播时延 电磁波在信道中传播一定的距离花费的时间，即一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间

传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率

③处理时延 数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等。

④排队时延 分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。路由器确定转发端口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。

5.时延带宽积

发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特，又称以比特为单位的链路长度          

时延带宽积=传播时延x信道带宽

6.往返时延RTT

从发送端发出一个短分组，到发送端收到来自接收端的确认(接收端收到数据后立即发送确认)，总共经历的时延。在互联网中往返时延还包括各中间结点的处理时延、排队时延及转发数据时的发送时延。

7.信道利用率

指某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的

信道利用率=有数据通过时间/ (有+无)数据通过时间

1.2计算机网络体系结构

1.2.1常见的网络体系结构

1.2.2 分层的必要性

1.物理层

两台主机用一条网线连接起来，此时需要考虑：

·采用怎样的传输媒体？（常见的有双绞线网线）

·计算机上采用什么物理接口来连接传输媒体？（例如RJ45以太网接口）

·使用怎样的信号表示比特0 1？

解决物理层问题后，主机间就可以发送信号传输比特0和1了

2.数据链路层

实用的网络中一般由多台主机构成，多个主机通过总线互连时形成一个总线型网络，此时当主机A要给C发送数据，如何知晓数据的来意去向，所有需要考虑：

·如何标识网络中的各主机（MAC地址）

·目的主机如何从比特流中区分出地址和数据

【注】：总线型网络已经淘汰，现在常用的是以太网交换机将多台主机互连的交换式以太网

解决以上问题后，此时就可实现分组在一个网络上的传输了

 3.网络层

我们使用的因特网是由非常多的网络和路由器互连组成的，如图所示的小型互连网，此时我们不仅需要标识主机还要标识各网络，所以我们要考虑：

·如何标识各网络以及网络上的各主机（共同编址，IP地址）

·路由器如何转发分组，进行路由选择

解决以上问题，就可以实现分组在网络间的传输

 4.运输层

主机运行着两个与网络通信相关的应用进程，某个时刻主机收到来自服务器的分组，这些分组如何选择交付：

·解决进程之间基于网络通信的问题

·出现传输错误（误码或丢包等）时如何处理

以上我们就可以实现进程之间基于网络的通信

5.应用层

解决以上问题后，我们只需制定各种应用层协议，按协议标准编写程序，通过应用进程间的交互完成特定的网络应用，如支持万维网应用的HTTP协议；支持电子邮件的SMTP协议；支持文件传送的FTP协议等

【综述】：

1.2.3 分层处理的实现 

1.2.4 实体、协议、服务等概念

1.实体entity

 任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，其中收发双方相同层次中的实体称为对等实体

2.协议protocol

控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合，主要由语法、语义和同步三要素组成

①语法：定义要交换的数据与控制信息的结构或格式

②语义：定义收发双方所要完成的操作

③同步：定义收发双方的时序关系

3.服务service

 在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上层提供服务，同时实现本层协议也需要下面一层所提供的服务。实体可以看见相邻下层提供的服务，但并不清楚该服务的具体协议，下面的协议对上层的实体是透明的，因此，协议是水平的，服务是垂直的

4.服务访问点service access point

 同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用来区分不同的服务类型，其中：

·物理层的服务访问点是“网卡接口”

·数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段 MAC地址

·网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”IP地址

·运输层的服务访问点为“端口号”

·应用层提供的服务访问点是“用户界面”

5.服务原语

上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令, 这些命令称为服务原语

6.数据单元

·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