1.什么是计算机网络

计算机网络

计算机网络：计算机网络有若干个节点和连接这些节点的链路组成。

网络和网络还可以通过路由器互连起来——>网络的网络互联网。

通常将连接在网络上的计算机系统成为主机。

计算机网络的基本功能：连通性、共享。

计算机网络的定义：计算机网络组要是由一些通用的、可编程的硬件互联而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

计算机网络的分类

1.从网络的作用范围进行分类

广域网WAN：作用范围通常为几十到几千公里。

城域网MAN：作用距离为5~50公里。

局域网LAN：局限在较小的范围（如1公里左右）。

个人区域网PAN：范围很小，大约在10米左右。

2.从使用网络的人进行分类

公用网：按规定缴纳费用的人都可以使用的网络。

专用网/；为特殊业务工作的需要而建造的网络。

3.用来把用户接入到互联网的网络

接入网AN，它又称为本地接入网或居民接入网。

internet是普通名词：泛指一般的互联网。

Internet是专有名词：世界范围的互联网，使用TCP/IP协议族、前身是美国的阿帕网ARPANET

2.计算机网络的组成

互联网的组成

从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块：

(1) 边缘部分： 由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。

(2) 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

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，又被称为端系统 (end system)。

端系统在功能上可能有很大的差别，（PC、工作站、手机......）。

互联网的边缘部分

端系统之间通信的含义

“主机 A 和主机 B 进行通信”实际上是指：“运行在主机 A 上的某个进程和运行在主机 B 上的另一个进程进行通信”。

端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：

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

1、客户/服务器方式（C/S 方式）：

客户 (client) 和服务器 (server) 都是指通信中所涉及的两个应用进程。

客户/服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。

客户——服务的请求方，服务器——服务的提供方。

2、对等方式（P2P 方式）

对等连接 (peer-to-peer，简写为 P2P) 是指主机不严格区分为服务方和被服务方。

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存储在硬盘中的共享文档。

对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既可以是客户又可以是服务器。

例如：主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户，D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。

互联网核心部分

网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性。

通过数据交换技术实现。

数据交换是设备在通信双方找出一条实际物理线路的过程。

“交换”(switching)的含义就是转接 —— 把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

实现数据交换的方法有：

电路交换——电信网中使用

报文交换——电报系统使用

分组交换——互联网使用

互联网中使用的交换技术是分组交换，实现分组交换的主要设备是路由器。

电路交换

电路交换必定是面向连接的，电路是独占的。

电路交换分为三个阶段：

建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用；通信：主叫和被叫双方就能互相通电话；释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路（释放刚才占用的所有通信资源）。

分组交换的出现电话网是为电话通信设计的。电路交换的电话网很适合于电话通信。计算机通信具有突发性、断续性。电路交换传送计算机数据效率低线路利用率低建立通路的呼叫过程对于计算机通信太长

计算机逐渐增多，连网的需求日益迫切，计算机网络需要使用更加有效的连网技术。

报文交换

报文：要发送到目的方的整个数据。

存储-转发方式

无连接i

存在问题：

1、报文越大传输时延越大；

2、中间交换设备的存储缓存大小要求也取决报文的大小。

分组交换

分组交换的优点：

高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。

灵活：为每一个分组独立地选择最合适的转发路由。

迅速：以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组。

可靠：保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性。

三种交换方式比较

若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。

3.计算机网络的性能指标

1、速率

指数据的发送速率，也称为数据率 (data rate)或比特率 (bit rate)。

速率的单位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s 等。1Gbit/s=1000Mbit/s。

而数据的单位是bit：1kbit=1024bit，1Mbit=1024kbit，1Gbit=1024Mbit······

速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

2、带宽(bandwidth)

带宽本来是指信号具有的频带宽度，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”。

最高数据率往往受频带宽度的限制。（第2章中的奈奎斯特准则和香农定理）

宽带传输

有些人愿意用“汽车在公路上跑”来比喻“比特在网络上传输”，认为宽带传输的好处就是比特在通信线路上跑的更快，好比汽车在高速公路上可以跑得更快一样。

对于这种比喻一定要谨慎对待。

更恰当的比喻是：汽车通过收费站上高速。

宽带传输：单位时间内通过收费站的汽车数量更多，即结点发送出去的bit更多。

通过收费站后在高速上跑的汽车最高限速都是120，即比特在传输媒体上传播的速度和带宽无关，而是取决于传输介质本身，比如：铜线为230000000m/s;而光纤为200000000m/s。

区分在网络中的两种不同的速率：

信号（即电磁波）在传输媒体上的传播速率（米/秒，或公里/秒）

计算机向网络发送比特的速率（比特/秒）

这两种速率的意义和单位完全不同。

宽带传输：计算机向网络发送比特的速率较高。

3、吞吐量

吞吐量 (throughput) 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。

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。

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

(1) 发送时延

发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。也称为传输时延。

也就是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的时间。

(2) 传播时延

电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

发送时延与传播时延有本质上的不同。

信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。

(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。

当路径有很多段儿时，总时延等于每段儿链路上这四种时延之和。

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。

6. 往返时间 RTT

互联网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互的。因此，有时很需要知道双向交互一次所需的时间。

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收方的确认，总共经历的时间。

在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。

当使用卫星通信时，往返时间 RTT 相对较长，是很重要的一个性能指标。

7. 利用率

分为信道利用率和网络利用率。

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。

网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。

信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0之间的关系：

D=D0/(1-U) 其中：U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。

4.计算机网络的体系结构

计算机网络是个非常复杂的系统

计算机网络=计算机技术+通信技术

包含各种类型的软硬件：主机（各类可编程设备）、交换机、路由器、各种链路、各种通信协议······

要能支持多种应用

系统中相应设备必须高度协调工作才能实现连通和共享资源的功能。

计算机网络的复杂性使得要实现这种“协调”是相当复杂的。

计算机网络的体系结构 (architecture) 就是用来描述计算机网络如何实现连通性和共享功能的模型。

层次化的体系结构

体系结构的设计要有利于计算机网络功能的实现。（连通性和共享）

“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就比较易于研究和处理。

“分层”可以清晰地反映出系统的结构和关系。

类似于模块化的思想。

分层的优点：

各层之间是独立的。

灵活性好。

结构上可分割开。

易于实现和维护。

能促进标准化工作。

计算机网络体系结构大都是采用分层结构

每一层完成特定的功能，层和层之间相互结合完成整个计算机网络的功能。

计算机网络体系结构是描述计算机网络各功能层及其相互关系的模型，是抽象的。

实现 (implementation)是在遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题，实现是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

分层的不足

层数太少——会使每一层的协议太复杂。

层数太多——有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生了额外开销；会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难；降低效率。

层数多少要适当！

体系结构中的基本概念

实体 (entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

通信双方相对应层的实体——对等实体。

对等实体之间传送的数据称为该层的协议数据单元 PDU (Protocol Data Unit) 。

协议（protocol）是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，是水平的，下层协议对上层用户透明。

在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。

服务访问点 SAP （Service Access Point）是同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。

上层使用服务原语（交换原语）获得下层所提供的服务。

层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元 SDU (Service Data Unit)。

可以是多个 SDU 合成为一个 PDU，也可以是一个 SDU 划分为几个 PDU。

网络协议

网络协议 (network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换在对等实体间建立的规则、标准或约定。

网络协议的三个组成要素

语法：数据与控制信息的结构或格式 。

语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。

同步：事件实现顺序的详细说明。

协议的两种形式

一种是使用便于人来阅读和理解的文字描述。

另一种是使用让计算机能够理解的程序代码。

这两种不同形式的协议都必须能够对网络上信息交换过程做出精确的解释。

OSI/RM模型划分了7个功能层

体系结构模型之——TCP/IP参考模型

五层协议的体系结构

理解计算机网络体系结构时，综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。

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