第一章 计算机网络概述

学习目的及要求

• 理解并掌握计算机网络、网络协议等基本概念
• 理解计算机网络的分类
• 理解计算机网络的组成
• 掌握电路交换、报文交换的工作原理及其特点
• 掌握计算机网络主要性能指标与分组交换网性能分析计算方法
• 理解网络体系结构概念，掌握OSI参考模型及TCP/IP参考模型，了解计算机网络发展历史

考核要求

计算机网络基本概念与网络结构

识记

• 计算机网络的概念
• 网络协议的概念
• 计算机网络的分类
• 计算机网络的结构、网络边缘、网络核心与接入网

领会

• 计算机网络的功能或作用
• 协议的三要素

数据交换技术与计算机网络性能指标

识记

• 数据交换基本概念

领会

• 电路交换、报文交换、分组交换基本工作原理、特点
• 计算机网络的主要性能指标，包括宽带、速率、时延、丢包率、吞吐量、时延带宽积
• 分组交换网络的时延（节点处理时延、排队时延、传输时延、传播时延）

应用

• 报文交换与分组交换网络的传输时延，传播时延的计算
• 分组交换网络的吞吐量的计算
• 分组交换王阔的时延带宽积的计算
• 分组交换网络丢包率的计算

计算机网络体系结构与参考模型

识记

• 计算机网络分层体系结构的基本概念
• OSI参考模型层次结构
• TCP/IP参考模型层次结构及主要协议
• OSI参考模型与TCP/IP参考模型的比较

领会

• 服务、接口、SAP、协议、对等层、端到端层等概念
• 虚通信与物理通信过程
• OSI参考模型各层功能
• TCP/IP参考模型各层功能

知识点

一、计算机网络基本概念

1.计算机网络定义

• 计算机网络是互连的、自治的计算机的集合
  自治：指互连的计算机系统彼此独立，不存在主从或者控制与被控制的关系
  互连：指利用通信链路连接相互独立的计算机系统

2.协议

2.1 定义

协议是网络通信实体之间在数据交换过程中需要遵守的规则或约定，是计算机网络有序运行的重要保证

2.2 协议三要素

• 语法
  定义实体之间交换信息的格式与结构，或者定义实体之间传输信号的电平等
• 语义
  定义实体之间交换的信息中需要发送哪些控制信息，这些信息的具体含义，以及针对不同含义的控制信息，接收信息端如何响应
• 时序（同步）
  定义实体之间交换信息的顺序以及如何匹配或适应彼此的速度

3.计算机网络的功能

• 硬件资源共享
• 软件资源共享
• 信息资源共享

4.计算机网络的分类

4.1按覆盖范围

• 个域网（PAN） 1~10M
• 局域网（LAN） 10M~1KM
• 城域网（MAN）5~50KM
• 广域网（WAN）几十KM~几千KM

4.2按拓扑结构分类

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• 星型拓扑结构：一个中央节点
  优点：易于管理和监控，故障诊断与隔离
  缺点：网络的瓶颈，一旦故障，全网瘫痪，网络规模受限于中央结点的端口数量
• 总线型拓扑结构：所有节点与总线连接
  优点：结构简单，所需电缆少，易于扩展
  缺点：通信范围受限，故障诊断与隔离较困难，容易产生冲突
• 环状拓扑结构：所有结点连成一个闭环
  优点：所需电缆长度短，可以使用光纤，易于避免冲突
  缺点：某结点故障容易引起全网瘫痪，新节点加入或撤出过程比较麻烦，存在等待时间问题
• 网状拓扑结构：结点通过多条链路与结点直接连接
  优点：网络可靠性高
  缺点：结构复杂，造价成本高，选路协议复杂
• 树形拓扑结构
  优点：易于扩展，故障隔离容易
  缺点：对根结点性能要求高，根结点故障，导致网络大面积瘫痪
• 混合拓扑结构
  优点：易于扩展，可以构件不同规模的网络，并可根据需要优选网络结构
  缺点：网络结构复杂，管理与维护复杂

4.3按交换方式分类

• 电路交换网络
• 报文交换网络
• 分组交换网络

4.4按网络用户属性分类

• 公用网
• 私有网

二、计算机网络结构

1.网络边缘

• 主机
• 端系统

2.接入的网络

1. 电话拨号接入
2. 非对称数字用户线路ADSL
   频分多路复用（FDM）：电话语音通信与数字通信共享一条线路
3. 混合光纤同轴电缆HFC接入网络（电缆调制解调器接入）
4. 局域网
5. 移动接入网络

3.网络核心

由通信链路互连的分组交换设备构成的网络，作用是实现网络边缘中主机之间的数据中继与转发

三、数据交换技术

1.数据交换

概念

• 数据交换网络
  中间网络不需要关心所传输数据的内容，而只是为这些数据从一个结点到另一个结点直至达到目的结点提供数据中继与交换功能
• 交换结点
  组成交换网络的结点称为交换结点
• 通信子网
  交换结点和传输介质的集合称为通信子网

2.电路交换

1. 建立电路
   数据传输之前先建立端对端的电路，这个电路建立的过程实际上就是一个个交换结点的接续过程
2. 传输数据
   被传输数据可以使数字数据也可以是模拟数据
   数据的传输可以使单工也可以是全双工
3. 拆除电路
   数据传输完成之后，要释放（拆除）该物理链路
   该释放动作可以由两个通信主机之间任何一方发起完成
   释放信号必须传送到电路经过的各个结点，一遍重新分配资源

• 特点
  有连接的，在通信时需要先建立电路连接，在通信过程中独占一个信道，通信结束后拆除电路连接
• 优点
  实时性高，时延和时延抖动都较小
• 缺点
  对于突发性数据传输，信道利用率低，且传输速率单一
• 适用场景
  语音、视频等实时性强的场景

3.报文交换

• 存储-转发 交换方式
  发送方组装好报文之后即可向相邻的交换结点发出，交换结点收到整个报文并且检查无误后，暂时存储报文，然后利用路由选择找出要转发的下一个结点的地址，再把整个报文转发给下一个结点
• 优点
  报文交换线路利用率高
• 缺点
  结点收到的报文过多二存储空间不够或者输出链路被占用不能及时转发时，就不得不丢弃报文

4.分组交换

• 原理
  将传输数据（报文）分割成较小的数据块，每个数据块附上地址、序号等控制信息构成数据分组（packet），每个分组独立传输到目的地，目的地将收到的分组重新组装，还原为报文，采用 存储-转发 方式
• 优点
  • 交换存储设备存储容量要求低：不需要存储完整的报文
  • 交换速度快：不需要访问外存
  • 可靠传输效率高：出错了只需要重新一个分组
  • 更加公平：可以避免小报文在大报文后面排队，全面被拆成小份数据
• 分组长度的确定
  • 分组长度与延迟时间
    当分组具有相同的长度时，分组在交换过程中的延迟时间较小
  • 分组长度与分码率
• 标准（ITU制定）
  16B~4096B之间的2的n次B，如32B，64B，128B。。

四、计算机网络性能

1.速率与带宽

• 速率
  网络单位时间内传送的数据量

• 带宽

  1. 一条链路或信道能够不失真地传播电磁信号的最高频率与最低频率之差，称为信道的带宽
  2. 当描述一条链路或信道的数据传输能力时，使用“带宽”表示链路或信道的最高数据速率

2.时延（延迟）

• 跳步
  将连接两个结点的直线链路称为“跳步”，简称“跳”

• 4类延迟

  • 结点处理时延
  • 排队时延
  • 传输时延
  • 传播时延

• 结点处理时延
  每个分组到达交换结点时，交换设备通常可能需要验证分组是否有差错，根据分组携带的信息检索转发表，确定如何转发该分组，还有可能修改分组的部分控制信息等。因为结点处理时间通常很小，所以讨论网络总时间延迟时常常被忽略。

• 排队时延
  当一个分组到达交换结点，经过处理明确需要从哪个输出链路进行转发后，分组需要在交换结点内被交换到输出链路，等待输出链路发送到下一个交换结点。此时，在该分组之前可能还有其他分组正在或等待交换到相同的输出线路，或者交换到输出链路后在该分组之前还有其他分组在等待通过输出链路进行发送。

• 传输时延
  当一个分组在输出链路发送时，从发送的第一位开始，到发完最后一位止，所用的时间，称为传输时延，也称为发送时延。

  分组传输时延：d = L / R
  报文传输时延：d = M / R

• 传播时延
  信号从发送端发送出来，经过一定距离的物理链路到达接收端所需要的时间，称为传播时延。
  d = D / V

3.时延带宽积

一段物理链路的传播时延与链路带宽的乘积，称为时延带宽积

意义：如果将物理链路看作一个传输数据的管道的话，时延带宽积表示一段链路可以容纳的数据位数，也称为以位为单位的链路长度

4.丢包率

当网络拥塞严重时，新到达的分组甚至已经无缓存空间暂存该分组，此时交换机结点会丢弃该分组，就会发生“丢包”现象

5.吞吐量

表示在单位时间内源主机通过网络向目的主机实际发送的数据量
吞吐量经常用于度量网络的实际数据传送能力，及网络实际可以达到的源主机到目的主机的数据传送速率
吞吐量受网络链接路带宽、网络连接复杂性、网络协议、网络拥塞程度等影响
如果确定两个主机之间的吞吐量，则能够计算出数据需要发送的时间

五、计算机体系结构

1.计算机网络分层体系结构

2.OSI参考模型（ISO）

• 物理层（比特）
  在传输介质上实现无结构比特传输
• 数据链路层（帧）
  实现在相邻节点之间数据可靠而有效的传输
• 网络层
  如何将分组通过交换网络传送至目的主机（数据转发和路由）
• 传输层
  传输层是第一个端到端的层次，也是进程-进程层次
  • 复用/分解（区分发送和接受主机上的进程）
  • 端到端的可靠性数据传输
  • 连接控制
  • 流量控制
  • 拥塞控制机制
• 会话层
  在建立会话时核实双方分身是否有权参加会话
  确定双方支付通信费用
  双方在各种选择功能方面取得一致
  在会话建立后，需要对进程间的对话进行管理和控制
• 表示层
  用于处理应用实体间交换数据的语法，目的是解决格式和数据表示的差别
• 应用层
  提供给用户的网络相关服务

---

• 数据单元
  在层的实体之间传送的比特组称为数据单元
  PDU：在对等层之间传送的数据单元（遵从本层协议）--协议数据单元
  SDU：服务数据单元
  PCI：协议控制信息（PDU首部）
• 服务访问点（SAP）
• 服务原语
  • 请求（Request）：实体请求服务做某些工作
  • 指示（Indication）：用户实体被告知某事的发生
  • 响应（Response）：用户实体表示对某事件的响应
  • 证实（Confirm）：用户实体收到关于它的请求的答复
• 面向连接的服务和无连接服务
  • 面向连接
    • 建立链路
    • 传送数据
    • 拆除链路
  • 无连接（数据报服务）

3.TCP/IP参考模型

• 应用层（报文）
  会话层+表示层
• 传输层（段）
  TCP/UDP
  负责在网络层和应用层传输消息
• 网络互联层（数据报）
  把数据分组发往目的的网络或主机
  IP（核心）（无连接不可靠网络协议）
  ICMP：互联网控制报文协议
  IGMP：互联网多播组管理协议
  路由协议
  * BGP
  * OSPF
  * RIP
• 网络接口层（帧）
  数据链路层+物理层

4.五层参考模型

• 物理层（报文）
• 数据链路层（段）
• 网络层（数据报）
• 传输层（帧）
• 应用层（比特）

六、计算机网络与因特网发展简史

• Lawrence Roberts领导美国高级研究员计划署（ARPnet）的一项分组交换计划，并与1967年发布了一个称为ARPnet的总体计划。
  • ARPnet是第一个分组交换计算机网络，也是当今互联网的祖先
  • 1969年底，ARPnet建成4个分组交换机互连的网络，4个结点位置
    • 美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）
    • 斯坦福研究所（SRI）
    • 美国加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）
    • 犹他大学（UU）
  • 1972年
    • 发展到15个节点
    • ARPnet设计开发第一个主机到主机协议，网络控制协议（NCP）
    • 第一个电子邮件程序
  • 20世纪70年代
    • 诞生众多分组交换网络
      • ALOHnet
      • Telnet
    • 第一个多路访问控制协议 ALOHA
    • 研制了基于有线共享广播链路的以太网，奠定了当今互联网基础
    • 3个网络核心协议
      • TCP
      • UDP
      • IP
  • 20世纪70年代末
    • 公共因特网雏形形成
  • 20世纪80年代
    • 公共因特网连接主机数达10万台
  • 1986年
    • 创立了NSFNET
  • 1983年1月1日
    • TCP取代NCP
  • 1991年
    • NSFNET解除了商业用途限制
  • 1992年
    • 因特网主干流量正式转由商业因特网服务商（ISP承载）
    • 万维网诞生