计算机网络第一章知识点

1.三网的概念：B

电信网络：向用户提供电话、电报、以及传真等服务。

有限电视网络：向用户传送各种电视节目。

计算机网络：使用户能够在计算机之间传送数据文件。（发展最快并起到核心作用）

计算机网络（简称网络），是由若干结点和连接这些结点的链路组成。网络中的结点可以是集线器、计算机、交换机或路由器等。网络之间可以由路由器连接起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络，称为互联网。（因此互联网是网络的网络）网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络通过路由器连接在一起。与互联网相连的计算机称为主机。

internet和Internet：小写字母i开头译为互连网，是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。这些网络间的通信协议可任意选择，不一定非要用TCP/IP协议。大写字母I开头译为互联网，是一个专用名词，指当前最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网，它采用TCP/IP协议族作为通信原则，且其前身是美国的ARPANET。

2.ARPANET 多层次 ISP 结构：C

ISP（Internet Service Provider）：互联网服务提供者/互联网服务商

eg：中国电信、移动、联通都是我国最有名的ISP

互联网上的主机都必须有IP地址才能上网。而ISP可以从互联网管理机构申请到很多IP地址，同时拥有通信线路和路由器等连网设备，因此任何机构和个人只要向某个ISP缴纳费用就可以从该ISP获取所需IP地址的使用权，并可通过该ISP接入互联网。所谓“上网”就是指“通过从某ISP获得的IP地址接入到互联网”。IP地址管理机构不会把一个单个的IP地址分配给单个用户，而是把一批IP地址有偿租赁给经审查合格的ISP，即不零售，只批发，因此现在的互联网是全世界大大小小无数ISP所共同拥有的，这就是互联网被称为“网络的网络”的原因。

根据服务的覆盖面积以及所拥有的IP地指数目的不同，ISP可分为不同层次：主干ISP、地区ISP、本地ISP。

互联网交换点IXP（Internet eXchange Point)：互联网交换点

允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要通过第三个网络来转发分组。典型的IXP由一个或多个网络交换机组成，许多ISP再连接到这些网络交换机的相关端口上。IXP常采用工作在数据链路层的网络交换机，这些网络交换机都用局域网互联起来。

世界上最大的ISP：1995建在德国法兰克福的DE-CIX，是互联网在欧洲的枢纽。

互联网的迅猛发展是在20世纪90年代，由欧洲原子核研究组织CERN开发的WWW万维网，这是促进互联网指数级增长的主要驱动力。

3. 互联网组成  C

边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。这部分由用户直接使用，用来进行通信和和资源共享。

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）

互联网的边缘部分：

处在互联网边缘部分的就是连接在互联网上的所有主机，这些主机也称为端系统。

主机A和主机B进行通信实际上是指运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信。由于“进程”就是“运行着的程序”，因此也就是指“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。

端系统间的通信方式可分为两类：客户-服务器方式（c/s方式）、对等方式（P2P方式）

客户-服务器方式：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之间的关系。最主要特征是：客户是服务请求方，服务器是服务提供方。

对等连接方式（peer-to-peer）：两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方。只要两台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的连接通信。这种工作方式可支持大量对等用户同时工作。

互联网的核心部分：

网络核心部分是互联网中最复杂的部分，因为网络中的核心部分要向网络边缘的大量主机提供连通性服务，使边缘部分的任意台主机都能够与其他主机通信。

网络核心部分的最重要功能是 转发收到的分组。

在网络核心部分起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机（但不是主机）。路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组。

电路交换：从通信资源的分配角度来看，交换就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源。这种必须经过“建立连接（占用通信资源）——>通话（一直占用通信资源）——>释放连接（归还通信资源）”三个步骤的交换方式称为电路交换。电路交换的一个重要特点是：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

分组交换：采用存储转发技术。

报文：把要发送的整块数据称为一个报文。

分组：发送报文前把较长的报文分成一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组。分组又称为“包”，分组首部又称为“包头”。分组是在互联网中传送的数据单元。

电路交换：整个报文的比特流连续的从源点直达终点。

报文交换：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表转发到下一结点。

分组交换：单个分组（一部分报文）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一结点。

4.计算机网络的类别 C

计算机网络的定义：计算机网络的精确定义并未统一。目前较好的定义是：计算机网络由一些通用的、可编程的硬件（可编程的硬件表明这种硬件一定含有中央处理机CPU）相互连接 而成，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，并能支持广泛的日益增长的应用。

计算机网络的分类：

按网络作用范围：

a.广域网/远域网WAN：作用范围几十到几千公里。互联网的核心部分，长距离（跨国）运送主机所发送的数据。

b.域域网MAN：作用范围一般是一个城市。可以将多个局域网互连。目前很多域域网采用的是以太网技术。

c.局域网LAN

d.个人区域网PAN

按使用者分类：

ａ.公用网

 b.专用网

用来把用户接入互连网的网络：

接入网AN：本地接入网/居民接入网。接入网本身既不属于互连网的核心部分，也不属于互连网的边缘部分，接入网是从某个用户端系统到互连网中的第一个路由器（也叫边缘路由器）之间的一种网络。

5. 计算机网络的性能 B

计算机网络的性能指标：

1）速率：（最重要的一个性能指标）

速率是指数据的传送速率，也称为数据率/比特率。单位是bit/s或b/s，有时也叫bps（bit peer second）

计算机发出的信号都是数字形式的。比特来源于binary digit，意思是一个二进制数字，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。

当提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，而并非网络实际上运行的速率。

2）带宽：

带宽本来指的是某个信号具有的频带宽度。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。这种意义的带宽单位是赫。（频域称谓）

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，因此网络带宽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”。这种意义的带宽单位就是数据率的单位bit/s。（时域称谓）

3）吞吐量：

单位时间内通过某个网络（信道、接口）的实际数据量。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。有时吞吐量可以用每秒传送的字节数或帧数来表示。

4）时延：

时延是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一段传送到另一端所需要的时间。有时也称为延迟/迟延。

发送时延（传输时延）：是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，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，发送时延 = 数据帧长度(b) / 信道带宽(b/s)

传播时延：是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间，传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波在信道上的传播速率(m/s)

发送时延（传输时延）发生在机器的内部的发送器中，而传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上。

处理时延：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，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等

排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多的路由器。但分组在进入路由器后要现在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。排队时延长短取决于网络当时的通信量。网络通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延无穷大。

数据在网络中经历的总时延就是以上四种时延之和：总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

5）时延带宽积：

时延带宽积：时延带宽积 = 传播时延 * 带宽（表示这样的链路可容纳多少比特），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：

双向交互一次所需的时间。有效数据率=数据长度/（RTT＋发送时间）

7）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。

D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前时延，U是网络利用率，数值在0到1之间，当网络的利用率达到其容量的1/2时，时延就要加倍，网络利用率接近最大值1时，网络时延趋于无穷大，因此 信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延：

D=D0/1-U

【例】考虑两台主机A和主机B由一条带宽为R bps、长度为M米的链路互连，信号传播速率为V m/s。假设主机A从t=0时刻开始向主机B发送分组，分组长度为L比特。试求：

1) 传播延迟（时延）dp；

2) 传输延迟dt；

3) 若忽略结点处理延迟和排队延迟，则端到端延迟de是多少？

4) 若dp>dt，则t=dt时刻，分组的第一个比特在哪里？

5) 若V=250000km/s，L=512比特，R=100 Mbps，则使带宽时延积刚好为一个分组长度（即512比特）的链路长度M是多少？

(注：1k=10^3,1M=10^6)

【解】1）传播时延dp = 信道长度(m) / 电磁波在信道上的传播速率(m/s) = M / V

2）传输延迟dt = 数据帧长度(b) / 信道带宽(b/s) = L / R

3）总延迟de = 传播时延 + 传输延迟 = M / V + L / R

4）dp > dt意味着最早发送的信号没有到达目的主机之前，数据分组的最后一个比特已经发送出来了，所以分组的第一个比特在距离主机的V * dt米的链路上

5）时延带宽积 = 传播时延 * 带宽 = M / V * R = 512，解之得M = 1280米

计算机网络的非性能特征：

费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性和可升级性、易于管理和维护。

6.计算机网络体系结构：

相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。为了设计这样复杂的计算机网络，早在最初的ARPANET设计时即提出了分层的方法。“分层“可以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比较易于研究和处理。

网络协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定，也可简称为协议。由三个要素组成：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）。

为了给网络协议的设计提供一个结构，网络设计者以分层的方式组织协议。

计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构。

计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义。

体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

为介绍网络原理采用一种只有五层协议的体系结构，但实际应用还是TCP/IP四层体系结构。

(5)应用层（最高层）
    应用层直接为用户的应用进程提供服务。应用层任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。
    应用层协议（定义的是应用进程间通信和交互原则）:FTP，域名系统DNS，支持万维网应用HTTP等协议。不同的网络应用需要有不同的应用层协议。应用层交互的数据单元是报文。

(4)运输层
    运输层负责向两个主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。
    运输层使用的协议:
      1>传输控制协议TCP
          面向连接的，数据传输单位为报文段，提供可靠的交付。
      2>用户数据报协议UDP
          无连接的，数据传输单位为用户数据报，不保证提供可靠交付。               
(3)网络层(使用IP协议)
    网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
    网络层的任务:
      在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组(又称IP数据报)或包进行传送。网络层的另一个任务是
      选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组，能够通过网络中的路由器找到目的主机。

注意：运输层的”用户数据报UDP“和网络层的”IP数据报“不同。此外无论在哪一层传送的数据单元都可笼统的用分组表示。互联网是由大量的异构网络通过路由器相互连接起来的。它使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和许多种路由选择协议。因此互联网的网络层也叫网际层或IP层。

(2)数据链路层
    在两个相邻结点之间(主机和路由器或两个路由器之间)传送数据时，数据链路层将网络层提交下来的IP数据报组装成帧，
    在两个相邻结点的链路上传送帧中的数据。
(1)物理层
    物理层用来传送比特流。（传送比特流时从首部进行传送）
    传送利用一些物理媒体:双绞线，光纤等。

对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元PDU

层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU

分层的好处：

(1)各层之间是独立的。某一层不需要知道它的下一层如何实现，只需调用层间的接口即可。
(2)灵活性好。改变其中任一层，只要接口保持不变，则其他层不会受到影响。
(3)易于实现和维护。
(4)能促进标准化工作。每一层的功能有了精确的说明。