计算机网络阅读笔记——第一章概论

思维导图

阅读笔记

1.计算机网络在信息时代中的作用

• 21世纪重要特征:数字化、网络化和信息化
• 三大网络：电信网络、有线电视网络和计算机网络
  • 电信网络向用户提供电话、电报等服务
  • 有线电视网络向用户传送各种电视节目
  • 计算机网络则使用户能够在计算机之间传送数据文件
• 互联网两个重要基本特点: 连通性和共享
  • 连通性:用户之间不管相距多远，都可以非常便捷经济的交换各种数据
  • 共享:资源共享

2.互联网概述

• 计算机网络：由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成
• 互联网：网络之间还可以通过路由器互连起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络
  
• 主机：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。与网络相连的计算机常称为主机
• iternet和Iternet的区别
  • iternet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
  • Iternet是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互联网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，前身是美国的ARPANET

3.互联网的组成

• 主要分为边缘部分和核心部分
• 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。用来进行通信和资源共享
  • 这些主机又称为端系统
• 核心部分：由大量网络和连接这些网路的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的。
  
• 在网络边缘的端系统之间的通信方式通常课划分为两类：客户-服务器方式和对等方式
• 客户-服务器方式（C/S）：客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户-服务器方式所描述的是进程之间的服务和被服务的关系。
  • 客户程序：
    （1）客户程序必须知道服务程序的地址
    （2）不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统
  • 服务器程序：
    （1）是一种专门用来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）系统启动后自动调用并一直不断地运行着，被动等待并接受来自各地客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址
    （3）一般需要有强大的硬件和高级的操作系统支持
• 对等连接方式（P2P）：两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求哪一个是服务提供方。

4.互连网的核心部分

• 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（但不叫做主机）。路由器是实现分组交换的关键构建。其任务是转发收到的分组。
• 电路交换：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）
  • 电路交换的一个重要特点就是：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。
  • 当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。这是因为计算机数据时突发式地出现在传输线路上的，因此线路上真正用来传输数据的时间往往不到10%甚至1%。已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间内都是空闲的。
• 分组交换：使用存储转发技术。通常我们把要发送的整块数据称为一个报文/包，其中包括包头和包体
  • 路由器收到一个分组后，先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器。这样一步一步地（有时候会经历几十个不同的路由器）以存储转发的方式，把分组交付给最终的目的的主机。
    
  • 路由器暂存的是短分组。短分组是暂存在路由器的存储器（内存）而不是存储磁盘中。保证了较高的交换速率
  • 分组交换比电路交换的优势：分组交换在传送数据前不必先占用一条端到端的链路的通信资源。分组在哪段链路上传送才占用这段链路的通信资源
  • 优点：高效、灵活、迅速、可靠
  • 缺点：
    （1）分组在各路由器存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
    （2）各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销。
    

5.计算机网络的类别

• 按照网络的作用范围进行分类：
  • 广域网WAN：也称远程网，作用范围通常为几十到几千公里。
  • 城域网MAN：作用范围一般是一个城市，约为5~50km
  • 局域网LAN：一般用于微型计算机或工作站通过高速通信线路相连。
  • 个人区域网PAN：在个人工作的地方把属于个人的电子设备用无线技术连接起来的网络，因此也常称为无线个人区域网PAN，范围很小，大约在10m左右
• 按照网络使用者进行分类
  • 公用网
  • 专用网
• 用来把用户接入到互联网的网络
  • 接入网AN：又称本地接入网或居民接入网。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。接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器之间的一个网络。

6.计算机网路的性能指标

• 速率：网络技术中的速率指的是数据的传送速率，也称为数据率或比特率。提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，而不是网络实际运行的速率 。 单位：bit/s（比特每秒）
  注意：速率单位K，M，G是10³,10⁶,10⁹，而不是2¹⁰，2²⁰，2³⁰
• 带宽：链路带宽 = 链路速率 ≠ 传播速率
  • 原本含义：某个信号具有的频带宽度。例如在传统的通信线路上传送的信号的标准带宽是3.1kHz（从300Hz到3.4kHz）。单位：Hz（赫兹）
  • 计算机网络含义： 表示网络中某通道传送数据的能力，即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：bit/s（比特每秒）即每秒能够发送多少个比特到链路上
• 吞吐量：表示在单位时间内通过某个网络的实际的数据量。更经常的用于对现实世界中的网络的一种测量 。 单位：bit/s（比特每秒）
• 时延：指数据从网络的一端传送到另一端的时间。
  • 网络中的时延由以下几个不同的部分组成：
    （1）发送时延：主机或路由器发送数据帧所需要的的时间。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的时间。计算公式是：数据帧长度/发送速率
    （2）传播时延：电磁波在信道中传播一定距离所花费的时间。计算公式是：信道长度/传播速率
    （3）处理时延：主机或路由器在收到分组时要话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。
    （4）排队时延：分组进行路由器后要现在输入队列中排队等待处理。
  • 对于高速网络链路。我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。提高数据的发送速率只是减少了数据的发送时延
• 时延带宽积：传播时延迟*带宽，又称以比特为单位的链路长度。
  
• 往返时间RTT：双向交互一次所需要的的时间
  • 发送时间 = 数据长度/发送速率
  • 有效数据率 = 数据长度/(发送时间+RTT)
• 利用率：包括信道利用率和网络利用率。
  • 信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。不是越高越好，太高会导致排队堵塞
  • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。
  • 若令Do表示网络空闲的时延，D表示网络当前的时延，U表示利用率，则：1-U = Do / D.
  • 当网络利用率达到其容量的二分之一时，时延就要加倍，当网络利用率接近最大值1是，网络的时延就趋近于无穷大。所以信道或者网络的利用率过高会产生非常大的时延
    

7.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

8.计算机网络的协议与分层

• 协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。
• 协议构成三要素：
  • 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相应
  • 同步：即事件实现顺序的详细说明
    
• 分层的好处：
  （1）各层之间是独立的
  （2）灵活性好
  （3）结构上可分割开
  （4）易于实现和维护
  （5）能促进标准化工作
• 通常各层要完成的功能主要有以下一些（可以包括一种或者多种）
  （1）差错控制：使相应层次对等方的通信客家可靠
  （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块划分为更小的单位，在接收端还原
  （4）复用和分用：发送端几个高层会话复用一条底层的连接，在接收端再分用
  （5）连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束再释放
• 计算机网络的体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合
• 体系结构是抽象的，而实现是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件

9.具有五层协议的体系结构

• 应用层：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的规则。把应用层交互的数据单元成为报文。
• 运输层：负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。所谓的“通用的”是指多个应用可以使用同一个运输层服务，主要运用如下两个协议：
  • 传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）：提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段（segment）
  • 用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）：提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务，其数据传输的单位是用户数据报。
• 网络层（网际层、IP层）：负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。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或包进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议。因此分组也叫作IP数据报，简称数据报
• 数据链路层（链路层）： 在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在相邻节点的链路传送帧，每一帧包括数据和必要的控制信息。（在接收数据时，控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束，即具体的数据部分，或检测帧中是否有差错，如果有，则丢弃）
• 物理层：在物理层所传输的单位是比特
  

9.实体、协议、服务和服务访问点

• 实体：表示任何可发送或接受消息的硬件或软件进程。
• 协议：就是控制两个或多个对等实体进行通信的规则的集合。
• 协议的重要特点：协议必须把所有的不利条件事先估计到。而不能假定一切都是正常的和非常理想的。
• 协议和服务的区别：协议是“水平的”，服务的“垂直的”，即协议是控制对等实体之间的通信的规则，而服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
• 服务访问点SAP（Service Access Point）：在同一个系统中相邻两层的实体进行交互的地方。
  

习题解答

1.常见问题与解答

1. 怎么理解“网络的网络”
   解答：网络 = {计算机，链路，结点}
   网络的网络 ={网络，链路，路由器}
   网络把许多计算机连在一起，而互联网把许多网络连接在一起
2. 能否说：“电路交换就是面向连接，而分组交换就是无连接”？
   解答：不能。分组交换也可以使用面向连接服务，如X.25网络、帧中继网络或ATM网络
3. 在运输层应根据什么原则来确定使用哪种连接服务。
   解答：根据上层应用程序的性质来确定使用哪种连接服务。比如，在传送文件要使用文件传输协议FTP协议，运输层必须使用TCP协议。但是如果应用程序要传送分组话音或视频点播信息，那么为了保证消息实时性，在运输层必须使用无连接的UDP协议
4. 传输速率和传播速率的区别
   解答：传输速率是指计算机每秒钟可以向所连接的媒体或网络发送多少个比特。单位为比特/秒
   传播速率是指电磁波在单位时间内能在传输媒体上走的距离。单位为米/秒
   发送时延 = 传输时延 ≠ 传播时延
5. 什么是“无缝的”、“透明的”和“虚拟的”
   解答：
   “无缝的”用于网络领域时，表示几个网络的互连对用户来说就好像是一个网络，因为互连的各网络都是用统一的网际协议IP，都具有统一的IP地址。
   “透明的”表示实际上UC你在的东西对我们却好像看不见一样，就好像网络的各层协议都是相当复杂的，用户却看不见
   “虚拟的”表示看起来好像存在但实际上并不存在。

2.习题与解答

1. 计算机网络可以向用户提供哪些服务
   连通性和共享
2. 简述互联网标准制定的几个阶段
   （1）互联网草案
   （2）建议标准
   （3）互联网标准

4.
5. 假定网络的利用率达到了90%。试估算现在的网络时延是它最小值的多少倍
答：由公式得：1-U = D0/D = 0.1
所以是10倍
6. 若数据长度大而发送速率低，则在总的时延中，发送时延往往大于传播时延，但若数据长度短而发送速率高，则传播时延又可能是总时延的主要成分。
7.
8. 网络体系结构为什么要采用分层次的结构？
答：网络体系结构采用分层次的结构，是因为“分层”可以把庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题。
9.

10.


11.

12. 组件计算机网络的目的是为了能够资源共享，这里的计算机资源主要是指硬件、软件和（D）

		 A.大型机     B.通信系统    C.服务器     D.数据

13.计算机网络的与分布式系统之间的主要区别是在（B）

		A.系统物理结构 B.系统高层软件 C.传输介质 D.服务器类型
[分布系统与计算机网络的主要区别不在它们的物理结构上，而在高层软件上，分布式系统是一个建立在网络之上的软件系统，这种软件保证了系统高度的一致性与透明性]

14以下哪一项不是分组交换的特征（D）

	 A.存储转发     B.由数据和控制信息分组   C.转发表     D.互连多条物理链路的结点

15因特网的前身是美国的（A）

	 A.国防部的ARPANET    B.商务部的X25NET   C.科学与教育的NSFNET     D.军事与能源MILNET