计算机网络原理第一章——概述

一、计算机网络概述

1.1概念

计算机网络是互连的、自治的计算机集合

1.2功能

1. 数据通信
2. 资源共享

1.3特点

• 连通性：用户之间可以互相交换信息
• 共享：即指资源共享

1.4组成

• 组成部分：硬件、软件、协议
• 工作方式：
  • 边缘部分：用户直接使用，由所有连接在互联网上的主机组成
  • 核心部分：为边缘部分提供服务，由大量网络和连接这些网络的路由器组成
• 功能组成：通信子网、资源子网

1.5分类

• 分布范围：广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个域网PAN
• 使用者：公用网、专用网
• 交换技术：电路交换、报文交换、分组交换
• 拓扑结构：总线型、星型、环型、网状型
• 传输技术：广播式、点对点

1.6internet和Internet的区别

internet（互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络
Internet（互联网）则是一个专用名词，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计算机网络

互联网（Internet）	互连网（internet）
相似之处
网络的网络
不同之处
特指遵循 TCP/IP 标准、利用路由器将各种计 算机网络互连起来而形成的、一个覆盖全球的、 特定的互连网	泛指由多个不同类型计算机网络互连而成的网络
使用TCP/IP	除TCP/IP外，还可以使用其他协议
是一个专用名词	是一个通用名词

1.7互连网基础结构发展的三个阶段

1. 从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程
2. 建成了三级结构的互联网
3. 逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网

1.8成为互联网标准要经历的三个阶段

$$互联网草案⟹建议标准⟹互联网标准$$

1.9国际标准化组织

• 国际标准化组织ISO
• 国际电信联盟ITU
• 国际电气电子工程师协会IEEE
• Internet工程师任务组IETF

1.10互联网的边缘部分——端系统之间的两种通信方式

端系统：处在互联网边缘部分的主机又称为端系统

• 客户-服务器方式（C/S方式），即Client/Sever方式
  客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方
• 对等方式（P2P方式），即Peer-to-Peer方式
  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是客户又是服务器
  

1.11在互联网的核心部分起特殊作用——路由器

路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是分组转发

典型的交换技术：

• 电路交换
  • 特点：所需要的电线对的数量与电话机数量的平方(N²)成正比
  • 电路交换必定是面向连接的
  • 三个阶段：建立连接、通信、释放连接
• 分组交换
  • 特点：采用存储转发技术。在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段
    
• 报文交换

二、计算机网络的性能指标

2.1速率

• 比特（bit）是计算机中数据量的单位
• 速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率 (data rate) 或比特率 (bit rate)
• 速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率

2.2带宽

两种不同意义：

1. 指信号的频带宽度，单位是赫兹（HZ）
2. 用来表示网络中某通道传送数据的能力。单位是bit/s(bps)，是指信道或链路中比特传输的速度。 通常被称为容量或传输速率或最高数据率

注：在带宽的上述两种表述中，前者为频域 称谓，而后者为时域 称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

2.3时延

时延是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络一端传到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延。

网络中的时延由以下部分组成：

• 发送时延：从发送数据帧的第一个比特算起，到最后一个比特发送完所需的时间
  $$发送时延=\frac{数据帧长度（bit）}{带宽（bit/s）}$$
• 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
  $$传播时延=\frac{信道长度（米）}{信号在信道上的传播速率（米/秒）}$$
• 处理时延：主机或路由器在收到分组时，为存储转发而进行一些必要处理所花费的时间

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延

2.4时延带宽积

$$时延带宽积=传播时延\times 带宽$$

2.5往返时间RTT

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ACK，总共经历的时间

2.6吞吐量

表示在单位时间内通过某个网络的有效数据量
$$吞吐量=\frac{传输大小}{传输时间}$$ $$传输时间=RTT+发送时间$$

三、计算机网络的体系结构

3.1开放系统互连参考模型OSI

OSI模型是一个七层的结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层

3.2协议与划分层次

• 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
• ARPANET 的研制经验表明，对于非常复杂的计算机网络协议， 其结构应该是层次式的

• 各层完成的主要功能：
  • 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。
  • 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。
  • 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。
  • 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。
  • 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。

3.3具有五层协议的体系结构

综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构

3.4实体、协议、服务、服务访问点

• 实体： 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
• 协议：是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。协议是“水平的” 。
• 服务：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。 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。服务是“垂直的”。本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。即下面的协议对上面的服务用户是透明的。
• 服务访问点：同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，实际上就是一个逻辑接口。OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU。