【计算机网络】整体结构——1.计算机网络概述

1.计算机网络的概念

计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统,通过通信设备与线路连接起来,由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
计算机网络是一些互联的、自治的计算机系统的集合。

1.广义观点

只要能实现远程信息处理的系统或能进一步达到资源共享的系统,都是计算机网络。
它定义了一个计算机通信网络,在物理结构上具有计算机网络雏形,但资源共享能力弱,是计算机网络发展的低级阶段。

2.资源共享观点

计算机网络是“以能够相互共享资源的方式互连起来的自治计算机系统的集合”。该定义符合目前计算机网络的基本特征。
定义包含三层含义:

目的:资源共享
组成单元:分布在不同地理位置的多台独立的自治计算机
网络中的计算机必须遵循的统一规则:网络协议

3.用户透明性观点

存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统,它能够调用用户所需要的资源,而整个网络就像一个大的计算机系统一样对用户是透明的。用户使用网络就像使用一台单一的超级计算机,无须了解网络的存在、资源的位置信息。
这种观点的定义描述了一个分布式系统,它是网络未来发展追求的目标。

2.计算机网络的组成

1.组成部分

  • 硬件:主机(端系统)、通信链路(双绞线、光纤)、交换设备(路由器、交换机)、通信处理机(网卡);
  • 软件:各种实现资源共享的软件喝方便用户使用的各种工具软件(网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等),属于应用层
  • 协议;是计算机网络的核心,规定了网络传输数据时所遵循的规范。

2.工作方式

  • 边缘部分:所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成,用来通信和资源共享;
  • 核心部分:由大量的网络和连接这些网络的路由器组成,为边缘部分提供连通性和交换服务。

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3.组成功能

  • 通信子网:由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成,它使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力,实现联网计算机之间的数据通信。
  • 资源子网:是实现资源共享功能的设备及其软件的集合,向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

3.计算机网络的功能

  • 1.数据通信
  • 2.资源共享
  • 3.分布式处理
  • 4.提高可靠性
  • 5.负载均衡

4.计算机网络的分类

1.按分布范围分

1.广域网(WAN)

提供长距离通信,运送主机发送的数据,其覆盖范围为几十到几千千米的区域,也称远程网
是因特网的核心部分。
连接广域网的各节点交换机的链路一般都是高速链路,具有较大通信容量。

2.城域网(MAN)

覆盖范围可以跨越几个街区甚至整个城市,范围约为5~50 km。
城域网大多采用以太网技术。

3.局域网(LAN)

一般用微机或工作站通过高速线路相连,覆盖范围较小,通常为几十米到几千米。
在计算机配置的数量上没有太多限制,少的可以只有两台,多可达几百台。
传统上,局域网使用广播技术,而广域网使用交换技术。

4.个人局域网(PAN)

指在个人工作的地方将消费电子设备(平板电脑、手机等)用无线技术连接起来的网络,也称无线个人局域网(WPAN),覆盖区域直径约为10 m。

2.按传输技术分

1.广播式网络

所有联网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时,所有其他计算机都会“收听”到这个分组,接收到该分组的计算机通过检查目的地址来决定是否接受该分组。

2.点对点网络

每条物理线路连接一对计算机。如果要通信的两台主机之间没有直接相连的线路,那么它们之间的分组传输就要通过中间结点的接收、存储和转发才能到目的结点。

3.按拓扑结构分类

1.总线形网络

用单根传输线将计算机连接起来。
优点:建网简单、增减结点方便、节省线路。
缺点:负载重时效率低、总线任意一处对故障敏感。

2.星形网络

每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连。(中央设备早期是计算机,现在一般是交换机或路由器)
优点:便于集中控制和管理。
缺点:成本高、中心节点对故障敏感。

3.环形网络

所有计算机接口设备连接成一个环。环可以是单环,也可以是双环,信号在环中是单向传输的。
优点:网络实现简单、传输速度快。
缺点:维护困难、扩展性能差。

4.网状形网络

一般情况下每个结点至少有两条路径与其他结点相连,多用在广域网中。有规则型和非规则型两种。
优点:可靠性高;
缺点:控制复杂、线路成本高。
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4.按使用者分类

  • 1.公用网(Public Network)
  • 2.专用网(Private Network)

5.按交换技术分类

1.电路交换网络

在源结点和目的结点之间建立一条专用的通路来传送数据,包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。最典型的电路交换网络是传统电话网络。特点是整个报文的比特流会连续从源点直达终点,就像在一条管道中传送。
优点:数据直接传送、时延小。
缺点:线路利用率低、不能充分利用线路容量、不便于进行差错控制。

2.报文交换网络

用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息封装成报文。整个报文传送到相邻结点全部存储后,再转发给下一结点,重复这一过程知道到达目的结点。每个报文可以单独选择到达目的结点的路径。
报文交换网络也称存储—转发网络,特点是整个报文会先传送到相邻结点,全部存储后查找转发表,转发到下一结点。
优点:可以较为充分的利用线路容量,可以实现不同链路之间不同数据率的转换,可以实现格式转换,可以实现一对多、多对一的访问。
缺点:增大了资源开销(辅助信息导致额外的处理时间、占用额外的存储资源),增加了缓冲时延,需要额外的控制机制来保证多个报文的顺序不乱序,缓冲区难以管理(报文大小不确定,接收方在接收前无法预知报文大小)。

3.分组交换网络

也称包交换网络。它将数据分成较短的固定长度的数据块,在每个数据块中加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组(包),以存储—转发方式传输。特点是单个分组传送到相邻结点,存储后查找转发表,转发到下一个结点。
优点:除具备报文交换网络的优点外,还有缓冲易于管理,包的平均时延更小,网络占用的平均缓冲区更少,更易于标准化等。
现在的主流网络基本都可以视为分组交换网络。

5.计算机网络的标准化

因特网的所有标准都以RFC(Request For Comments)的形式在因特网上发布,但并非每个RFC都是因特网标准。RFC要上升为因特网的正式标准需要经过以下四个阶段:

  • 因特网草案(Internet Draft)
  • 建议标准(Proposed Standard)——在这个阶段开始成为RFC文档
  • 草案标准(Draft Standard)
  • 因特网标准(Internet Standard)
    在国际上,负责制定、实施相关网络标准的标准化组织主要有:
  • 国际标准化组织(ISO): 制定的主要网络标准或规范有OSI参考模型、HDLC等。
  • 国际电信联盟(ITU):其前身为国际电话电报咨询委员会(CCITT), 其下属机构ITU-T制定了大量有关远程通信的标准。
  • 国际电气电子工程师协会(IEEE):世界上最大的专业技术团体,由计算机和工程学专业人士组成。IEEE在通信领域最著名的研究成果是802标准。

6.计算机网络的性能指标

1.带宽(Bandwidth)

在计算机网络中表示网络的通信线路能传送数据的能力,是数字信道能传送的“最高数据率”的同义语,单位比特/秒(b/s)。

2.时延(Delay)

指数据(一个报文或分组)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需要的总时间,由发送时延、传播时延、处理时延和排队时延四部分构成。

  • 发送时延:结点将分组的所有比特推向(传输)链路所需的时间,即从发送分组的第一个比特算起,到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间,因此也称传输时延。计算公式为:发送时延=分组长度/信道宽度
  • 传播时延:电磁波在信道中传播-一定的距离需要花费的时间,即一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间。计算公式为:传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率
  • 处理时延:数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。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。
  • 排队时延:分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。路由器确定转发端口后,还要在输出队列中排队等待转发,这就产生了排队时延。

3.时延带宽积

指发送端发送的第一个比特即将到终点时,发送端已发送了多少比特。又称为已比特为单位的链路长度,即时延带宽积=传播时延*信道带宽
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时延带宽积表示该管道可以容纳的比特数量。

4.往返时延(Round-Trip Time,RTT)

指从发送端发送数据开始到发送端收到来自接收端的确认(接收端收到数据后立即发送确认),总共经历的时延。
在互联网中,往返时延还包括各中间结点的处理时延、排队时延及转发数据时的发送时延。

5.吞吐量(Throughput)

指单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。

6.速率(Speed)

网络中的速率指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率,也称数据率比特率,单位比特/秒(b/s)或bit/s(也写为bps)。
在计算机网络中,通常把最高数据率称为带宽

7.信道利用率

指出某一信道有百分之多少的时间有数据通过,即信道利用率=有数据通过时间/总时间

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