计算机网络概述

一些基本概念

1. 三网融合：指的是计算机网络、电信网络和有线电视网络。
2. 互联网具有两个重要基本特点：连通性和共享。互联网是世界上最大的计算机网络。
3. 服务器：一种专用的计算机。
4. 互联网+：互联网+各个传统行业。
5. 计算机网络是由若干结点和连接这些结点的链路组成。结点可以是计算机、路由器、集线器和交换机等。
6. 网络由许多计算机连接在一起，互连网把很多网络通过路由器连接在一起，互连网是网络的网络。与网络相连的计算机称为主机。
7. 互连网的组成：边缘部分和核心部分。边缘部分由连接在互联网上的主机构成，供用户直接使用的。核心部分由网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务。
8. ISP：网络服务提供商，Internet Service Provider，中国电信、中国联通和中国移动是我国有名的ISP。
9. “进程”就是指运行着的程序。
10. 网络边缘的端系统之间的通信方式可以分为C/S方式(客户-服务器方式)和P2P方式(对等方式)。
11. C/S方式分为客户程序和服务器程序。P2P方式指两台主机在通信时，并不区分哪一个是服务请求方，哪一个是服务提供方。
12. 路由器(router)：一种专用计算机，是实现分组交换的关键构件，任务是转发收到的分组。
13. 计算机网络的功能：数据传输和资源共享。
14. TCP协议、IP协议是互联网所使用的协议中最为重要的。目前所提到的TCP/IP并不单指TCP协议和IP协议，而是指整个协议族。
15. 物理层相当于“傻瓜层”，不加入控制信息，传输0/1比特流。比特流从首部开始传输。
16. 国际标准化组织ISO、国际电信联盟ITU、电气电子工程师学会IEEE

计算机网络的性能指标

速率

• 速率指连接在计算机网络上的主机在数字链路上传输数据位数的速率，也称为数据率/比特率。单位bit/s。
• 区分速率与存储容量的单位。速率单位b/s、kb/s等，1kb/s=1000b/s，此时的k、M代表10^3、10 ^6。存储容量单位B、KB、MB等。1KB=1024B，1MB=1024KB，此时的K、M代表2 ^10、
  2 ^20。1B=8bit。
• 当提到网络速率的时候，往往指的是额定速率或标称速率，而不是网络的实际速率。

带宽

• 频域称谓：信道允许信号通过的频率范围。最高频率与最低频率之差。单位为Hz。
• 时域称谓：单位时间内，网络中的某信道所能通过的最高数据率。单位b/s。带宽是指在链路路口发送数据的速率，而不是在链路上传播的速率。在链路上传播的是速率。

吞吐量

• 吞吐量指单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际数据量。

时延

• 时延是指数据从网络的一端到另一端所用的时间。单位是s。
• 时延包括发送时延、传播时延、排队时延和处理时延。

1. 发送时延：指主机或路由器发送数据帧所需要的时间。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。发送时延 = 数据帧的长度/发送速率。
2. 传播时延：指电磁波在信道中传输一定的距离需要花费的时间。传播时延 = 信道的长度/电磁波在信道上的传输速率。
3. 处理时延：主机或路由器在收到分组时需要花费一定的时间进行处理。
4. 排队时延：在路由器中等待可用的输入/输出链路。

时延带宽积

• 时延带宽积 = 传播时延×带宽。
• 可想象一个圆柱体，圆柱体的底面积是带宽，圆柱体的高为传播时延。则圆柱体的体积即为时延带宽积。表示这样的链路可以容纳多少个比特又称为以比特为单位的链路长度。

往返时延RTT

• 从发送方发送数据开始，到发送方接收到接收方的确认所共同经历的时间。
• RTT包括传播时延×2加上接收端处理时间。
• 有效的数据率 = 数据长度/(发送时间+RTT)

利用率

• 利用率包括信道利用率和网络利用率。
• 信道利用率是指有数据通过的时间/(有数据通过的时间+无数据通过的时间)
• 网络利用率是指全网络信道利用率的加权平均值。
• 信道利用率也不是越高越好，类比于高速公路上的例子，当信道利用率高了，则时延也会增大。
• 一般要求比较大的主干网的ISP中的U值不超过0.5。时延与利用率的关系如下图所示。

协议、接口和服务

• 实体：任何可发送或接受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，而服务是垂直的。
• 服务：下层为相邻上层提供的功能调用。
• 接口(访问服务点SAP)：上层使用下层服务的接口。
• 协议数据单元PDU：对等层次之间传输的数据单位称为该层的协议数据单元。
• 服务数据单元SDU：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。
• 协议控制信息PCI：控制协议操作的信息。
• PCI+SDU = PDU

计算机网络的体系结构

• 为什么要分层？将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，每一层处理一个小问题。分层按照功能来划分，应保证各层之间相互独立，上层可以使用下层提供的服务。只有相邻两层才有接口和服务。
• 法律上的国际标准为OSI，事实上的国际标准为TCP/IP。
• 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。
• 网络的体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合。

• OSI模型概念清楚，理论完整，但复杂不实用。TCP/IP模型只有上面的三层，最下面一层没有具体内容。在学习计算机网络时，综合考虑两者的优点，提出了一种五层协议。但实际中应用的还是TCP/IP模型。
• 物理层为最低层，应用层为最高层。
• OSI七层模型，最上面的三层完成数据处理功能，最下面的三层完成数据通信功能。
• 中间系统(像路由器、网桥等)最多只能到网络层，主机是全部都有的，网络层以上实现的是端到端的传输。下面的三层是点到点的传输。

应用层(application layer)

• 用户与网络的界面，所有能和用户交互产生网络流量的程序。需要联网的程序所属于应用层。
• 典型应用层服务：文件传输(FTP)、电子邮件(SMTP)、万维网(HTTP)、域名系统(DNS)
• 交互的数据单元为报文。

传输层(transport layer)

• 负责两台主机中进程之间的通信，即端到端的通信，传输单位是报文段/用户数据报。
• 作用：复用/分用、可靠传输/不可靠传输、差错控制、流量控制。
• 主要协议：TCP、UDP

网络层(network layer)

• 把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。传输单位是数据报。(不要与上一层的用户数据报弄混)
• 主要协议：IP、ARP、ICMP、IGMP。
• 功能：路由选择、流量控制、差错控制和拥塞控制。

数据链路层(data link layer)

• 把网络层传下来的数据报封装成帧。传输单位是帧。
• 主要协议：SDLC、PPP

物理层(physical layer)

• 在物理媒体上实现比特流的透明传输。

名称	传输单元	协议
应用层	报文	DNS、HTTP、FTP、SMTP
传输层	报文段/用户数据报	TCP、UDP
网络层	数据报	IP、ARP、ICMP、IGMP
数据链路层	帧	SDLC、PPP
网络层	0/1比特流	802.3