【王道计算机网络笔记】计算机网络体系结构-计算机网络概述

计算机网络的概念

计算机网络：是一个分散的、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功能
计算机系统：包含各种系统的电脑端（Windows，macOS）、手机端（Android，IOS）等
通信设备：路由器、集线器、交换机等
线路：可以是有线的，也可以是逻辑线路，就是无线的

简单来说，计算机网络是自治计算机互联起来的集合体
互联：通过通信链路互联互通
自治计算机：计算机由软件硬件两部分组成，能完整地实现计算机的各种功能
集合体：所有使用通信链路及互联设备链接起来的自治计算机集合

计算机网络的功能

• 数据通信：它是计算机网络最基本和最重要的功能，也是实现其他功能的基础
• 资源共享：同一个计算机网络上的其他计算机可使用某台计算机的计算机资源的行为，可共享硬件、软件、数据
  硬件：网络式打印机让同一个网络下的所有人都可以使用
  软件：一个电脑远程访问另一台电脑，并使用另一台电脑上的办公软件
  数据：百度文库下载
• 分布式处理：多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分
  Hadoop平台
  • 提高可靠性：一台主机坏掉了，另一台主机（替代机）可以立马代替坏掉的主机，并完成之前的任务
  • 负载均衡：将工作任务均衡地分配各计算机网络中的各台计算机
• ……

计算机网络的组成

• 从组成部分上看，由硬件、软件、协议（一系列规则和约定的集合）
  硬件：主机（端系统），以及中间设备（路由器，交换机等）
  软件：附在端系统、中间设备上的工具
  协议：协议穿梭于各个硬件之间，是计算机网络的核心。写规定了网络传输数据时所遵循的规范
• 从工作方式上看，分为边缘部分和核心部分
  边缘部分，由一系列的端系统，例如计算机，网络摄像头，大型计算机、服务器等
  核心部分，为边缘部分提供连通性和交换服务
  端和端之间的通信，指的是端和端之间进程的通信，通信方式分两种
  • C/S方式（Client客户端/Server服务端），用户从客户端发出请求，服务端根据请求发出响应
    B/S方式（Browser浏览器/Server服务端）类似C/S，只是客户主体不同
  • P2P方式（Peer-to-Peer），任何一台主机可能既是客户又是服务器
    A发500M文件给B、C，B下了200M，C下了另外300M，B分享给C200M，这样C就从A、B共下载了500M
• 功能组成，分成通信子网和资源子网
  资源子网：主要由计算机系统、终端、联网外部设备、各种软件资源和信息资源等组成。负责向网络用户提供各种网络资源和网络服务
  通信子网：主要由各种传输介质、通信设备、相应的网络协议组成。其任务是完成网络数据传输、转发等
  

计算机网络的分类

按分布范围分

• 广域网（WAN），使用交换技术
• 城域网（MAN）
• 局域网（LAN），使用广播技术
• 个人区域网（PAN）

广域网和局域网之间的差异不仅在于它们所覆盖范围的不同，还在于它们所采用的协议和网络技术的不同，广域网使用点对点等技术，局域网使用广播技术。

按使用者分

• 公用网
• 专用网（内网）

按交换技术分

• 电路交换。例如和别人打电话，对方接听了，就建立了连接，并且占用这个连接。这个连接不会被轻易打断，其他人打电话进来不会打断两个人之间的通话，直到挂点电话，才会断开连接
• 报文交换
• 分组交换
  二者使用的是存储转发的方式，区别是分组就是把报文切开了，一整个完整文件称为报文
• 按拓扑结构分，总线型、星形、环形、网状形（常用于广域网）
• 按传输技术分
  广播室网络：共享公共通信信道，一个计算机共享报文，其他所有计算机都会收到
  点对点网络：使用分组储存转发和路由选择机制，常用于广域网

标准化工作及相关组织

标准的分类

• 法定标准：有权威机构制定的正式的、合法的标准（OSI）
• 事实标准：某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准（TCP/IP）

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经过以下4个阶段。

• 因特网草案(Internet Draft.)。这个阶段还不是RFC文档。
• 建议标准(Proposed Standard)。从这个阶段开始就成为RFC文档。
• 草案标准(Draft Standard)。
• 因特网标准(Internet Standard)。

相关组织

国际标准化组织ISO：OSI模型、HDLC协议
国际电信联盟ITU：制定通信规则
电气和电子工程师协会IEEE：学术机构、IEEE802标准、5G
Internet工程任务组IETF：负责因特网相关标准的指定、RFC ×××

计算机网络的性能指标

速率

速率即数据率或称数据传输率或比特率。连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率，单位是b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s
比特是数据传输的单位，按照一个一个比特进入信道传输。它的表现形式有0、1，单位是位
$$\begin{array}{rl}千1kb/s& =10^{3}b/s\\ 兆1Mb/s& =10^{3}kb/s=10^{6}b/s\\ 吉1Gb/s& =10^{3}Mb/s=10^{6}kb/s=10^{9}b/s\\ 太1Tb/s& =10^{3}Gb/s=10^{6}Mb/s=10^{9}kb/s=10^{12}b/s\end{array}$$
发送端在一秒内发出10位数据并被接收端收到，那么我们就说速率是10b/s

在速率上换算关系是$10^3=1000$（有秒的时候），在存储容量上（没有秒的时候），我们使用字节来代替比特
$$1Byte=8bit$$
对应换算关系有
$$\begin{array}{rl}1KB& =2^{10}B=1024B=1024\times 8b\\ 1MB=2^{10}KB=1024KB& \\ 1GB& =2^{10}MB=1024MB\\ 1TB& =2^{10}GB=1024GB\end{array}$$
此时换算关系是$2^{10}=1024$

一个是速率，一个是容量，并且一个是小写b，一个是大写B

带宽

带宽原本指某个信号具有频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）

计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。单位是“比特每秒”，b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s
可以理解为网络设备所支持的最高速度

虽然带宽变大了，发送的变多了，但是数据传输速度不变，走完整个链路时间不变

吞吐量

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。单位b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s等
吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

吞吐量、带宽都表示一个信道或者网络设备每秒能通过的最大的数据量

带宽是一种理想的状态，一般是达不到的

时延

时延指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。也叫延迟或者迟延。单位是s

• 发送时延（传输时延）：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时间
  $$发送时延=\frac{分组长度}{信道宽度(发送速率)}$$
  带宽指的是主机发送的最高数据率（现实中一般达不到，但做题的时候一般按照带宽计算）
  如下图
  $$发送时延=\frac{10b}{10bt/s}$$
  即A将数据推送到信道上面所需时间为1s
  高速链路减少了发送时延，但传播时延是不变的

• 传播时延：电磁波在信道汇总传播一定距离需要花费的时间
  取决于电磁波传播速度和链路长度
  电磁波在真空中传播速度为$3\times 10^{8}m/s$，但在固体中传播可能有一定损失，所以一般是$2.x\times 10^{8}m/s$
  $$传播时延=\frac{信道长度}{电磁波在信道上的传播速率}$$

  注意区分传输时延和传播时延，前者也叫发送时延

• 排队时延：等待输入/输出链路可用所花费的时间。类比机场安检之前要排队，安检完了出安检也需要排队

• 处理时延：检错和找出口所花费的时间。类比机场安检需要进行危险品检查

排队时延和处理时延一般是对于路由器来说的

因此，数据在网络中经历的总时延就是以上4部分时延之和
$$总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延$$

时延带宽积

$$时延带宽积b=传播时延s\times 带宽b/s$$
时延带宽积指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特

时延带宽积又称为以比特位单位的链路长度，即“某段链路现在有多少比特”

往返时延RTT

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延
RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多
$$RTT\{\begin{array}{rl}& 往返传播时延=传播时延\times 2\\ & 末端处理时间\end{array}$$
末端处理时间是指接收方对发送来的数据进行处理的时间（一般忽略不计）。

RTT不包括发送/传输时延，即不包括把所有数据放到信道上的时间，因为RTT是指从第一个bit数据放到信道上开始计时的

利用率

$$\begin{array}{rl}信道利用率& =\frac{有数据通过的时间}{(有+无)数据通过的时间}\\ 网络利用率& =信道利用率的加权平均值\end{array}$$