计算机网络概述

简单定义：一些相互连接的（计算机之间能够进行数据通信或交换信息），自治的（有自己的硬件和软件的独立计算机）计算机集合

一、计算机网络的分类

• 从网络的作用范围分类
  （1）广域网 WAN (Wide Area Network, WAN)
  覆盖一个国家、地区甚至横跨几个洲，也被称为远程网，是因特网的核心部分
  （2）局域网 LAN (Local Area Network, LAN)
  通常由某个单位单独拥有，一个学校拥有多个互连的局域网则称为校园网
  （3）城域网 MAN (Metropolitan Area Network, MAN)
  作用范围是一个城市，作为城市骨干网，互连大量企业，机构和校园局域网
  （4）个人区域网 (Personal Area Network, PAN)
  不是用来连接普通计算机的！是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备（计算机、鼠标、打印机等）用无线技术连接起来的网络
• 从网络的使用者进行分类
  （1）公用网 (public network)：指电信公司出资建造的大型网络
  （2）专用网 (private network)：某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络

二、计算机网络主要性能指标

1. 速率
   速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。比特bit是计算机中数据量的单位，网络技术中速率的单位是 b/s(bps)，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等。速率往往是指额定速率或标称速率。

数据率是发送设备向链路推送数据的发送速率而不是信号在链路上的传播的速率！即网卡发出数据的速度

2. 带宽
   “带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。表示通信线路允许通过的信号频带范围就称为线路的带宽
   在计算机网络中“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bps, bit/s)。
   二者关系：一条通信线路的“频带宽度”越宽，其所传输数据的“最高数据量”也越高

更常用的带宽单位是
千比每秒，即 kb/s （103 b/s）
兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）
吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）
太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）
请注意：在计算机界，K = 2^10 = 1024，M = 2^20，G = 2^30，T = 2^40

3. 吞吐量
   吞吐量(throughput)/吞吐率表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
   吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
   吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
4. 时延
   时延(delay 或 latency)指数据从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要的时间，也称为延迟或迟延，网络中的时延由几个不同的部分组成：
   （1）发送时延（传输时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。发生在机器内部的发送器中（网络适配器）
   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所需的时间
   分组交换发送分组时总是以链路最大传输速率（信道带宽）发送数据！
   
   
   （2）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。 发生在机器外部的信道传输媒体上，电磁波在信道上传播速度要看信道的材料（铜线or光纤）
   信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。
   
   
   （3）处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
   （4）排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。
   

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。 提高链路带宽减小了数据的发送时延，而不会减小数据的传播时延。通常说“光纤信道的传输速率高”是指光纤信道发送数据的速率可以很高，而光纤信道的传播速率实际比铜线的传播速率还略低一些！

四种时延所产生的地方

5. 丢包率
   丢包率即分组丢失率，指一定时间内，分组在传输过程中丢失的分组数与总的分组数量的比，可具体分为借口丢包率，结点丢包率，链路丢包率，路径丢包率，网络丢包率等等。
   分组丢失有两种情况：一种是分组在传输过程中出现了比特级差错，被结点丢弃
   一种是分组到达一台队列已满的分组交换机时，由于没有空间存储，交换机会将已到达的分组丢弃，是分组丢失最主要原因
   网络拥塞时，丢包率较高，用户感觉网络时延变大，“网速”变慢，而不是信息的丢失
6. 利用率
   分信道利用率和网络利用率，信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过），完全空闲的信道利用率为零。网络利用率则是全网络信道利用率的加权平均值。

信道利用率不是越高越好！！根据排队论，某信道利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加，当网络利用率接近1时，网络的时延就无穷大！因此需要协议进行控制！！

三、计算机网络体系结构

网络协议

网络协议(network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 这些规则明确规定了所交换的数据的格式、时序和数据内容所表示的含义等方面的内容。

网络协议的三要素：
 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响应。
 同步：有关实现中时序和时间长短的详细说明和约定。

层次模型与计算机网络体系结构

计算机网络非常复杂，涉及不同传输介质，大量、不同类型的互连设备、计算机和各种应用，涉及很多软硬件，他们之间必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。
“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

邮政系统分层实例

邮政系统是一个很复杂的系统，但通过分层，将整个通信任务划分为5个功能相对独立和简单的子任务，计算机网络的层次结构与其非常相似
我们将计算机网络的层次结构模型与各层协议的集合称为计算机网络的体系结构

按层次结构来设计计算机网络的体系结构有很多好处：
 各层之间是独立的。
 灵活性好。
 结构上可分割开。
 易于实现和维护。
 能促进标准化工作。

分层时应注意每一层的功能非常明确，层数太少会使每一层的协议太复杂。层数过多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务遇到较多的困难。其中TCP/IP协议得到广泛应用，而OSI协议则是法律上的国际协议。

五层协议体系结构
下层为上层提供服务
上层利用下层提供的服务来实现自己的功能，并同时为自己的上层提供服务
上层的分组（协议数据单元）作为下层的数据封装到下层的分组中传输

OSI 与 TCP/IP体系结构的比较

五层协议体系结构

五层原理体系结构

四、实体、协议和服务

1. 实体
   当研究开放系统中的信息交换时，往往使用实体(entity)这一较为抽象的名词。
   实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。
2. 协议
   协议是控制两个对等实体(或多个实体)进行通信的规则的集合。
   协议的语法方面规则定义了所交换的信息的格式。
   协议的语义方面规则定义了发送者或接收者所要完成的操作，例如，在何种条件下数据必须重传或丢弃。
   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，还需要使用下面一层所提供的服务。
   协议的实现保证了能够向上一层提供服务。使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的实体是透明的。
   协议是水平的，即协议是控制对等实体之间通信的规则。
3. 服务
   服务是垂直的，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
   并非在一个层内完成的全部功能都称为服务，只有那些能够被高一层实体“看得见”的功能才能称为服务。
   上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。
4. 服务访问点
   在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)的地方，通常称为服务访问点SAP(Service Access Point)。
   服务访问点SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口，有点像邮政信箱(可以把邮件放入信箱和从信箱中取走邮件)，但这种层间接口和两个设备之间的硬件接口(并行的或串行的)并不一样。
   OSI把层与层之间交换的数据的单位称为**服务数据单元SDU(Service Data Unit)，它可以与PDU不一样，例如，可以是多个SDU合成为一个PDU，也可以是一个SDU划分为几个PDU。
5. 相邻两层之间的关系
   相邻两层之间的关系：在服务提供者的上层实体又称为服务用户，因为它使用下层服务提供者所提供的服务。
   
   
   注：看一个计算机网络协议是否正确，不能只看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。