计算机网络——计算机网络体系结构-计算机网络概述（课程笔记）

说明

1. 博客作为笔记备份，不定时更新
2. 参考内容为《计算机网络（第7版）》谢希仁 电子工业出版社；王道考研《计算机网络考研复习指导2023》
3. 文中的例题摘自王道考研《计算机网络考研复习指导2023》，大多是我个人认为较为典型的题目以及错题的部分整理

计算机网络概述

1. 计算机网络的概念

• 一般认为，计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统
• 简言之，计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合

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
• 广义的观点定义了一个计算机通信网络，它在物理结构上具有计算机网络的雏形，但资源共享能力弱，是计算机网络发展的低级阶段

资源共享观点

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

用户透明性观点

• 认为，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
• 该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

从组成部分看

• 硬件
  • 主机（也称端系统）、通信链路（如双绞线、光纤）、交换设备（如路由器、交换机等）和通信处理机（如网卡）等做成
• 软件
  • 主要包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件（如网络操作系统、邮件收发系统、FTP程序、聊天程序等）
  • 软件部分多属于应用层
• 协议
  • 协议是计算机网络的核心
  • 协议规定了网络传输数据时所遵循的规范

从工作方式看

• 边缘部分
  • 边缘部分由所有连接到因特网上，供用户直接使用的主机组成，用来进行通信（如传输数据、音频或视频）和资源共享
• 核心部分
  • 核心部分由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务

从功能组成看

• 通信子网
  • 通信子网由各种传输介质、通信设备、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
  • 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

数据通信

• 数据通信是计算机网络最基本和最重要的功能，用来实现联网计算机之间各种信息的传输，并将分散在不同地理位置的计算机联系起来，进行统一的调配、控制和管理

资源共享

• 软件共享、数据共享、也可以是硬件共享
• 资源共享使计算机网络中的资源互通、分工协作，从而极大地提高硬件资源、软件资源、数据资源的利用率

分布式处理

• 当计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时，可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统，从而利用空闲计算机资源以提高整个系统的利用率

提高可靠性

• 计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机

负载均衡

• 将工作任务均衡的分配给计算机网络中的各台计算机

4. 计算机网络的分类

按分布范围分类

• 广域网 WAN
  • 广域网的任务是提供长距离通信，运送主机所发送的数据，其覆盖范围通常是直径为几十千米到几千千米的区域，因此有时也称远程网
  • 广域网是因特网的核心部分
  • 连接广域网的各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量
• 城域网 MAN
  • 城域网的覆盖范围可以跨越几个街区甚至整个城市，直径范围一般是5~50km
  • 城域网大多采用以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围讨论
• 局域网 LAN
  • 局域网一般用微机或工作站通过高速线路相连，覆盖范围较小，通常是直径几十米到几千米的区域
  • 局域网在计算机配置的数量上没有太多的限制
  • 传统上，局域网采用广播技术，而广域网采用交换技术
• 个人区域网 PAN
  • 个人区域网是指在个人工作的地方将消费电子设备（如平板、手机等）用无线技术连接起来的网络，也常称为无线个人局域网WPAN，覆盖区域的直径约为10m
  • 注：若中央处理器的距离非常近（比如仅为1m或更近），则一般称为多处理器系统，而不称为计算机网络

按传输技术分类

• 广播式网络
  • 所有联网计算机都共享一个公共通信信道
  • 一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，其他的计算机都会“收听”到这个分组，接收到分组的计算机通过检查目的地址来决定是否接收分组
  • 局域网一般都采用广播式通信技术，广域网中的无线、卫星通信网络也采用广播式通信
• 点对点网络
  • 每条物理线路连接一对计算机
  • 若通信的两台主机之间没有直接连接的线路，则它们之间的分组传输就要通过中间结点进行接收、存储、转发，直到目的结点

按拓扑结构分类

• 总线形网络
  • 用单根传输线将计算机连接起来
  • 优点：建网容易、增减结点方便、节省线路
  • 缺点：重负载时通信效率不高、总线任意一处对故障敏感
• 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。、中央设备对故障敏感
• 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，环中信号是单向传输的
• 网状网络
  • 优点：可靠性高
  • 缺点：控制复杂、线路成本高

按使用者分类

• 公用网
  • 指电信公司出资建造的大型网络
  • 所有愿意按电信公司规定缴纳费用的人都可以使用这种网络，因此也称公众网
• 专用网
  • 指某个部门为满足本单位特殊业务的需要而建造的网络
  • 这种网络一般不向本单位之外的人提供服务

按交换技术分类

• 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用于传送数据，包括建立连接、传输数据、断开连接三个阶段
  • 最典型的是传统的电话网络
  • 主要特点：整个报文的比特流连续的从源点直达终点
  • 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
• 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，然后封装成报文
  • 整个报文传送到相邻结点，全部存储后，在转发给下一个结点（存储–转发）
  • 每个报文可以单独选择到达目的结点的路径
  • 主要特点：存储转发：整个报文先传送到相邻结点，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点
  • 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传输速率的转换，可以实现格式转换，可实现一对多、多对一的访问，可实现差错控制
  • 缺点：增大了资源开销，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
• 分组交换网络
  • 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，以存储–转发的方式传输
  • 主要特点：单个分组（它只是整个报文的一部分）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：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、更适合应用。现在主流网络基本上都可视为分组交换网络

按传输介质分类

• 有线网
  • 双绞线网络
  • 同轴电缆网络
• 无线网
  • 蓝牙
  • 微波
  • 无线电

5. 计算机网络的标准化工作

• 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：
  • 因特网草案
  • 建议标准
  • 草案标准
  • 因特网标准
• 主要的负责制定、实施相关网络标准化组织有
  • 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

6. 计算机网络的性能指标

带宽

• 带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的最高数据传输速率，单位是b/s

时延

• 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，包括：
  • 发送时延
    • 结点将分组的所有比特推向链路所需的时间，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，也称传输时延
    • 发送时延 = 分组长度/信道带宽
  • 传播时延
    • 一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间
    • 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的时间
    • 例如：分析分组首部、从分组中提取数据部分、进行差错校验等
  • 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
• 注：做题时，排队时延和处理时延一般可忽略不计（除非特别说明）

时延带宽积

• 指发送端发送的第一个比特即将达到终点时，发送端已经发送了多少个比特，因此又称以比特为单位的链路长度，即$时延带宽积=传播时延\times 信道带宽$。时延带宽积表示该管道可容纳的比特数量
• 

往返时延

• 指从发送端发出一个短分组，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，往返时延还包括各个中间结点的处理时延、排队时延、转发数据时的发送时延

吞吐量

• 单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量
• 吞吐量受网路带宽或网络额定速率的限制

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，也称数据传输速率、数据率或比特率，单位b/s
• 在计算机网络中，通常把最高传输速率称为带宽

信道利用率

• 指出某一信道有多少百分比时间是有数据通过的
• 信道利用率 = 有数据通过的时间/（有+无）数据通过时间

7. 例题

1. （$P_{7}3$）下列不属于计算机网络功能的是（）
   A. 提高系统可靠性 B. 提高工作效率 C. 分散数据的综合处理 D. 使各计算机相对独立
   解答：计算机网络的三大主要功能是：数据通信、资源共享、分布式处理。计算机网络使得各个计算机之间的联系更加紧密而非相对独立
2. （$P_{7}10$）局域网和广域网的差异不仅在于它们所覆盖的范围不同，还主要在于它们（）
   A. 所使用的介质不同 B. 所使用的的协议不同 C. 所能支持的通信量不同 D. 所提供的服务不同
   解答：广域网和局域网的另一个差异在于它们所用的协议不同：广域网使用点对点等技术，局域网使用广播技术

更新文档

更新日期	更新内容