1计算机网络体系结构_1.1计算机网络概述

1.1.1计网_概念

概念：

• 计网是一个
  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。
• 简言之，计算机网络就是一些 互连的、自治的 计算机系统 的 集合。

不同时代的定义：
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，都是计网。

• 在物理结构上具有计网的雏形
• 但资源共享能力弱
• 是计网发展的低级阶段

②资源共享的观点：
  计网是 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。
• 该定义符合目前计网的基本特征。

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。

• 用户透明性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。

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1.1.2计网_组成（不同角度看组成）

①从组成部分上看

• 一个完整的计网主要由硬件、软件、协议三大部分组成。
  ——硬件：
    由主机（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）等组成。
  ——软件：
    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、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等)。
  软件部分多属于应用层。
  ——协议
    是计网的核心，协议规定了网络传输数据时所遵循的规范。

②从工作方式上看

• 计网（特指Internet ,因特网）可分为边缘部分和核心部分。
  ——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
    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。

③从功能组成上看

• 计网由通信子网和资源子网组成。
  ——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。

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1.1.3计网_功能

计网五大功能：
①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
• 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。
• 例如，文件传输、电子邮件等应用，离开了计算机网络将无法实现。

②资源共享

• 包括软件共享、数据共享、硬件共享。
• 它使计算机网络中的资源互通有无、分工协作
• 从而极大地提高硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。

③分布式处理
  当计网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。

④提高可靠性

• 计网中的各台计算机可以通过网络 互为替代机。

⑤负载均衡

• 将 工作任务均衡分配 给计网中的各台计算机。

计算机网络不止这五大功能

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1.1.4计网_分类

①按分布范围分类
——广域网/远程网(WAN)。
  其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 :直径为50km~999km

• 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)。
  覆盖范围整个城市里面，覆盖区域的直径范围是5~50km

• 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)。
  覆盖范围较小，通常是直径为20m~9km的区域。

• 一般用微机或工作站通过高速线路相连
• 局域网在计算机配置的数量上没有太多的限制，少的可以只有两台，多的可达几百台。
• 传统上，局域网使用广播技术，而广域网使用交换技术。

——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（如平板电脑、 智能手机等)用无线技术连接起来的网络，也常称为无线个人区域网(WPAN),覆盖区域的直径约为10m

②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。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他的计算机都会“收听”到这个分组。

• 接收到该分组的计算机将通过检查目的地址来决定是否接收该分组。
• 局域网基本上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 技术

——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、存储和转发，直至目的结点。

• 是否采用分组存储转发与路由选择机制是点对点式网络与广播式网络的重要区别，广域网基本都属于点对点网络。

总结：
局域网基本上都采用广播式通信，
广域网基本都采用点对点网络，但是其无线、卫星通信网络采用广播式。

③按拓扑结构分类
  网络拓扑结构是指由网中结点（路由器、主机等）与通信线路（网线）之间的几何关系表示的网络结构，主要指通信子网的拓扑结构。

分为以下几种：

总线形、星形、环形网络多用于局域网，网状网络多用于广域网。

④按使用者分类
公用网：指电信公司出资建造的大型网络（交钱就能用）
专用网：指某个部门为满足本单位特殊业务需要建造的网络（只向本单位提供服务）

⑤按交换技术分类

• 交换技术是指各台主机之间、各通信设备之间或主机与通信设备之间为交换信息所采用的数据格式和交换装置的方式。

按交换技术可将网络分为如下几种：
——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 和 断开连接 三个阶段。
• 最典型的电路交换网是传统电话网络。
• 该类网络的【主要特点】是整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像是在一条管道中传送。
• 【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。

——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，再转发给下一个结点，重复这一过程直到到达目的结点。
• 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，【主要特点】是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】是可以较为充分地利用线路容量，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，可以实现一对多、多对一的访问，可以实现差错控制。
• 【缺点】是增大了资源开销（如辅助信息导致处理时间和存储资源的开销)，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（因为报文的大小不确定，接收方在接收到报文之前不能预知报文的大小）

——分组交换网络

• 也称包交换网络。其原理是，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 其主要特点是单个分组（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】除具备报文交换网络的优点外，分组交换网络还具有自身的：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。
• 现在的主流网络基本上都可视为分组交换网络

⑥按传输介质分类

• 传输介质可分为有线和无线两大类
• 有线网络又分为双绞线网络、同轴电缆网络等。
• 无线网络又可分为蓝牙、微波、无线电等类型。

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1.1.6计网_性能指标

常用性能指标：
①带宽：表示网络的通信线路所能传送的数据能力，是数字信道所能传送的“最高数据传输速率”同义词（b/s）
②时延：数据（报文\分组）从网络（链路）的一端传送到另一端所要的总时间
由四部分构成：

• 发送时延（传输时延）
  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
  发送时延 = 分组长度/信道宽度
• 传播时延
  一个比特从链路的一端传输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得一些必要的处理所花费的时间
• 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

[注意]：做题时，排队时延和处理时延一般可忽略不计（除非题目另有说明）
对于高速链路，提高的仅是数据发送速率而非比特在链路上的传播速率，减少数据的发送时延

③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，因此又称 以比特为单位 的 链路长度，时延带宽积=传播时延×信道带宽。
• 考虑一个代表链路的圆柱形管道，其长度表示链路的传播时延，横截面积 表示链路带宽，则时延带宽积表示该管道可以容纳的比特数量。

④往返时延(RTT)

• 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。
• 吞吐量受网络带宽or网络额定速率的限制。

⑥速率(Speed))

• 网络中的速率是指 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、比特率，单位为 b/s(比特/秒)（或bits,有时也写 为bps)。
• 数据率较高时，可用kb/s(k=10 ^3)、Mb/s(M=10 ^6)或Gb/s(G=10 ^9)表示。 在计算机网络中，通常把最高数据传输速率称为带宽。

⑦信道利用率。

• 指出某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的
• 即信道利用率=有数据通过时间/（有+无）数据通过时间