计算机网络（一）| 概述 因特网 性能 协议基本

互联网（或因特网）之所以能够向用户提供服务，是因为互联网具有两个重要基本特点 连通性 和 共享

网络把许多计算机连在一起

互联网则把许多网络通过路由器连在一起

与网络相连的计算机叫做主机

互联网发展的三个阶段

1 单个网络ARPANET向互联网发展

2 建成三级结构因特网 主干网 地区网 校园网

3 出现多层次ISP 因特网服务提供者

1. 因特网组成

1.1 四元素组成

用户设备

网络设备

传输介质

网络协议

1.2 二元素组成

边缘部分

​ 所有连接在因特网的主机组成，用来进行数据资源共享，也称资源子网

核心部分

​ 由大量网络和连接这些网络的路由器组成，提供了连通性和交换，也称为通信子网

1.3 核心部分

核心部分起特殊作用的是路由器

路由器实现的分组交换

现在更多用分组交换

为什么要用分组交换

​ 计算机数据突发性强，使用分组交换承载计算机数据成本低

区分分组交换和电路交换

分组交换和电路交换都是计算机网络中常见的数据传输方式，但它们的实现方式和特点有所不同。

分组交换是一种将数据分成小块（即分组）进行传输的方式。在分组交换中，发送方将数据分成若干个大小相等的数据块，每个数据块被赋予一个地址，并通过网络独立传输。数据到达接收方后，接收方将数据块重新组装成原始数据。分组交换的优点是能够动态地分配网络带宽，提高网络利用率。常见的分组交换协议包括IP协议、TCP协议等。

电路交换是一种在通信开始前建立网络电路（即物理路径）的方式，并在通信过程中保持该电路。在电路交换中，发送方和接收方之间建立一个可靠的物理连接，并在通信过程中独占该连接。电路交换的优点是通信过程中具有稳定的带宽和延迟，适用于需要实时传输的应用，例如电话通信。常见的电路交换协议包括PSTN、ISDN等。

可以通过这样一个比喻来理解

假设你要从一个城市到另一个城市旅行。如果你选择搭乘公共汽车，那么你需要在汽车站等待，直到一辆符合你行程的公共汽车出现，然后支付车费、上车，到达目的地后下车，这个过程就是电路交换的过程。

而如果你选择自驾游，那么你可以根据自己的行程和时间，制定出一张路线图，根据路线上的标志和地图，沿途行驶，在需要休息或加油时停车，到达目的地后停车。这个过程就是分组交换的过程。

可以看到，分组交换和电路交换的区别在于，电路交换是一种预先占用资源的方式，需要建立一个独占的物理连接（买票后别人就不能占用你的位置），而分组交换则是一种动态分配资源的方式（自己的车离开后别人就可以使用），可以根据需要在网络中分配资源。

分组如何实现？

（1）发送端，把较长的报文划分成较短的，固定长度的数据段

（2）每一个数据段前添上首部，每一个数据段可以看做一个分组

首部含有的信息有地址（转发到下一个结点的交换机）

（3）以“分组”为数据单元传输，依次把分组传到接收端

（4）接收端收到分组后就剥去首部 还原成报文

分组交换优点

高效 灵活 迅速 可靠

分组交换可能带来的问题

可能需要排队，产生时延

首部的控制信息有开销

2.计算机网路的功能

数据通信

而最基本的功能是数据通信

资源共享

计算机网络的资源主要指

​ 计算机硬件、软件与数据

两种通信方式

​ 客户服务器方式

​ 对等方式 如QQ微信

3. 几种不同类别的网络

广域网WAN

​ 作用范围通常几十公里到几千公里

城域网MAN

​ 作用距离5-50公里

局域网LAN

​ 作用距离 1公里左右

个人区域网PAN

​ 10米左右

无线个域网

​ 如蓝牙，ZIGBee

4 性能指标

1 速率

指单位时间内传输的数据量，通常以(b/s)bps、Kbps、Mbps等单位来表示。传输速率与带宽密切相关，但不同于带宽，它还考虑了传输数据的效率、误码率等因素。bps Bit Per Second的缩写

以高清视频为例，它需要的传输速率大概在5-10 Mbps之间。因此，如果你的网络带宽是10 Mbps，就足以支持高清视频的流畅播放。如果网络带宽只有1 Mbps，则观看高清视频时可能会出现卡顿、缓冲等问题。

2 带宽

指网络中能够传输的最大数据量，通常以每秒传输的比特数（bps）来衡量。带宽越高，网络传输速度越快，数据传输能力越强。

速率和带宽的区别

速率指单位时间内传输的数据量，通常以bps、Kbps、Mbps等单位来表示。速率与数据传输的效率、误码率等因素有关。

带宽指网络中能够传输的最大数据量，通常也以bps、Kbps、Mbps等单位来表示。带宽是网络的物理特性，与网络的传输效率、误码率等因素无关。

可以通过一个比喻来理解速率和带宽的区别。假设你要从一桶水中抽取一定量的水，速率就表示你每秒钟能够抽取的水的数量，而带宽则是指这个水桶的容量大小。

网络界单位换算是1000

而存储界 单位换算是$2^{10}$

3 吞吐量

指单位时间内通过网络的数据量，通常以bps、Kbps、Mbps等单位来表示。吞吐量与传输速率类似，但还考虑了网络中拥塞的情况。

4 时延

指数据从发送方到接收方所需的总时间。时延包括

发送时延 数据从结点进入到传输媒体所需要的时间

​ $发送时延=\frac{数据帧长度b}{发送速率b/s}$

传播时延（数据从发送方到接收方所需时间）

​ $传播时延=\frac{信道长度（米）}{信号在信道上传播速率m/s}$

处理时延（路由器或交换机对数据进行处理所需时间）

排队时延（等待路由器或交换机处理数据的时间）四个部分。

容易产生错误的概念

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在比特链路上的传播速率

5 时延带宽积

是指在一个网络中，数据从发送端到接收端所需要的时间与网络带宽的乘积。它的单位通常是比特（bits）可以用来评估网络的传输性能，也是确定网络传输最大吞吐量的一个重要参数。

6 往返时间RTT

是指数据从发送端发送到接收端并返回的时间，通常使用毫秒（ms）作为单位。

7 利用率

利用率（Utilization）是指网络资源在一段时间内被使用的程度，是衡量网络资源利用效率的一个重要指标。利用率通常使用百分比（%）或小数表示，例如50%或0.5

时延与网络利用率关系

8 数据传输效率

5 网路协议

网络协议是计算机网络中数据传输和通信的规则集合。一个完整的网络协议通常包括以下几个要素：

1. 语法：定义了数据传输的格式和规范，即数据在网络中的组织方式和编码方式。
2. 语义：定义了数据传输的含义和解释方式，即数据在网络中的意义和作用。
3. 同步：定义了数据传输的时间顺序和流程，即数据在网络中的传输顺序和时序关系。

5.1网络体系结构

网络体系结构指的是计算机网络中不同层次之间的结构和组织方式。常见的网络体系结构有OSI参考模型和TCP/IP参考模型两种。

1. OSI参考模型

OSI参考模型是由国际标准化组织（ISO）制定的一个网络体系结构标准。它共分为七层，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。每一层都有自己的特定功能和任务，不同层之间通过接口进行通信，从而实现数据传输和处理。

1. TCP/IP参考模型

TCP/IP参考模型是由美国国防部高级研究计划局（ARPA）制定的一个网络体系结构标准。它共分为四层，包括网络接口层、网络层、传输层和应用层。与OSI参考模型不同，TCP/IP参考模型将会话层、表示层和应用层合并为一个应用层，简化了网络结构，提高了网络的可靠性和效率。

两种网络体系结构虽然存在一些不同，但都采用了分层的设计思想，通过不同层之间的协议和接口实现了数据的传输和处理，从而为网络的发展和应用提供了有力的支持。

6 PDU

PDU：协议数据单元

在计算机网络通信中，PDU 是指在不同网络层之间传输的数据单元。每个网络层将数据添加到 PDU 中，然后将其传递给下一层，直到数据到达目标。

PDU=首部+载荷+尾部

各层PDU名称

各层PDU名称如下：

1. 物理层：比特流（Bit Stream）

2. 数据链路层：帧（Frame）

3. 网络层：包（Packet）

4. 传输层：TCP的PDU： 报文段

   ​ UDP的PDU ：用户数据报

5. 应用层： 报文

实体 协议 服务点和服务访问点

实体

实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

协议

协议是控制两个对等实体进行通信规则的集合

协议是水平的，即协议是控制对等实体之间的通信规则

服务

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，还需要使用下层所提供的服务

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

同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP