计算机网络绪论

一、计算机网络概述

1.计算机网路概念

计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路和通信设备连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

简单来说，计算机网络就是由通信线路互相连接的许多自主工作的计算机构成的集合体。按连接按需求，计算机网络由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

此外，计算机网络也称计算机通信网，一些相互连接的、以共享资源为目的的、自治的计算机的集合，都可以称为计算机网络。而互联网（Internet）是全球最大的、开放的由众多网络相互连接而成的特定互连网，采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则。

2.计算机网络组成

从不同的角度，可以将计算机网络的组成分为如下几类。

从组成部分上看，一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议三大部分组成，缺一不可。硬件主要由主机（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、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等）。软件部分多属于应用层。协议是计算机网络的核心，如同交通规则制约汽车驾驶一样，协议规定了网络传输数据时所遵循的规范。

从工作方式上看，计算机网络（这里主要指 Internet，即因特网）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。

从功能组成上看，计算机网络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。从功能组成上看，计算机网络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。

3.计算机网络功能

 计算机网络的功能很多，现今的很多应用都与网络关。主要有以下五大功能。

数据通信
它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。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。

资源共享
资源共享可以是软件共享、数据共享，也可以是硬件共享。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。

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
将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各台计算机。
除以上几大主要功能外，计算机网络还可以实现电子化办公与服务、远程教育、娱乐等功能，满足了社会的需求，方便了人们学习、工作和生活，具有巨大的经济效益。

4.计算机网络分类

计算机网络的分类可以从多个角度进行，以下是一些常见的分类方式：

按范围分类

局域网（LAN）：局域网是指在有限区域内（如一座大楼、一个校园或一个公司内）使用的计算机网络。其覆盖范围通常在几十米至几公里之间。

城域网（MAN）：城域网是指在城市范围内使用的计算机网络，其覆盖范围通常在几十公里至几百公里之间。

广域网（WAN）：广域网是指在广泛区域内使用的计算机网络，其覆盖范围通常从几百公里至几千公里。广域网可以跨越一个国家或甚至全球范围。

按传播技术分类

广播式网络：在这种网络中，所有计算机都连接到同一条通信信道上。当一台计算机发送信息时，所有其他计算机都能接收到该信息。

点对点网络：在这种网络中，每条物理线路连接一对计算机。如果两台主机之间没有直接通信的线路，则它们之间的分组传输需要通过中间节点进行接收、存储和转发。

按拓扑结构分类

总线型网络：总线型网络采用单根总线作为通信信道，所有计算机都连接到这根总线上。

星型网络：星型网络中，每个计算机都通过单独的线路与中央设备连接，中央设备通常是集线器或多路器。

环形网络：环形网络中的计算机通过连接构成一个闭合的环路。在环型网络中，信息按照一定的方向和路径进行传输。

网状网络：网状网络中的每个节点都有多条线路与其他节点相连，节点之间有多种路径可选择。这种网络结构具有很高的可靠性和灵活性。

按使用者分类

公用网：由电信公司建造和运营，向广大用户提供服务的网络，也称为公众网。

专用网：某个部门或组织为了满足其内部特定需求而建造的网络，不对外开放。例如，军队、政府、银行等机构内部使用的网络。

按交换技术分类

电路交换网络：在这种网络中，通信双方建立直接的物理连接，并保持通信链路直到通信结束。这种方式的优点是延迟小，但信道利用率较低。

报文交换网络：报文交换网络中，数据以报文为单位进行存储和转发。这种方式可以充分利用线路容量，但开销较大，成本较高。

分组交换网络：分组交换网络将数据分割成较小的数据块（即分组），每个分组独立进行传输。这种方式易于管理、标准化和应用，是目前主流的网络交换方式。

5.计算机网络性能指标

计算机网络性能指标是用来衡量计算机网络性能的一系列参数和标准。以下是常见的计算机网络性能指标：

速率：也称为数据率或比特率，表示单位时间内传输的数据量。它通常以比特每秒（bps）为单位，如kb/s、Mb/s、Gb/s等。速率是计算机网络中最重要的一个性能指标。

带宽：带宽在计算机网络中有两种含义。一是指网络的通信线路所能传送数据的能力，即信道容量，单位是bps。另一含义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”。

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。吞吐量受网络的带宽、网络额定速率或网络的实际数据率的限制。

时延：指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。时延包括发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。

发送时延：是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，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。

传播时延：是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

处理时延：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等等。

排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多的路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。而路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。

时延带宽积：是一种描述网络性能的指标，等于传播时延与带宽的乘积，即一条链路上能够传播的所有比特数。

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）所经历的时延。

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（即有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。

这些性能指标有助于评估和优化网络的性能，以确保数据传输的高效、稳定和可靠。在实际的网络应用中，可能还需要考虑其他的性能指标，以适应不同的场景和需求。

二、计算机网络体系结构

1.计算机网络分层

 计算机网络的体系结构通常都具有可分层的特性，它将复杂的大系统分成若干个较容易实现的层次。分层的基本原则如下：

1.每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度。

2.各层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能的少。

3.各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以采用最合适的方法实现。

4.保持上层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。

5.整个分层结构应能促进标准化工作。

在计算机网络中，不同机器上的同一层称位对等层，同一层的实体称为对等实体。

在计算机网络体系结构的各个层次中，每个报文都分为两个部分：一是数据部分，即SDU；二是控制信息部分，即PCI，他们共同构成PUD。

服务数据单元（SDU)：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。第
记为n-SDU.

协议控制信息（PCI)：控制协议操作的信息。第n层的协议控制信息记为n-PCI。

协议数据单元（PDU)：对等层次之间传送的数据单位称为该层的 PDU。第n层的协议数据单元记为n-PDU。在实际的网络中，每层的协议数据单元都有一个通俗的名称，如物理层的PDU 称为比特，数据链路层的PDU称为桢，网络层的PDU称为分组，传输层的 PDU 称为报文段。

2.计算机网络协议、接口、服务的概念

计算机网络协议是计算机网络相互通信的对等层实体之间交换信息时必须遵守的规则或约定的集合。网络协议通常被分为几个层次，每层完成自己单独的功能。通信双方只有在共同的层次间才能相互联系。常见的协议有TCP/IP协议、IPX/SPX协议、NetBIOS协议等。

计算机网络接口是同一结点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。每层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口。在典型的接口上，同一结点相邻两层的实体通过服务访问点（Service Access Point,SAP）进行交互。服务是通过SAP提供给上层使用的，第n层的SAP就是第n+1层可以访问第n层服务的地方。每个SAP都有一个能够标识它的地址。SAP是一个抽象的概念，它实际上是一个逻辑接口（类似与邮政信箱），但通常所说的两个设备之间的硬件接口是很不一样的。

计算机网络服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，它是垂直的。对等实体在协议的控制下，使得本层能为上一层提供服务，但要实现本层的协议还需要使用下一层提供的服务。

三、计算机网络参考模型

1.IOS/OSI参考模型

ISO/OSI参考模型是国际标准化组织（ISO）制定的一个用于网络互联的标准模型，该模型定义了开放系统的通信协议。这个模型将网络通信过程划分为七个独立的、分层的功能层，每一层都完成一定的功能。

物理层：这是最底层，负责提供物理连接并实现比特流的透明传输。主要功能包括建立、管理和释放物理连接，实现比特流的传输，并对数据传输单元进行同步。

数据链路层：负责在相邻网络实体之间建立、维持和释放数据链路连接。它还传输数据链路服务数据单元，并处理数据链路连接的建立、管理和释放，以及数据单元的分段和组装。此外，这一层还处理差错的检测和恢复以及流量控制。

网络层：解决的是网络与网络之间即网际的通信问题，包括提供路由选择并传送数据包。这一层的主要功能包括建立和拆除网络连接、路由选择和中继、网络连接多路复用、分段和组块、传输和流量控制、加速数据传递、复位、差错检测与恢复以及服务选择等。

传输层：这一层主要解决的是数据在网络之间的传输质量问题。主要功能包括映像传输地址到网络地址、多路复用与分割、传输连接的建立与释放、分段与重新组装、组块与分块等。

会话层：利用传输层来提供会话服务，其主要功能包括会话连接到传输连接的映射、数据传送、会话连接的恢复和释放以及会话管理等。

表示层：这一层主要用于处理有关被传送数据的表示问题，例如数据语法转换、数据语法表示、为用户执行会话服务原语提供手段、表示连接管理、数据加密和数据压缩等。

应用层：这是ISO/OSI参考模型的最高层，它提供给应用进程访问OSI环境的手段。

这个分层结构使得每一层都专注于特定的功能，这有助于设计、理解和维护网络协议和服务，同时也有助于不同厂商和组织独立开发和优化各自的网络组件。

2.TCP/IP模型

TCP/IP参考模型是首先由ARPANET所使用的网络体系结构，包括应用层、传输层、网络层和主机-网络层（或物理层和数据链路层）。

应用层：这是对应于OSI参考模型的高层，为用户提供所需要的各种服务，例如FTP、Telnet、DNS、SMTP等。

传输层：这是对应于OSI参考模型的传输层，为应用层实体提供端到端的通信功能，保证了数据包的顺序传送及数据的完整性。该层定义了两个主要的协议：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。

网络层：这是对应于OSI参考模型的网络层，主要解决主机到主机的通信问题。它所包含的协议设计数据包在整个网络上的逻辑传输。注重重新赋予主机一个IP地址来完成对主机的寻址，它还负责数据包在多种网络中的路由。这一层有三个主要协议：网际协议（IP）、互联网组管理协议（IGMP）和互联网控制报文协议（ICMP）。

主机-网络层：这一层的功能是将数据从主机发送到网络上，相当于OSI模型中的物理层和数据链路层。

TCP/IP参考模型的应用非常广泛，特别是在互联网中。这种分层结构使得网络设计和实现更加简单和模块化，也方便进行故障排查和维护。