计算机网络概述

计算机网络概述

1.1 信息时代的计算机网络

1.2 因特网概述

1.2.1 网络，互连网（互联网）与因特网

网络是由多台计算机和通信设备通过通信线路连接起来的系统。互连网（互联网）是由多个网络通过路由器连接起来的网络。因特网是全球最大的互联网，是一个由全球范围内的大量计算机设备所构成的网络。

• 若干节点和链路互连形成网络：

• 若干网络通过路由器互连形成互连网（互联网）：

• 因特网是当今世界上最大的互联网：

1.2.2 因特网的发展阶段

因特网的发展阶段主要分为四个阶段：

1. 初创阶段（1969年-1983年）：主要是ARPANET的建立和发展。
2. 成长阶段（1983年-1993年）：此阶段标志着TCP/IP协议的广泛应用，以及DNS的出现。
3. 大众化阶段（1993年-至今）：随着万维网的出现，因特网开始进入普通家庭，人们的生活方式也因此发生了改变。
4. 物联网阶段（2005年-至今）：在这个阶段，物联网技术开始得到广泛应用，各种设备都可以通过因特网进行连接。

1.2.3 因特网服务提供者（Internet Service** Provider，ISP）

ISP是提供因特网接入服务的公司或机构，他们拥有一定数量的IP地址和一定的带宽，可以将这些资源分配给用户，使用户可以通过电话线、光纤或无线方式接入因特网。

• 如家因特网已发展成为基于ISP的多层次结构的互连网络：

1.2.4 因特网的标准化工作

因特网的标准化工作是面向公众的，其任何一个建议标准在成为因特网标准之前都以RFC技术文档的形式在因特网上发表。

RFC（Request For Comments）的意思是“请求评论”。任何人都可以从因特网上免费下载RFC文档（http://www.ietf.org/rfc.html），并随时对某个RFC文档发表意见和建议。

1.2.5 因特网的管理机构

1.2.6 因特网的组成

因特网主要由以下几个部分组成：

• 硬件：包括服务器、路由器、交换机、电缆、光纤、卫星、无线设备等。
• 软件：包括操作系统、浏览器、邮件系统、数据库管理系统、安全防护系统、网络管理系统等。
• 协议：包括TCP/IP、HTTP、FTP、SMTP、POP3、IMAP、DNS等。
• 数据：包括网页、文档、图片、音频、视频、电子邮件等。
• 用户：包括个人用户、企业用户、政府机构、教育机构、非盈利组织等。
• 服务提供商：包括互联网服务提供商（ISP）、网络服务提供商（NSP）、内容服务提供商（CSP）等。
• 网络连接：包括拨号连接、宽带连接、光纤连接、无线连接、卫星连接等。

1.3 电路交换、分组交换和报文交换

1.3.1. 电路交换

电路交换是在通信的两个节点之间建立一个物理连接，并在整个通信过程中保持这个连接。

优点：

• 通信过程中不会出现延迟，因为通信链路是预先建立好的。
• 由于链路是专用的，所以通信质量可以得到保证。

缺点：

• 如果通信链路上没有数据传输，那么这条链路的带宽就会被浪费。
• 需要在通信开始之前建立连接，这个过程需要一定的时间。

1.3.2 分组交换

分组交换是将数据分割成小块，然后独立地传输这些小块。

优点：

• 可以更好地利用网络资源，因为数据包可以根据网络的实际情况动态地选择路径。
• 数据包可以选择最优路径，因此通信速度通常更快。

缺点：

• 由于数据包是独立传输的，所以可能会出现数据包丢失或者到达顺序错乱的情况。
• 需要对数据进行分包和重组，这个过程需要一定的时间和计算资源。

1.3.3 报文交换

报文交换是一种介于电路交换和分组交换之间的通信方式，它将整个报文作为一个整体进行传输。

优点：

• 不需要预先建立连接，因此可以节省建立连接的时间。
• 由于报文是作为一个整体传输的，所以不会出现数据包丢失或者到达顺序错乱的情况。

缺点：

• 如果报文很大，那么可能会占用大量的网络资源，影响其他用户的通信。
• 需要等待整个报文传输完毕，才能开始接收下一个报文，因此通信效率较低。

1.3.4 总结

• 若要连续传送大量的数据，并且数据传送时间远大于建立连接的时间，则使用电路交换可以有较高的传输效率。然而计算机的数据传送往往是突发式的，采用电路交换时通信线路的利用率会很低。
• 报文交换和分组交换都不需要建立连接（即预先分配通信资源），在传送计算机的突发数据时可以提高通信线路的利用率。
• 将报文构造成若干个更小的分组进行分组交换，比将整个报文进行报文交换的时延要小，并且还可以避免太长的报文长时间占用链路，有利于差错控制，同时具有更好的灵活性。

1.4 计算机网络的定义和分类

1.4.1 定义

计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

可编程的硬件：

• 不限于计算机，而是包括了智能手机、具有网络功能的传感器以及智能家电等智能硬件，这些硬件一定包含有中央处理单元（CPU）。

各类应用：

• 计算机网络并非只用来传送数据，而是能够基于数据传送进而实现各种各样的应用，包括今后可能出现的各种应用。

1.4.2分类

1.4.2.1 按交换方式分类

• 电路交换网络：在通信过程中，始终保持通信双方之间的物理通信路径不变。
• 报文交换网络：在通信过程中，信息在节点之间存储转发。
• 分组交换网络：在通信过程中，将数据划分为一定长度的数据包，然后分别传输。

1.4.2.2 按使用者分类

• 公用计算机网络：供公众使用的计算机网络。（因特网）
• 专用计算机网络：为某个或某些特定的用户服务的计算机网络。（军队、铁路、电力、银行）

1.4.2.3 按传输介质分类

• 有线网络：使用电缆、光纤等物理介质进行连接的网络。
• 无线网络：使用无线电波、红外线等无线介质进行连接的网络。

1.4.2.4 按覆盖范围分类

• 个人区域网（PAN）：个人区域网是指在个人工作区域内（通常是10米以内）覆盖的网络。这种类型的网络通常用于连接个人设备，如笔记本电脑、手机、打印机等。

• 局域网（LAN）：局域网是一种覆盖小范围（如一个建筑物、一组建筑物或者一个校园）的网络。它们通常由用户自己拥有和维护。在局域网中，计算机和其他设备通过有线或无线媒介连接在一起，以共享资源，如打印机和文件。
• 城域网（MAN）：城域网是一种覆盖较大的地理区域（如一个城市或一个地区）的网络。它们通常由一个或多个网络供应商拥有和维护。城域网可以提供连接局域网和个人区域网的服务。
• 广域网（WAN）：广域网是覆盖大范围地理区域（如一个国家、一个洲或全球）的网络。广域网由多个网络供应商拥有和维护，可以提供连接局域网和城域网的服务。

1.4.2.5 按拓扑结构分类

• 总线型网络：所有的计算机或网络设备都连接到一个公共线路（总线）上。
• 星型网络：所有的计算机或网络设备都直接连接到一个中心节点。
• 环型网络：所有的计算机或网络设备形成一个闭环，数据在环中按一定方向传输。
• 网状网络：网络中的计算机或网络设备之间可以有多条通信路径。

1.5 计算机网络的性能指标

1.5.1 速率

速率是指数据的传送速率（即每秒传送多少个比特），也称为数据率（Data Rate）或比特率（Bit Rate）。

速率的基本单位是比特/秒（bit/s，可简记为b/s，有时也记为bps，即bit per second）。速率的常用单位有千比特/秒（kb/s或kbps）、兆比特/秒（Mb/s或Mbps）、吉比特/秒（Gb/s或Gbps）以及太比特/秒（Tb/s或Tbps）。

1.5.2 带宽

带宽指的是数据传输的宽度，即单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的"最大"数据量，通常以比特每秒(bps)来衡量。

数据传送速率 = min [ 主机接口速率，线路带宽，交换机或路由器的接口速率 ]

1.5.3 吞吐量

吞吐量是指在单位时间内通过某个网络（或网络部分、网络接口）的数据量。在计算机网络中，吞吐量通常以比特每秒(bps)或数据包每秒(pps)来衡量。

吞吐量受网络带宽的限制。

1.5.4 时延

时延是指数据从发送到接收所经历的时间，也就是数据从源点到目的地的传播时间。时延通常以毫秒(ms)来衡量。

时延可以分为以下四种类型：

1. 发送时延：也被称为传输时延，是数据帧从发送端的源节点传输到链路的时间。发送时延取决于数据帧的长度和链路的传输速率。
2. 传播时延：是数据帧从链路的一端传输到另一端的时间。传播时延取决于链路的长度和信号在链路上的传播速度。
3. 处理时延：是源节点处理数据帧的时间，包括检查数据帧的错误、确定数据帧的路由路径等。
4. 排队时延：是数据帧在源节点等待处理的时间。当源节点的处理能力无法满足所有数据帧的处理需求时，数据帧需要在源节点排队等待处理。

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

1.5.5 时延带宽积

时延带宽积是网络的一种重要性能参数，它定义为链路的传输时延和带宽的乘积，表示在链路上可以存在的未确认的数据量。

1.5.6 往返时间

往返时间是指数据包从发送端发送到接收端，然后再从接收端返回发送端所需的时间。

1.5.7 利用率

1. 链路利用率: 链路利用率是指某条链路有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）,当完全空闲的链路的利用率为零。

2. 网络利用率: 网络利用率是指网络中所有链路的链路利用率的加权平均。

• 当某链路的利用率增大时，该链路引起的时延就会迅速增加。
• 当网络的通信量较少时，产生的时延并不大，但在网络通信量不断增大时，分组在交换节点（路由器或交换机）中的排队时延会随之增大，因此网络引起的时延就会增大。
• 令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，那么在理想的假定条件下，可用下式来表示D、D0和网络利用率U之间的关系。

1.5.8 丢包率

丢包率是指在数据传输过程中，由于各种原因（如网络拥塞、硬件故障等）导致数据包丢失的比率。

分组丢失主要有以下两种情况：

• 分组在传输过程中出现误码，被传输路径中的节点交换机（例如路由器）或目的主机检测出误码而丢弃。

• 节点交换机根据丢弃策略主动丢弃分组。

丢包率可以反映网络的拥塞情况：

• 无拥塞时路径丢包率为0。

• 轻度拥塞时路径丢包率为1%~4%。

• 严重拥塞时路径丢包率为5%~15%。

1.6 计算机网络体系结构

1.6.1 三种计算机网络体系结构

OSI七层模型

OSI（Open System Interconnection）模型是由ISO（国际标准化组织）提出的，用于描述和定义多种网络协议的网络系统的框架。

OSI模型从高层到低层分别是：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

TCP/IP四层模型

TCP/IP模型是Internet最早采用的网络体系结构，它的名字来源于该模型中的两个重要协议：TCP和IP。

TCP/IP模型从高层到低层分别是：应用层、传输层、网络层、网络接口层。

五层模型

五层模型是在TCP/IP四层模型的基础上，将网络接口层细分为数据链路层和物理层。

五层模型从高层到低层分别是：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。

1.6.2 分层的必要性

1. 简化网络系统设计：通过分层，可以将复杂的网络设计问题分解为几个相对简单的小问题，每个小问题只需要在特定的层次上解决。
2. 便于实现和维护：每一层都可以独立地改变，而不会影响其他层。例如，如果要改变物理传输媒介和技术，只需要改变物理层的实现，而不需要改变网络层、传输层和应用层。
3. 有利于标准化工作：通过定义标准的接口，不同厂家生产的设备可以互相通信，这就是我们所说的“开放系统”。
4. 可以选择最适合的技术和设备：由于每一层的功能是确定的，所以可以在每一层选择最适合的技术和设备。例如，可以在物理层选择最适合的传输媒介，可以在传输层选择最适合的传输协议等。

1.6.3 计算机网络体系结构中的专用术语

1. 实体

实体是指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

对等实体是指通信双方相同层次中的实体。

2. 协议

协议是控制两个对等实体在“水平方向”进行“逻辑通信”的规则的集合。

协议的三要素:

• 语法：定义交换信息的格式
• 语义：定义通讯双方所要完成的操作
• 同步：定义通讯双方的时序关系

3. 服务

在协议的控制下，两个对等实体在水平方向的逻辑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。

协议是“水平”的，而服务是“垂直”的。

实体看得见下层提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。下层的协议对上层的实体是“透明”的。

在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点SAP(Service Access Point)，它被用于区分不同的服务类型。

帧的“类型”字段、IP数据报的“协议”字段，TCP报文段或UDP用户数据报的“端口号”字段都是SAP。

上层要使用下层所提供的服务，必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。

对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。同一系统内层与层之间交换的数据包称为服务数据单元（Service Data Unit，SDU）。