计算机网络概述

 

 

作者：渴望力量的土狗

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专栏：计算机网络

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目录

网络、互连网（互联网）和因特网

internet和Internet的区别

因特网简介

因特网的组成：

三种交换方式：电路交换，分组交换和报文交换

电路交换：

分组交换：

报文交换：

三种方式的对比：

计算机网络的定义和分类：

计算机网络的定义：

计算机网络的分类：

计算机网络的性能指标：

速率：

带宽：

吞吐量：

时延：

时延带宽积：

往返时间：

利用率：

丢包率：

计算机网络体系结构

常见的三种计算机网络体系结构

计算机网络体系结构分层的必要性

计算机网络体系结构分层思想举例

计算机网络体系结构中的专用术语

实体：

协议：

服务：

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网络、互连网（互联网）和因特网

网络（Network)是由若干结点（Node)和连接这些结点的链路（Link)组成。

多个网络可以通过路由器连接起来，构成一个更大范围的网络，也就是互联网（互连网），是由互联网就是网络中的网络。

因特网是世界上最大的互连网络。

internet和Internet的区别

因特网简介

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

因特网已发展成为基于ISP的多层次结构的互连网络

因特网的组成：

由核心部分和边缘部分组成：

边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成，这部分由用户直接使用。用来进行通信（传送数据）和资源共享。

核心部分：由大量的网络和连接在这些网络的路由器组成，这部分为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）

三种交换方式：电路交换，分组交换和报文交换

电路交换：

电话交换机接通电话线的方式称为电路交换。

从通信资源的分配角度来看，交换是按照某种方式动态的分配传输线路的资源。

电路交换的三个步骤：

1、建立连接（分配通信资源）

2、通话（占用通信资源）

3、释放连接（归还通信资源）

如果我们使用电路交换来传输计算机数据1时候，它的线路的传输效率很低。（因为计算机的资源是突发性的，如果一个用户正在输入一份待传输的文件的时候，他所占用的资源没有被利用，别人也没有办法利用，这就造成了资源的一个浪费。）所以计算机网络一般采用的是分组交换的方式。

分组交换：

假设主机H1的用户要给主机H3的用户发送一条消息，通常我们把表示该消息的整块数据称为一个报文。

在发送数据之前，我们需要先把报文划分成一个个小的等长数据段，然后在每一个数据段的前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组，简称为包。首部也可以成为包头。（首部的关键作用：首部包含了传输的目的地址）

当我们发生的数据传到了目的地址后，也就是到了H3的位置，会进行去除首部的操作，并重新再次重组。得到完整的数据报文。

整个过程中各结点的作用：

分组交换的优缺点：

优点：1、没有建立连接和释放连接的过程。2、分组传输过程中逐段占用通信链路，有较高的通信线路利用率。3、交换节点可以为每一个分组独立选择转发路由，使得网络有很好的生存性。

缺点：1、分组首部带来了额外的传输开销。2、交换节点存储转发分组会造成一定的时延。3、无法确保通信时端到端通信资源全部可用，在通信量较大时可能造成网络拥塞4、分组可能会出现失序和丢失等问题。

报文交换：

报文交换是分组交换的前身。

在报文交换中，报文被整个地发送，而不是拆分成若干个分组进行发送。

交换节点将报文整体接收完成后才能查找转发表，将整个报文转发到下一个节点。

因此，报文交换比分组交换带来的转发时延要长很多，需要交换节点具有的缓存空间也大很多。

三种方式的对比：

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。

计算机网络的定义和分类：

计算机网络的定义：

没有精确定义。

不同阶段，不同定义反映当时计算机网络技术的发展水平。

现阶段计算机网络的一个较好的定义：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。

计算机网络的分类：

按交换方式分类：

按使用者分类：

按传输介质分类：

按覆盖范围分类：

按拓扑结构分类：

计算机网络的性能指标：

计算机网络的性能指标被用来从不同方面度量计算机网络的性能。

常用的八个计算机网络性能指标

速率：

比特（bit，记为小写b）是计算机中数据量的基本单位，一个比特就是二进制数字中的一个1或0。数据量的常用单位有字节（byte，记为大写B）、千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）以及太字节（TB）。

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）。

一道练习题：

带宽：

带宽在模拟信号系统中的意义：

某个信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。单位：Hz（kHz，MHz，GHz）。

带宽在计算机网络中的意义：

用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，即在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。单位：b/s（kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s）。

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 ]

吞吐量：

吞吐量是指在单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量。吞吐量常被用于对实际网络的测量，以便获知到底有多少数据量通过了网络。吞吐量受网络带宽的限制。

时延：

时延是指数据从网络的一端传送到另一端所耗费的时间，也称为延迟或迟延。 数据可由一个或多个分组、甚至是一个比特构成。

小练习：

时延带宽积：

时延带宽积是传播时延和带宽的乘积。

【举例】主机A和B之间采用光纤链路，链路长1km，链路带宽为1Gb/s，请计算该链路的时延带宽积。

因此，链路的时延带宽积也称为以比特为单位的链路长度，这对我们以后理解以太网的最短帧长是非常有帮助的。

往返时间：

往返时间（Round-Trip Time，RTT）是指从发送端发送数据分组开始，到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止，总共耗费的时间。

利用率：

根据排队论可知，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。

丢包率：

丢包率是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。

当链路中出现误码的情况时可能会出现丢弃误码的分组的情况，

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%。

计算机网络体系结构

常见的三种计算机网络体系结构

计算机网络体系结构分层的必要性

计算机网络是个非常复杂的系统，“分层”可将庞大复杂的问题转化为若干较小的局部问题。

小练习：

计算机网络体系结构分层思想举例

一道小练习：

计算机网络体系结构中的专用术语

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。

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：定义所交换信息的格式

语义：定义通信双方所要完成的操作

同步：定义通信双方的时序关系

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。

服务：

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，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）。

小练习：