【计算机网络】P1 计算机网络概念、组成、功能、分类、标准化工作以及性能评估指标

1 什么是计算机网络

• 一般认为，计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
  • 分散的、具有独立功能的计算机系统，其实指的就是手机、计算机等端设备。
  • 通信设备与线路，就是路由器等以及光纤等。
  • 资源共享、信息传递 是目的。
• 简而言之，计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合。

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2 计算机网络的组成

2.1 组成部分上

计算机网络由 硬件、软件、协议 三大部分组成：

• 硬件 主要由主机（也称端设备）、通信链路（双绞线、光纤）、交换设备（路由器、交换机）和通信处理器（网卡）等组成。
• 软件 多属于计算机网络五层结构中的应用层，各种实现资源共享的、以及方便用户的工具软件组成。
• 协议，是网络的核心，规定了网络传输数据时所遵循的规范。

2.2 工作方式上

从工作方式上看，计算机网络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，供用户使用的主机组成。
• 核心部分： 由大量的网络以及连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供连通性以及交换服务。

2.3 功能组成上

计算机网络由通信子网和资源子网组成：

• 通信子网 传输各种介质，通信设备和相应的网络协议组成，使得网络具有数据传输、交换、控制和存储的功能，实现联网计算机之间的数据通信。
• 资源子网 由实现资源共享功能的设备及其软件组成，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。

总而言之，通信子网负责通信，信息传递，资源子网负责资源共享。

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3 计算机网络的功能

计算机网络主要有以下五种功能：数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠性、负载均衡。其中，数据通信 以及 资源共享 是最重要的两项功能。

3.1 数据通信

数据通信是计算机网络最基本最重要的功能，用来实现联网计算机之间的各种信息的传递，可以说，数据通信，是计算机网络最重要的功能和目的。

3.2 资源共享

资源共享包含软件资源共享、数据共享、以及硬件共享。这种共享使得计算机网络中各资源分工协作，极大提高硬件、软件以及数据资源的利用率。

3.3 分布式处理

当计算机网络中某个端系统的负荷过重时，可以选择将其任务分配给网络中其他计算机系统，从而利用空闲计算机资源以提高整个系统的资源利用率。

3.4 提高可靠性

计算机网络中各台计算机可以通过网络互为替换机。

3.5 负载均衡

将工作任务均衡地分配给网络中地各台计算机。

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4 计算机网络的分类

4.1 按分布范围分类

按分布范围来分类，可以按照覆盖范围逐渐缩小分为：广域网、城域网、局域网、个人区域网。

• 广域网（WAN）： 提供长距离通信，覆盖范围几十千米到几千千米，是因特网的核心部分，由高速链路了组成，具有较大额通信容量。
• 城域网（MAN）： 覆盖范围 5~50 公里，多采用以太网技术。
• 局域网（LAN）： 局域网使用广播技术，广域网使用交换技术，覆盖直径为几十米到几千米。
• 个人区域网（PAN）： 将个人的电子设备用无线技术连接起来的网络，覆盖面积通常直径为 10m。

最重要的，在于局域网使用的广播技术以及广域网使用的交换技术。后续将细说。

4.2 按传输技术分类

• 广播室网络： 像是广播一样，所有联网计算机共享一个公共通信信道，当一台计算机发送报文分组时，其他所有计算机都会听到这个分组，检查目的地址来决定是否接收分组。
• **点对点网络：**每条物理线路连接一对计算机，若通信中两台主机之间没有直接连接，则之间的分组传输就需要通过中间结点进行接受、存储和转发。

4.3 按照拓扑结构分类

网络拓扑结构指的是由网中的结点、通信线路构成的之间的组成关系表示的网络结构。主要分为总线形、星形、环形以及网状网络等。

其中，星形、总线形和环状网络多用于局域网，网状多用于广域网。

• 总线形： 总线形用单根传输线将计算机连接起来，优点是建网容易、增减结点方便，缺点是重负载时通信效率不高，对任意一处故障都敏感。
• 星形： 每个终端都以单独线路的形式与中央设备相连，中央设备一般是交换机、路由器等。星形网络便于集中控制和管理，但是缺点是成本高，中央设备故障敏感。
• 环形： 所有计算机接口设备连接成一个环状，可以是单环，也可以是双环，环中信号是单向传输的。
• 网状： 每个结点至少与两条路径相连，多用于广域网中，有规则性以及非规则性两种，优点是可靠性高，缺点明显是控制复杂，线路成本高。

4.4 按使用者分类

按照使用者来分类，分为公用网以及专用网：

• 公用网： 指的是公众付费使用的，电信公司出资建造的大型网络。
• 专用网： 为特殊业务特殊建造的网络，如政府、军队网等专用网。

4.5 按交换技术分类

交换技术指的是各台主机之间、主机与通信设备、通信设备与通信设备之间为交换信息所采用的数据格式和交换方式，主要包含：

• 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数据传送交换。特点是整个报文的比特流持续不断的从源点到终点，优点是直接传送时延小，缺点是线路利用率低，不便于进行差错控制。
• 报文交换网络： 源结点数据加上源地址、目的地址以及校验码等信息，封装成报文，整个报文传送到相邻结点，全部存储后，再从该结点转发到下一个结点，重复直到达到目的结点。
  报文交换网络，又称为 存储-转发网络。优点是可以较为充分的利用线路容量，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，增加了缓冲时延，需要额外的控制机制来保证多个报文顺序不乱序，缓冲区难以管理。
• 分组交换网络： 将数据分成较短的固定长度的数据块，每个数据块中加入目的地址、源地址等辅助信息，以 存储-转发 的方式进行传输。除具备报文交换网络的优点外，分组交换网络具有缓冲易于管理，包平均时延更小，网络占用缓冲区更少，更容易标准化，更适用于应用等特点。
  当下主流网络基本上都可视为分组交换网络。

4.6 按传输介质分类

传输介质分为无线和有线两类，因此网络可以分为无线网络和有线网络两类。有线网络又称为双绞线网络、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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5 计算机网络标准化工作

因特网所有的标准都以 RFC（Request For Comments）的形式在因特网上发布。
RFC 制定上升为因特网需要经过 4 个阶段：

1. 因特网草案。
2. 建议标准。
3. 草案标准。
4. 因特网标准。

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6 计算机网络性能指标

性能指标用于衡量计算机网络的性能。常用的指标如下：

• 带宽： 网络通信线路传送数据的能力，单位：比特/秒。

• 时延： 数据从网络的一端到另一端所需的总时间，由以下四部分组成：

  • 发送时延： 结点将分组所有比特推向传输链路所需的时间，即从发送分组的第一个比特起，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： 电磁波在信道中传播一定的距离所需的时间。即一个比特从链路的一端传播到另一端所需要的时间。 $$传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率$$
  • 处理时延： 数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要操作所花费的时间。比如分组中提取数据部分、差错检验、查找适当路由器等。
  • 排队时延： 分组在进入到路由器缓冲区时需要在输入排队中进行等候处理。等路由器确认转发端口后，还需要在输出队列中排队等候转发，这就产生了排队时延。

  总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

• 时延带宽积： 发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发送了多少个比特，即 $$时延带宽积=传播时延\ast 信道带宽$$ 时延带宽积表示了传输管道可以容纳的比特数量。

• 往返时延： RTT，指从发送端发出一个短分组，到发送端接收到来自接收端的确认，总共经历的时延。当然还包含中间的处理时延、排队时延等等。手机上一般显示的延迟，就是往返时延。

• 吞吐量： 单位时间内通过某个网络的实际数据量。

• 速率： 网络中的速率指的是连接到计算机网络上的主机在数字信道传送数据的速率，在计算机网络中，通常把最高数据传输速率称为带宽。

• 信道利用率： 信道中百分之多少的时间是有数据通过的，即 $$信道利用率=有数据通过时间/(有+无)数据通过时间$$