第一章计算机网络概述

1、计算机网络的概念

1.1、计算机网络的定义

• 计算机技术和通信技术相互融合的产物
• 互连的、自治的计算机的集合
• 目前最大的、应用最广泛的计算机网络是Internet/互联网

1.2、协议

　　计算机网络中的实体在进行数据交换的过程中也必须遵循一些规则或约定，这些规则或约定就是网络协议。

• 语法：语法定义实体之间交换信息的格式与结构
• 语义：语义就是定义实体之间交换的信息中需要发送控制信息
• 时序：时序也称为同步，定义实体之间交换信息的顺序以及如何匹配或适应彼此的速度

1.3、计算机网络的功能

　　计算机网络的功能是在不同主机之间实现快速的信息交换。核心功能是实现资源共享

• 硬件资源共享：通过计算机网络，一台主机可以共享使用另一台主机的硬件资源。典型实例：云计算、云存储。
• 软件资源共享：网络上的主机可以远程访问、使用服务器计算机上运行的各类大型软件。典型实例：大型数据库系统、软件即服务（SAAS）
• 信息资源共享：互联网已经成为人们获取信息的重要渠道。包括政府的政策法规、企业的产品信息、社会热点新闻、高校研究成果等。计算机网络所支持的信息交换就是典型的信息共享。

1.4、计算机网络的分类

1.4.1、按覆盖范围分类

• 个域网（PAN）：1-10m
• 局域网（LAN）：10m-1k
• 城域网（MAN）：5-50km
• 广域网（WAN）：几十到几千千米

1.4.2、按网络用户类型分类

• 公用网：指由国家或企业出资建设，面向公众提供收费或免费服务的网络。例如电信网络（ISP : 因特网服务提供商）。
• 私有网：指由某个组织（如政府部门或企业等）出资建设，专门面向该组织内部业务提供网络传输服务，不向公众开放的网络。例如银行、军事，铁路专用网。

1.4.3、按拓扑结构分类

• 星形拓扑：多个设备连接在一个交换节点上。
• 总线拓扑：多个设备通过一条总线进行交换。
• 环形拓扑：令牌环网。
• 网状拓扑：多个设备两两互连。
• 树形拓扑：一个根节点延伸出多个子节点。
• 混合拓扑：两种以上的简单拓扑结构混合而成。

1.4.4、按交换方式分类

• 电路交换网络
• 报文交换网络
• 分组交换网络

2、计算机网络结构

 

　　网络边缘：连接到网络上的端系统。例如：计算机、服务器、智能手机等。

　　接入网络：端系统接入网络的方式。网络核心：由通信链路互连的分组交换设备构成的网络。采用数据交换来实现的网络边缘中的主机之间的数据中继和转发。网络核心：由通信链路互连的分组交换设备构成的网络。

　　　　电话拨号接入

　　　　非对称数字用户线路（ADSL）：电话网络接入

　　　　混合光纤同轴电缆（HFC）接入网络：电视网络接入，如歌华有限等

　　　　局域网接入：以太网、Wi-Fi

　　　　移动网络接入： 3G/4G/5G网络　　　　

　　网络核心：采用数据交换来实现主机之间的数据中继和转发。

3、数据交换技术

　　

　　数据交换是在大规模网络核心上进行数据传输的技术基础。

3.1、电路交换

　　电路交换是最早出现的一种交换方式，电话网络则是最早的、最大的电路交换网络。

• 3个阶段：建立电路、传输数据、拆除电路。
• 特点：在通信时需先建立电路连接，在通信过程中独占一个信道，通信结束后拆除电路。
• 优点：实时性高，时延和时抖动都较小。
• 缺点：无法处理突发性数据传输（A和B打电话，C向A打电话无法接入），信道利用率低，传输速率单一，电路交换只适用于实时性强的语音和视频业务。

3.2、报文交换

　　报文交换采用存储-转发的交换方式，只有当报文被转发时才占用相应的信道，不存在电路交换中通信双方空闲时信道也要被占用的情况。

　　因此，相对电路交换信道而言，报文交换线路利用率高。

　　报文交换网络中交换结点需要缓冲存储，报文需要排队，因此会导致报文经过网络的延迟时间变长并且不固定，对于实时通信而言会容易出现不能满足速度要求的情况。

　　有时候结点收到的报文过多而存储空间不够或者输出链路被占用不能及时转发时，就不得不丢弃报文，这也是报文交换的缺点。

• 定义：存储-转发式交换方式，适用于电报通信。
• 特点：不需要事先建立连接，每个报文在穿越网络时不被分割。
• 优点：相对电路交换，报文交换线路率用率高。
• 缺点：交换结点需要缓冲存储整个报文，时延较长，不能满足实时通信，会出现丢包现象。

3.3、分组交换

　　分组交换是目前计算机网络广泛采用的技术。也称包交换。

　　分组交换需要将待传输数据（即报文）分割成较小的数据块，每个数据块附加上地址、序号等控制信息构成数据分组，每个分组独立传输到目的地，目的地将收到的分组重新组装，还原为报文。

　　采取存储-转发交换方式。

• 优点：交换设备容量要求低，交换速度块，可靠传输效率高，更加公平
• 缺点：有效传输效率降低

 

4、计算机网络性能

4.1、速率

　　单位：bit/s

　　含义：单位时间内传输的数据量。

 

4.2、带宽

　　单位：bit/s

　　含义：链路或信道的最高数据速率。

 

4.3、时延

　　单位：s

　　含义：数据从一个结点到达另一个结点所需的时间，反应网络的拥塞程度。

　　结点处理时延（d_c）：交换设备验证分组是否有差错，根据分组携带的信息检索转发表

　　排队时延（d_q）：分组在缓存中排队等待的时间

　　传输时延（d_t）：分组在输出链路发送时，从第一位到最后一位所用的时间

　　传播时延（d_p）：信号从发送端发出到接收端收到所需要的时间，物理链路长度为L(m)，信号传播速度为V(m/s)，传播时延是d_p = L / V，传播速度一般为光速3 × 10⁸ m/s

　　时延 d_h = d_c + d_q + d_t + d_p

4.4、时延带宽积

　　单位：bit

　　含义：传播时延与带宽的乘积，时延带宽积表示一段链路可以容纳的数据位数

 

　　计算方式：G = 传播时延 × 链路带宽 = d_p × R

 

4.5、丢包率

　　单位：%

　　含义：发送的数据中丢失的数据的百分比，反应网络的拥塞程度。

　　

 

4.6、吞吐量

　　单位：bit/s

　　含义：单位时间内源主机向目的主机实际送达的数据量，度量网络的实际传输能力。

　　吞吐量受网络链路带宽、网络连接复杂性、网络协议、网络拥塞程度等因素影响。

　

5、计算机网络体系结构

 

 

 

6、计算机网络与因特网发展简史