计算机网络 | 1.计算机网络概述

1.计算机网络概述

（1）计算机网络的重要功能

<1> 连通性 彼此联通，交换信息
<2> 共享 信息共享、软硬件共享

（2）因特网概述

<1>网络、互联网、因特网

• 网络：许多计算机连接在一起
• 互联网：许多网络连接在一起
• 因特网：全球最大的一个互联网

<2>因特网发展的三个阶段

• 第一阶段：（美国国防部）
  ARPANET向互联网发展。 上世纪60年代到80年代
• 第二阶段：（美国国家科学基金会）
  三级结构的因特网。 上世纪80年代中期到90年代初
  多个校园网/企业网 --> 多个地区网 -->主干网
• 第三阶段：（ISP，即互联网服务提供商）
  多层次ISP结构的因特网
  

（3）因特网的组成

• 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信(传送数据、音频或视频)和资源共享。
• 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的(提供连通性和交换)。
  

<1>边缘部分

• 处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。这些主机又称为端系统。
• 主机A和主机B进行通信实际上是指主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信。

a.客户-服务器方式

客户是服务请求方，服务器是服务提供方。

• 客户程序：
  • 被用户调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信(请求服务)。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。
  • 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。
• 服务器程序
  • 是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
  • 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。
  • 一般需要有强大的硬件和高级的操作系统支持。
• 客户和服务器本来都指的是计算机进程(软件)。

b.对等连接方式P2P

• 只要两台主机都运行了对等连接软件 (P2P 软件)，它们就可以进行平等的、对等连接通信。
• 。实际上，对等连接方式从本质上看仍然是使用客户-服务器方式，只是对等连接中的每一台主机既是客户又同时是服务器。

<2>核心部分

• 在网络核心部分起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机(但不叫做主机)。
• 路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。
• 数据传输的三种方式
  • 电路交换
    • 整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。
  • 报文交换
    • 整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
  • 分组交换
    • 单个分组(这只是整个报文的一部分)传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

（4）计算机网络的分类

计算机网络最简单的定义：一些互相连接的、自治的计算机的集合。

<1>按照网络的作用范围进行分类

• 1)广域网 WAN
  • 广域网的作用范围通常为几十到几千公里，因而有时也称为远程网。广域网是互联网的核心部分，其任务是通过长距离(例如，跨越不同的国家)运送主机所发送的数据。连接广域网各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。
• **2) 城域网 MAN **
  • 城域网的作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，其作用距离约为 5 ~ 50 km。城域网可以为一个或几个单位所拥有，但也可以是一种公用设施，用来将多个局域网进行互连。目前很多城域网采用的是以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围进行讨论。
• **3) 局域网 LAN **
  • 局域网一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连(速率通常在10Mbitls以上)，但地理上则局限在较小的范围(如1km左右)。在局域网发展的初期，一个学校或工厂往往只拥有一个局域网，但现在局域网己非常广泛地使用，学校或企业大都拥有许多个互连的局域网(这样的网络常称为校园网或企业网)
• **4) 个人区域网 PAN **
  • 个人区域网就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备(如便携式电脑等)用无线技术连接起来的网络，因此也常称为无线个人区域网 WPAN，其范围很小，大约在 10 m 左右。

<2>按照网络的使用者进行分类

• 1) 公用网
  • 这是指电信公司(国有或私有)出资建造的大型网络。"公用"的意思就是所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都可以使用这种网络。因此公用网也可称为公众网。
• 2) 专用网
  • 这是某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务。例如，军队、铁路、银行、电力等系统均有本系统的专用网。

（5）计算机网络的性能

<1>速率

• 连接在计算机网络上的主机在数字信道上传输数据位数的速率，也称为data rate或bit rate。（单位是 b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s）
  • 测网速时，通常是字节为单位，因此，检测到的网速为“速率/8”。

<2>带宽

• 数据通信领域中，数字信道所能传送的最高数据率。（单位是b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s）

<3>吞吐量

• 即在单位时间内通过某个网络的数据量。（单位是b/s,Mb/s,Gb/s）

<4>时延

• 发送时延
  • 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。
  • 发送时延=数据块长度（比特）/信道带宽（比特/秒）
• 传播时延
  • 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。
  • 信道长度（米）/信号在信道上的传播速率（米/秒）
• 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
• 排队时延
  • 分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在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。这就产生了排队时延。
  • 网络结点存储转发处理时间

• 总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

<5>时延带宽积

• 时延带宽积=传播时延×带宽
  • 圆柱横截面：带宽
  • 圆柱长度：传播时延
  • 因此时延带宽积就表示这个圆柱的体积，表示这样的链路可容纳多少个比特。

<6>往返时间（RTT）

• 从发送方发送数据开始，到发送方接收到接收方确认为止。
  

<7>利用率

• 信道利用率
  • 信道利用率： 有数据通过时间/（有+无）数据通过时间
• 网络利用率
  • 网络利用率：D = D0/（1-U）
    • 其中，D0表示网络空闲时的时延
    • D表示网络当前的时延
    • U表示信道利用率

（6）计算机网络的体系结构

<1>几个基本概念

• ISO 国际标准化组织
• OSI/RM 互联网法律上的国际标准
• TCP/IP Suits 因特网事实上的国际标准
• Network Protocols 数据交换遵守的规则、标准或约定
• 网络体系结构 计算机网络各层及其协议的组合

<2>五层体系结构

• 三类模型的关系

  • 七层模型是OSI的体系结构
  • 四层模型是事实上的标准
  • 五层是由七层、四层结合起来，方便学生学习规定的。

• 五层模型的各层

  • 应用层
    • 应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。
  • 运输层
    • 运输层的任务就是负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。
    • 传输控制协议 TCP ：提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段
    • 用户数据报协议 UDP ：提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务(不保证数据传输的可靠性)，其数据传输的单位是用户数据报。
  • 网络层
    • 网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
    • 互联网是由大量的异构网络通过路由器相互连接起来的。互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和许多种路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做网际层或 IP 层。
  • 数据链路层
    • 在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息(如同步信息、地址信息、差错控制等)。
  • 物理层
    • 在物理层上所传数据的单位是比特。

• 数据在各层之间的传输过程