计网_计算机网络概述

2024.07.03：计算机网络概述

第1节计算机网络概述

[1.1 互连网与互联网](#1.1 互连网与互联网)
- 1.1.1总结
- [1.1.2 因特网(互联网)发展[自行了解]](#1.1.2 因特网(互联网)发展[自行了解])
[1.2 计算机网络组成](#1.2 计算机网络组成)
- [1.2.1 计算机网络组成方式1](#1.2.1 计算机网络组成方式1)
- [1.2.2 计算机网络组成方式2](#1.2.2 计算机网络组成方式2)
- [1.2.3 计算机网络组成方式3](#1.2.3 计算机网络组成方式3)
[1.3 三种交换方式](#1.3 三种交换方式)
- [1.3.1 电路交换](#1.3.1 电路交换)
- - [(1) 电路交换的优点](#(1) 电路交换的优点)
  - [(2) 电路交换的缺点](#(2) 电路交换的缺点)
- [1.3.2 报文交换](#1.3.2 报文交换)
- - [(1) 报文交换优点](#(1) 报文交换优点)
  - [(2) 报文交换缺点](#(2) 报文交换缺点)
- [1.3.3 分组交换(数据报)](#1.3.3 分组交换(数据报))
- - [(1) 分组交换的优点](#(1) 分组交换的优点)
  - [(2) 分组交换的缺点](#(2) 分组交换的缺点)
- [1.3.3 分组交换(虚电路)](#1.3.3 分组交换(虚电路))
- - [(1) 虚电路特点](#(1) 虚电路特点)
[1.4 计算机网络分类](#1.4 计算机网络分类)
- [1.4.1 按照作用范围分类](#1.4.1 按照作用范围分类)
- [1.4.2 按照使用者分类](#1.4.2 按照使用者分类)
- [1.4.3 接入用户到互连网](#1.4.3 接入用户到互连网)
[1.5 性能指标](#1.5 性能指标)
- [1.5.1 速率(数据率)](#1.5.1 速率(数据率))
- [1.5.2 带宽(最高数据率)](#1.5.2 带宽(最高数据率))
- [1.5.3 时延](#1.5.3 时延)
- [1.5.4 时延带宽积](#1.5.4 时延带宽积)
- [1.5.5 往返时间RTT](#1.5.5 往返时间RTT)
- [1.5.6 信道利用率](#1.5.6 信道利用率)
- [1.5.7 吞吐量](#1.5.7 吞吐量)
[1.6 参考模型](#1.6 参考模型)
- [1.6.1 OSI参考模型](#1.6.1 OSI参考模型)
- - [(1) 服务的分类](#(1) 服务的分类)
- [1.6.2 TCP/IP](#1.6.2 TCP/IP)

1.1 互连网与互联网

网络是由结点（节点）和连接这些节点的链路组成
节点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等
链路可以是有线链路，也可以是无线链路
由这些网络组成的更大号的网络称为互连网（internet）
世界上最大的互联网是因特网（Internet，也叫互联网）[专有名词首字母大写]
与网络相连的计算机称为主机

1.1.1总结

所以互连网就是把许多网络通过路由器连在一起互相通信的网络，而连接计算机则是为了让他们彼此通信
简单的硬件连接还达不到目的，还需要安装使计算机能交换信息的软件才可以，一般默认网络互连的计算机已经安装了这些软件

1.1.2 因特网(互联网)发展[自行了解]

1.2 计算机网络组成

1.2.1 计算机网络组成方式1

互联网由边缘部分和核心部分两部分组

边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成，由用户直接使用，进行通信和资源共享
主机可以是电脑、手机、甚至是一个网络摄像头（任何一个可以联网的设备）
当我们说主机A和主机B进行通信，实际上是运行在主机A的某个进程和主机B的另一个进程通信
通信方式可分为CS方式 和P2P方式
核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务
路由器是一种特殊的计算机，拥有cpu、存储器、os等，可以实现分组交换
在分组交换之前，还有两种交换方式

1.2.2 计算机网络组成方式2

计算机网络主要由硬件、软件、协议三个部分组成

结点、链路的这些主机、交换机等都是硬件
软件包括实现资源共享的软件和方便用户使用的工具软件
协议是计算机网络的核心，规定了网络传输数据时需要遵循的规范

1.2.3 计算机网络组成方式3

从功能组成上看，计算机网络由通信子网和资源子网组成。

通信子网是各种传输介质、通信设备和网络协议，让网络具有数据交换、控制和存储的能力
资源子网是实现资源共享功能的设备及其软件的集合，向网络用户提供共享其他计算机上的软硬件资源

1.3 三种交换方式

1.3.1 电路交换

电话出现后，人们就发现，想把所有电话两两连接起来是不可能的，想要把N部电话两两连接需要[N*(N-1)]/2对电线。

所以人们使用电话交换机将电话连接，电话交换机交换的方式就是电路交换

电路交换就是在通话前先拨号建立连接，然后开始通话，最后释放连接的交换方式

在通话过程中，建立好的连接会一直占用着通信资源，也就是这条线路（红色线路）不可以再被其他电路利用

在通话的全部时间里，通话的两个用户始终占据端到端的通信资源

电路交换的方式线路传输效率很低，如计算机正在处理数据，结果还没返回，此时通信线路资源就被浪费了

(1) 电路交换的优点

线路专用、通信时延(时间)小、不会争用物理信道
通信时按顺序传输数据，不会失序
交换设备控制简单

(2) 电路交换的缺点

建立连接时间长
线路利用率低
线路出现故障需要重新拨号建立连接
不同规格、速率的终端难以通信
中间结点不具备存储检验数据能力
难以发现和纠正错误

1.3.2 报文交换

报文交换的数据单位是报文，要传递的数据加上源地址、目的地址等信息后，封装成报文，报文交换采用存储转发技术进行数据的传递

(1) 报文交换优点

无需建立连接，用户可以随时发送报文
交换设备可以选择合适的空闲线路发送
报文只有在传送时才会占用通信资源，线路利用率高
一个报文可以同时发送给多个目的地址

(2) 报文交换缺点

转发时延高，交换结点要把报文整体接受了才能查找转发表转发
报文的大小没有限制，要求交换结点有足够的缓存空间
报文太长的话发生错误的概率增加，重传代价也更大

1.3.3 分组交换(数据报)

数据报指的是将数据拆分成带有序号的数据单元，并在网络层加上地址等控制信息后形成数据报分组，中间结点存储分组很短一段时间，找到最佳路由后，尽快转发每个分组。不同分组可以走不同的路径，按不同的顺序到达。

分组交换采用存储转发技术，把一个报文划分成好几个分组（也称"包"）后再进行传送，解决了报文过大的一系列问题，在分组首部，我们可以将巨大的报文拆分成很多分组，每个分组首部都包含了诸如目的地址和源地址的重要控制信息，所以每个分组首部都能在互联网中独立地选择传输路径。分组经过转发后最终达到目的结点，被还原成数据

(1) 分组交换的优点

不需要建立连接，随时可以发送分组
分组长度固定，缓冲区大小也固定，更好管理
分组只有在传送时才会占用通信资源，线路利用率高
分组是逐个传输的，可以让后一个分组的存储操作和前一个分组的转发操作并行，通过流水线方式减少报文的传输时间
分组较短，出错概率小，即使出错重传代价也小

(2) 分组交换的缺点

虽然分组比报文更小，但仍存在存储转发时延
每个分组除了数据都需要增加额外的控制信息，让控制变得更复杂
分组交换可能出现失序、重复、丢失的情况；采用虚电路可以解决

1.3.3 分组交换(虚电路)

分组交换还可以使用虚电路的方式来完成

虚电路的方式

分组发送之前，在发送方和接收方之间先建立一条逻辑上相连的虚电路，一旦建立了连接，就固定了虚电路的物理路径
段系统每次建立虚电路时，选择一个从未用过的虚电路号分配给该虚电路，以区别于本系统中的其他虚电路
每个分组要有分组号，校验和，和控制信息，还有他要通过的虚电路号
虚电路网的每个节点上都维持着一张电路表，记录了每个打开虚电路信息，包括在接受链路和发送链路上的虚电路号，前一个结点和后一个结点的标识。这些信息在虚电路的建立过程中确定
数据传输是双向进行的

(1) 虚电路特点

适用于长时间、频繁的数据交换
虚电路的路由选择体现在建立连接阶段，连接建立后就确定了传输路径
提供可靠的通信服务，保证分组有序到达，还可以对两个数据端点的流量进行控制
网络中某结点链路出现故障后，虚电路遭到破坏

本门课程的研究的对象是计算机网络，实际上是指互连网。即为了实现主机间的通信而互相连接而成的网络。在学习的时候，一定不要惯性思维认为网络就是互联网，而是把网络理解为一个可以让主机之间实现数据传送的工具。

1.4 计算机网络分类

1.4.1 按照作用范围分类

广域网
城域网
局域网
个人区域网

1.4.2 按照使用者分类

共用网
专用网

1.4.3 接入用户到互连网

这种网络就是接入网AN，也被称为本地接入网或者居民接入网，是一类比较特殊的计算机网络。用户必须通过ISP接入互联网，从用户家中接入互联网可以用的技术有很多种，所有就有很多种接入网技术连接到互联网。接入网机不属于互联网核心部分也不属于边缘部分，它是从某个用户端系统到互联网中第一个路由器之间的一种网络，起到让用户与互联网连接的桥梁作用

1.5 性能指标

1.5.1 速率(数据率)

计网中的速率指的是数据的传送速率，也称为数据率或者比特率，单位是bit/s或写成bps。

1.5.2 带宽(最高数据率)

原本指某个信号具有的频带宽度，计算机网络中被用来表示某通道的传送数据的能力，也就是单位时间内网络中某信道能通过的最高数据率。所以带宽的单位是数据率的单位bit/s或bps，即比特每秒

1.5.3 时延

指数据从网络的一端发送到另一端所需要的时间，由多个部分组成

发送时延：主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送第一个比特算起，到最后一个比特发送完毕所需时间，也叫做传输时延（容易与传播时延混淆）
传播时延：是电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间，通常用传播距离/光速来计算
处理时延：主机或路由器收到分组需要花费一定的时间处理，来分析分组的首部并且拿出数据部分，差错控制或寻找路由等
排队时延：分组经过网络传输要经过许多路由器，分组在路由器中可能需要排队被转发，所以产生了排队时延

1.5.4 时延带宽积

之前学习的传播时延和带宽乘在一起就是时延带宽，能表示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，这些比特此时都在链路上向前移动

1.5.5 往返时间RTT

假如A要给B发送数据,B接受完了以后想要向A发送确认，如果A收到确认以后才能继续发送数据，那此时就需要等待一个往返时间RTT（假定确认信息很短，忽略B发送确认的时间）

1.5.6 信道利用率

指出某信道有百分之几的时间是被利用的(也就是有数据通过的)，完全空闲的信道利用率是0，但信道利用率也不是越高越好。信道利用率增加时，该信道引起的时延也就迅速增加

1.5.7 吞吐量

表示单位时间内通过某个网络的实际数据量，常用于对现实世界中网络的测量，以便

知道实际上到底有多少数据量能通过网络。吞吐量受带宽和网络额定速率的限制

1.6 参考模型

1.6.1 OSI参考模型

层与层之间存在接口，同一结点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点。每层只能为紧邻的层之间定义接口，不能跨层定义接口

应用层
表示层
会话层
传输层
网络层
数据链路层
物理层

服务：指下层位紧邻的上层提供的功能调用。要实现本层协议，需要用到下层提供的服务

(1) 服务的分类

面向连接服务和无连接服务
可靠服务和不可靠服务
有应答服务和无应答服务

1.6.2 TCP/IP

TCP/IP模型是实际上被广泛使用的模型
这些层次并不是主机自带的，而是通过操作系统和网络协议的实现来提供的。
操作系统如Windows、Linux等都内置了支持这些网络层次的协议栈，以便能与其他系统进行网络通信