计算机网络概述

计算机网络基本概念

从技术范畴来看，计算机网络是计算机技术与通信技术相互融合的产物

更为简短、概括性的定义：计算机网络是互连的、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就是Internet或称因特网。

Internet中互连的端系统、分组交换设备或其他网络设备在进行信息发送、接收或转发的过程中，都需要遵循一些规则或约定，即网络协议。

协议 是网络通信实体之间在数据交换过程中需要遵循的规则或约定，是计算机网络有序运行的重要保证。

协议三要素：语法、语义、时序

• 语法定义实体之间交换信息的格式与结构，或者也定义实体（比如硬件设备）之间传输信号的电平等。

• 语义定义实体之间交换信息中需要发送（或包含）哪些控制信息，这些信息的具体含义，以及针对不同含义的控制信息，接收信息端应如何响应。有的协议还需要进行差错检测，这类协议通常会在协议信息中附加差错编码等控制信息。

• 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。

计算机网络的功能实在不同主机之间实现快速地信息交换。通过信息交换，计算机网络可实现资源共享这一核心功能，包括硬件资源共享、软件资源共享、信息资源共享 。

计算机网络的分类

按覆盖范围 分类

1. 个域网PAN

2. 局域网LAN

3. 城域网MAN

4. 广域网WAN

按拓扑结构 分类

1. 星型拓扑结构

   星型拓扑结构包含一个中央结点，网络中的主机通过点对点通信链路与中央结点连接，中央结点通常是集线器、交换机等设备，主机之间的通信都需要通过中央结点进行。该结构多见于局域网、个域网。

2. 总线型拓扑结构

   总线型拓扑结构网络采用一条广播信道作为公共传输介质，称为总线，所有结点均与总线连接，结点间的通信均通过共享的总线进行。由于总线是一条广播信道，所以任一结点通过总线发送数据时，其他结点都会接收到承载这些数据的 信号。如果同时有两个或以上的结点同时向共享信道中发送数据，就会产生干扰，导致任何 一个节点的数据发送失败，这一现象是冲突。该结构多见于早期局域网。优点：结构简单，所需电缆少，易于扩展；缺点：通信范围受限，故障诊断与隔离较困难，容易产生冲突。

3. 环形拓扑结构

   优点：所需电缆长度短，可以使用光纤，易于避免冲突

   缺点：某结点的故障容易引起全网瘫痪，新结点的加入或撤出比较麻烦，存在等待时间问题。

4. 网状拓扑结构

   优点：网络可靠性高，一条或多条链路故障时，网络仍然可联通；

   缺点：网络结构复杂，造价成本高，选路协议复杂

5. 树形拓扑结构

   优点：易于扩展，故障隔离容易；

   缺点 ：对根结点的可靠性要求高，一旦根结点故障，可能导致网络大范围无法通信

6. 混合拓扑结构

   优点：易于扩展，可以构建不同规模网络，并可根据需要优选网络结构

   缺点：网络结构复杂，管理与维护复杂

按交换方式 分类

数据交换是指网络通过彼此互连的结点间的数据转接，实现将数据从发送结点送达目的结点的过程和技术。

可分为电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络。

按网络用户属性分类

1. 公用网

2. 私有网

计算机网络结构

大规模现代计算机网络的结构包括网络边缘、接入网络、网络核心 三部分。

网络边缘

连接到网络上的所有端系统构成了网络边缘。

简单网络如局域网、个域网中网络边缘中的端系统可以通过通信链路直接连接，此时可以认为该网络没有网络核心与接入网络。对于大规模、复杂网络，例如Internet，大部分端系统相距遥远，这些端系统之间的连接与通信需要网络核心进行中继或转发。通常，网络核心是由一些电信网络运营商等企业运营的ISP网络，不能直接延伸到用户区域 ，例如家中，这些用户就需要借助接入网络实现与ISP连接。

接入网络

实现网络边缘与网络核心连接与接入的网络。常见的接入网络技术包括以下几类：

1. 电话拨号接入

   利用电话网络，通过调制解调器将数字信号调制到模拟电话线路 ，通过电话网络的模拟语音信号作为载波传送到远端，再利用调制解调器将数字信号从模拟信号中解调出来 。最大带宽通常为56kbit/s，对于现代Internet用户来说太低，现在已经很少使用。

2. 非对称数字用户线路ADSL

   利用现有的电话网络的用户线路实现的接入网络，是目前家庭或小型商业用户接入网络中比较常见的一种接入方式。

   基于频分多路复用（FDM）技术 实现电话语音通信与数字通信（即网络数据传输）共享一条用户线路。

   之所以称为"非对称"是因为在ADSL接入网络中，在用户线路上实现的上行带宽比下行带宽小。

   ADSL存在很多标准，并且可以实现的上下行带宽与用户线路长度有关系 。

   用户线路长度在3~5KM时，典型的上行带宽为512kbit/s-1Mbit/s，下行带宽为1-8Mbit/s

   用户线路长度在1.3KM内时，典型的上行带宽为19.2Mbit/s，下行带宽为55Mbit/s

3. 混合光纤同轴电缆HFC接入网络

   HFC接入网络也称为电缆调制解调器接入，是利用有线电视网络实现网络接入的技术。

   HFC也是基于频分多路复用技术，利用有线电视网络同轴电缆剩余的传输能力实现电视信号传输与网络数据传输的共享。

   HFC也是"非对称"的，即上行带宽小于下行带宽。

   典型的上行带宽为30.7Mbit/s，下行带宽为42.8Mbit/s

   特别的，HFC是共享式介入，即连接到同一段同轴电缆上（比如同一栋住宅楼内）的用户共享上行和下行带宽。虽然HFC接入的上下行带宽表面看要比ADSL的高，但是当用户数量较大时，HFC接入没有ADSL接入速率快，因为ADSL是独享式接入。

4. 局域网

   以太网、WiFi等

5. 移动接入网络

   3G/4G/5G网络。

网络核心

网络核心是由通信链路互连的分组交换设备构成的网络 ，作用是实现网络边缘中主机之间的数据中继与转发。比较典型的分组交换设备是路由器和交换机灯。

数据交换技术

计算机网络的根本目的是在网络边缘的主机之间实现相互的数据传输、信息交换。

交换节点（交换设备）和传输介质的集合称为通信子网，即网络核心。

数据交换式实现在大规模网络核心商进行数据传输的技术基础。常见的数据交换技术包括电路交换、报文交换、分组交换。

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、最大的电路交换网络。

电路交换方式在传输数据之前要建立电路，电路建立时间存在延迟。电路建立后即为专用的网络，即使没有数据传输也要占用资源，从而造成线路的利用率低 。在传送数据期间，网络通常不对用户信息进行误码校正等处理，没有任何差错控制 措施，不利于可靠性要求高的数据业务。但是一旦电路建立，用户就可以使用固定的速率传输数据，传输实时性好 。中间结点也不对数据进行其他缓冲和处理，不需要添加额外控制信息，即为"透明"传输，因此交换效率高 。

特点：有链接的，在通信时需要先建立电路连接，在通信过程中独占一个信道，通信结束后拆除电路连接。

优点：实时性高，时延和时延抖动都较小

缺点：对于突发性数据传输，信道利用率低，且传输速率单一。电路交换主要适用于语音和视频这类实时性强的业务。

报文交换

当主机间交换的数据具有随机性和突发性时，采用电路交换的缺点是信道容量和有效时间的浪费，于是提出报文交换。也称消息交换，

工作过程：发送方把要发送的信息附加上发送/接收主机的地址及其他控制信息，构成一个完整的报文 。然后以报文为单位在交换网络的各结点之间以存储-转发 的方式传送，直至送达目的主机。

一个报文在每个结点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和。

优点：线路利用率高

缺点：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。若结点收到的报文过多而存储空间不够或输出链路被占用不能及时转发，就不得不丢弃报文。

分组交换

分组交换是目前计算机网络广泛采用的技术。需要将带传输数据（报文 ）分割成较小的数据块每个数据块附上地址、序号等控制信息构成数据分组（packet），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。分组传输通常也采用存储-转发 交换方式。

分组交换是报文交换的一种改进，将一个完整的报文拆分成若干分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个结点所需的存储能力降低，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。分组交换是计算机网络使用最广泛的一种数据交换技术，现代计算机网络几乎都是分组交换网络。

缺点：分组交换在拆分与组装过程中，一方面会消耗一定的计算资源，另一方面还要附加更多的控制信息，会在一定程度上降低有效数据的传输效率。

优点：

1. 交换设备存储容量要求低

2. 交换速度快

   报文交换在缓存大报文时，有可能需要将报文存储到速度较慢的外存设备上，使得报文交换设备完成转发需要较长时间。

   分组交换设备由于只需要缓存一定数量的较短的分组，因此可以利用主存储器进行存储-转发处理，无需访问外存，处理转发速度加快

   另外，在分组交换网络中，多个分组可以在网络中的不同链路上并发传送，大大提高传输效率和线路利用率，大幅缩短整个报文通过网络的时间。

3. 可靠传输效率高

   报文交换一个报文出现差错（哪怕1位出错）都需要重传整个报文，而分组交换只需要重传出错的分组。

4. 更加公平

   分组交换，如果分组大小相同，那么大报文将拆分出更多分组，小报文将拆分出较少分组，不同报文的分组在交换结点上可能交替排队，每个分组通过网络的时间相当，总体上，小报文将用较短的时间到达目的。

计算机网络性能

速率&带宽

速率是指网络单位时间内传送的数据量，用以描述网络传输数据的快慢。基本单位是bit/s。

有时也会用"带宽"描述速率。在通信或信号处理领域中，带宽 原本是指信号具有的频带宽度，即信号成分最高频率与最低频率之差，单位为Hz。一条链路或信道能够不失真的传播电磁信号的最高频率与最低频率之差，称为信道的带宽，单位也是Hz。在计网中，当描述一条链路或信道传输能力时，经常使用"带宽"一词表示链路或信道的最高数据速率，单位也是bit/s。

时延

时延是评价计算机网络性能的另一个重要性能指标，也称为延迟。时延是指从网络中的一个结点（主机或交换设备等）到达另一个结点所需要的时间。

分组的每跳传输过程主要产生4类时间延迟：

1. 结点处理时延

2. 排队时延

3. 传输时延

4. 传播时延

时延带宽积

一段物理链路传播时延与链路带宽的乘积，称为时延带宽积，记为G，时延带宽积G的单位是位。

物理意义：如果将物理链路看做一个传输数据的管道的话，时延带宽积表示一段链路可以容纳的数据位数，也称为以位为单位的链路长度。

丢包率

当网络拥塞严重，新到达的分组无缓存空间暂存该分组，此时交换结点会丢弃分组，发生"丢包"现象。

丢包率常被用于评价和衡量网络性能的指标，很大程度上可以反映网络的拥塞程度。

吞吐量

单位时间内源主机通过网络向目的主机实际送达的数据量，单位为bit/s或B/s（字节每秒）,记为Thr。

吞吐量常用于度量网络的实际数据传送（通过）能力，即网络实际可以达到的源主机到目的主机的数据传送速率。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。

对于分组交换网络，源主机到目的主机的吞吐量在理想情况下约等于瓶颈链路的带宽。

计算机网络体系结构

OSI参考模型

开放系统互连参考模型简称OSI参考模型。

OIS参考模型采用分层结构化技术，将整个计算机网络的通信功能分为7层 ，由低至高：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

数据在垂直的层次中自上而下的逐层传递至物理层，在物理层的两个端点进行物理通信，这种通信称为实通信 。

由于对等层通信并不是直接进行，称为虚拟通信 。

中间系统（例如路由器）通常只实现物理层、数据链路层、网络层 的功能。

OSI参考模型的物理层、数据链路层、网络层称为结点到结点层，传输层、会话层、表示层、应用层称为端到端层。

1. 物理层

   主要功能是在传输介质上实现无结构比特流传输 ；另一项主要任务就是规定数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的接口的相关特性，主要包括机械、电气、功能、规程 4个方面的特性。

2. 数据链路层

   主要功能是实现在相邻结点之间数据可靠而有效的传输 。数据在物理介质传输可能会出现错误，为了实现有效的差错控制 ，就采用了一种以"帧"为单位的数据块传输方式。需要帧同步功能，包括定义帧的格式、类型、成帧的方法等。将差错控制技术应用在数据帧中，例如，将数据码后面附加一定位数的循环码，从而实现差错控制功能。该层还可以实现相邻结点间通信的流量控制 。某些数据通信网络的通信链路层还提供链路管理功能 。还有一个重要功能就是寻址，用来确保每一帧都能准确地传送到正确的接收方。

3. 网络层

   网络层解决的核心问题是如何将分组通过交换网络传送至目的主机，因此网络层主要功能是数据转发与路由 ；还要对进入交换网络的通信量加以控制，避免通信量过大造成交换网络性能下降；网络层也具备寻址功能，确保分组可以被正确传输到目的主机。

4. 传输层

   传输层是第一个端到端的层次，也是进程---进程的层次。为了防止传送途中报文的丢失，两个主机的进程之间需要实现端到端控制 。传输层的功能主要包括：复用/分解 （区分发送和接收主机上的进程）、端到端的可靠数据传输 、连接控制 、流量控制和拥塞控制 机制等。

5. 会话层

   会话层是指用户与用户的连接，通过在两台计算机间建立、管理和终止通信来完成对话。

6. 表示层

   表示层主要用于处理应用实体间交换数据的语法。

7. 应用层

   应用层 与提供给用户的网络服务有关，包括文件传送、电子邮件、P2P应用等。

有关术语：

1. 数据单元

   在层的实体之间传送的比特组称为数据单元。在对等层之间传送数据单元是按照本层协议进行的，因此，这时的数据单元称为协议数据单元（PDU）。PDU是协议数据单元，SDU是服务数据单元，PCI是协议控制信息。PDU=PCI+SDU；PDU在不同层往往有不同叫法，在物理层称为位流或比特流，数据链路层称为帧，网络层称为分组或包，传输层称为数据段或报文段，应用层称为报文。

2. 服务访问点

   相邻层间的服务是通过其接口上的服务访问点（SAP）进行的，N层SAP就是（N+1）层可以访问N层的地方。每个SAP都有一个唯一的地址号码。

3. 服务原语

   第N层向（N+1）层提供服务或第（N+1）请求N层提供服务，都是用一组原语描述的。

   • 请求：用户实体请求服务做某种工作

   • 指示：用户实体被告知某件事发生

   • 响应：用户实体表示对某件事的响应

   • 证实：用户实体收到关于它的请求的答复

4. 面向连接的服务和无连接的服务

   在分层的体系结构中，下层向上层提供服务通常有两种形式：面向连接的服务和无连接的服务。

   面向连接的服务以电话系统最为典型，包括建立连接，传送数据、拆除链路。

   无连接的服务没有建立和拆除链路的过程。无连接的服务又称数据包服务，要求每个分组信息带有全称地址，独立选择路径，其到达目的地的顺序也是不定的，到达目的地后，还要重新对分组进行排序。

TCP/IP参考模型

1. 应用层

   TCP/IP参考模型将OSI参考模型中会话层和表示层合并到了应用层来实现。在Internet上常见的一些网络应用大多位于这一层，用户通过应用层来使用Internet提供的各种服务，例如，WWW服务、文件传输、电子邮件等。每一种应用都是用了相应的协议来将用户的数据（网页、文件、电子邮件等）按照协议定义的格式进行封装，以便达到对应的控制功能，然后再利用下一层即传输层的协议进行传输，例如，WWW服务的应用层协议为HTTP、文件传输的应用层协议是FTP、电子邮件应用层协议包括SMTP和POP3等。每一个应用层协议都会用到两个传输层协议之一进行数据传输：面向连接的传输控制协议TCP和无连接的用户数据包协议UDP。

2. 传输层

   传输层协议为运行在不同主机上的进程提供了一种逻辑通信机制（两个进程之间的通信就像所在的两个主机直接连接一样，其实可能相距很远，两者的物理连接可能经过了多个交换机/路由器，传输路径可能由不同类型的物理链路组成），利用这种逻辑通信机制，两个进程可以不用考虑两者之间的物理连接方式而实现发送/接收消息。传输层可以解决（若需要）注入端到端的可靠性，保证数据按照正确的顺序到达等问题。传输层负责 在网络层和应用层之间传递消息，丝毫不会涉及消息如何在网络中传输，这个任务交给下面的网络互联层去解决。

3. 网络互联层

   该层是整个TCP/IP参考模型的核心 ，主要解决把数据分组发往目的网络或主机的问题。路由选择 、分组转发，提供网络层寻址 。网络层除了需要完成路由的功能外，也可以完成将不同类型的网络（异构网）互连 的任务。在TCP/IP参考模型中，网络互联层的核心协议是IP ，负责定义分组的格式和传输。IP是无连接不可靠网络协议，故IP分组到达的顺序和发送的顺序可能不同，并且可能存在分组丢失现象。网络互联层还包括互联网控制报文协议ICMP 、互联网多播组管理协议IGMP 以及路由协议，如BGP、OSPF、RIP 等。

4. 网络接口层

   TCP/IP参考模型没有真正描述这一层的实现。这一层对应着OSI参考模型中的数据链路层和物理层。

五层参考模型

结合以上两个参考模型，提出综合理论需求与实际网络的五层参考模型。各层功能基本与OSI参考模型对应，近年来，描述计算机网络中最常用、最接近实际网络的参考模型。

1. 应用层

2. 传输层

3. 网络层

4. 数据链路层

5. 物理层