计算机网络 第1章 概述

文章目录

• 计算机网络概念
• 计算机网络的组成
• 计算机网络的功能
• 三种数据交换技术
• • • • [电路交换（Circuit Switching）](#电路交换（Circuit Switching）)
      • 报文交换（message）
      • 分组交换
• 三种交换方式性能对比
• 计算机网络的分类
• 计算机网络的性能指标
• • 性能指标1：速率
  • 性能指标2：带宽
  • 性能指标3：吞吐量
  • 性能指标4：时延
  • 性能指标5：时延带宽积
  • 性能指标6：往返时延
  • 性能指标7：信道利用率
• 计算机网络分层结构
• • PDU、SDU、PCI的概念
  • 协议三要素
  • OSI参考模型
  • TCP/IP模型

计算机网络概念

计算机网络（Computer networking）是一个分散的 、自治的 计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

计算机网络（简称网络）：由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。

• 结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等
• 链路可以是有线链路、无线链路
• 集线器(Hub)：
  • 可以把多个结点连接起来，组成一个计算机网络
  • 普通民用领域已很少用集线器
• 交换机（Switch）
  • 可以把多个结点连接起来，组成一个计算机网络
  • 家庭、公司、学校通常用交换机组建内部网络
• 路由器（router）
  • 可以把两个或多个计算机网络互相连接起来，形成规模更大的计算机网络，也可称"互连网"
  • 路由器工作在网络层

计算机网络课程中的"路由器"和"家用路由器"有一些区别。

家用路由器=路由器+交换机+其他功能

交换机的作用是组建一个计算机网络，路由器的作作用是连接两个或多个计算机网络。

互联网(因特网,Internet)

ISP：Internet Service Provider，即互联网服务提供商，如中国电信/移动/联通

互联网(因特网,Internet)：由各大ISP和国际机构组建的，覆盖全球范围的互连网(internet)

• 互联网必须使用TCP/IP协议通信
• 互连网可使用任意协议通信

计算机网络的组成

计算机网络的功能

三种数据交换技术

• 电路交换（用于电话网络）
• 报文交换（用于电报网络）
• 分组交换（用于现代计算机网络）

电路交换（Circuit Switching）

通过物理线路的连接、动态地分配传输线路资源

电路交换过程：

1. 建立连接（尝试占用通信资源）
2. 通信（一直占用通信资源）
3. 释放连接（归还通信资源）

电路交换的优点：

• 数据直达，传输速率高。通信前从主叫端到被叫端建立一条专用的物理通路，在通信的全部时间内，两个用户始终占用端到端的线路资源。

电路交换的缺点：

• 建立/释放；连接，需要额外的时间开销
• 线路被通信双方独占，利用率低
• 线路分配的灵活性差
• 交换节点不支持"差错控制"（无法发现传输过程中发生的数据错误）

电路交换更适用于：低频次、大量传输数据

计算机之间数据往往是"突发式"传输，即往往会高频词、少量地传输数据。

报文交换（message）

报文交换的优点：

• 通信前无需建立连接
• 数据以"报文"为单位被交换节点间"存储转发"，通信线路可以灵活分配
• 在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路。相比于电路交换，线路利用率高
• 交换节点支持"差错控制"（通过校验技术）

报文交换缺点：

• 报文不定长，不方便存储转发管理
• 长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大
• 长报文容易出错、重传代价高

分组交换

报文(不定长)的控制信息包含源地址、目的地址等

分组(定长)的控制信息包含源地址、目的地址：分组号等。

分组交换的优点：

• 分组前无需建立连接
• 数据以"分组"为单位被交换节点间"存储转发"，通信线路可以灵活分配
• 在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路。相比于电路交换，线路利用率高
• 交换节点支持"差错控制"（通过校验技术）

相比于报文交换，分组交换改进了如下问题：

• 分组定长，方便存储转发管理
• 分组的存储转发时间开销小、缓存开销小
• 分组不易出错，重传代价高

分组交换的缺点：

• 相比于报文交换，控制信息占比增加
• 相比于电路交换，依然存在存储转发时延
• 报文被拆分为多个分组，传输过程中可能出现失序、丢失等问题，增加处理 的复杂度。

虚电路交换技术（基于分组交换）

虚电路交换的过程

1. 建立连接（虚拟电路）
2. 通信（分组按序、按已建立好的既定线路发送，通信双方不独占线路）
3. 释放连接

三种交换方式性能对比

计算机网络的分类

按分布范围分类

• 广域网（WAN）
• 城域网（MAN）：与局域网类似
• 局域网（LAN）：交换机
• 个域网（PAN）：蓝牙、zigbee
  

按传输技术分类

• 广播式网络：当一台计算机发送数据分组时，广播范围内所有计算机都会收到该分组，并通过检查分组的目的地址决定是否接收该分组。（所有无线网络都是广播式）
• 点对点网络：数据只会从发送方"点对点"发到接受法，精准送达。（路由器转发的数据分组）

按拓扑结构分类

• 总线形结构：数据"广播式"传送，存在"总线争用"问题(典型代表：集线器连接的设备)
• 环形结构：数据"广播式"传输，通过"令牌"解决总线争用问题，令牌顺环形依次传递，拿到令牌者可使用总线(典型代表：令牌环网流行语2000年以前的局域网技术)
• 星形结构：由中央设备实现数据的"点对点"传输，不存在"总线争用"问题(典型代表：以太网交换机连接的设备)
• 网状结构：数据通过各中间节点逐一存储转发，属于"点到点"传输(典型代表：由众多路由器构建的广域网)

按使用者分类

• 公用网------向公众开放的网络。如：办宽带、交手机话费即可使用的互联网
• 专用网------仅供某个组织内部使用的网络。如：政府、军队、电力、银行的内部网络。

按传输介质分类

• 有线网络------如：网线、光纤
• 无线网络------如：5G、WIFI、卫星

计算机网络的性能指标

• 速率、带宽、吞吐量
• 时延、时延带宽积、往返时延
• 信道利用率

信道（Channel）：表示向某一方向传送信息的通道（信道≠通信线路）一条通信线路在逻辑上旺旺对应一条发送信道和一条接收信道。

性能指标1：速率

速率（Speed） ：指连接到网络上的节点在信道上传输数据的速率。也称数据率或比特率、数据传输速率。

速率单位 ：bit/s或b/s或bps

性能指标2：带宽

带宽（bandwidth）：某信道所能传送的最高数据率。

上行信道、下行信道

节点间通信实际能达到的最高速率，由带宽、节点性能共同限制。

带宽在《通信原理》中表示某信道允许通过的信号频带范围。单位Hz。

带宽在《计算机网络》中表示某信道所能通过的最高数据率。单位bps。

本质一样：信道带宽越大，传输数据的能力越强。

性能指标3：吞吐量

吞吐量（Throughput）：指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。

吞吐量收带宽限制、受复杂的网络负载情况影响。

性能指标4：时延

时延（Delay）：指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所粗的时间。有时也称为延迟或迟延。

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

• 发送时延又名传输时延，节点将数据推向信道所花的时间

  数据长度(bit) / 发送速率(bit/s)

• 传播时延电磁波在信道中传播一定的距离所花的时间

  信道长度(m)/电磁波在信道中的传播速度(m/s)

• 处理时延被路由器处理所花的时间（分析首部、查找存储转发表）

• 排队时延数据排队进入、排队发出路由器所花的时间

  处理时延和排队时延受网络负载、路由器性能等诸多因素影响。考试中一般不用考虑。

性能指标5：时延带宽积

时延带宽积：一条链路中，已从发送端发出但尚未到达接收端的最大比特数。

时延带宽积 = 传播时延 × 带宽

理解：传播时延相当于水管长度，带宽相当于水管横截面，时延带宽积就是水管所能容纳的最大水量。

性能指标6：往返时延

游戏延迟，反映的就是"手机------服务器"之间的往返时延RTT

往返时间RTT（Round-Trip Time）：表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。

不包括发送方发送数据的发送时延

性能指标7：信道利用率

信道利用率：某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的。

信道利用率不能太低，浪费资源

信道利用率也不能太高，容易导致网络拥塞

计算机网络分层结构

• 将复杂的计算机网络在逻辑上划分为多个层次，并将各种"功能"安排在合适的层次中。
• 不同类型的节点，实现的功能层次可能不一样

• 网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义（不涉及实现）。

• 实现是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题。

  体系结构是抽象的，而实现则是具体的

实体：在计算机网络的分层结构中，第n层中的活动元素（软件+硬件）通常称为第n层实体。不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体。

协议：即 网络协议，是控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的。

接口：即同一节点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，又称为服务访问点（Service Access Point, SAP）。

服务：服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，它是垂直的。

上一层实体通过接口，请求相邻下层的服务

PDU、SDU、PCI的概念

• 协议数据单元（PDU）：对等层次之间传送的数据单位。第n层的PDU记为n-PDU。
• 服务数据单元（SDU）：为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据。第n层的SDU记为n-SDU。
• 协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息。第n层的PCI记为n-PCI。

三者之间的关系：n-SDU + n-PCI =n-PDU = (n-1)-SDU

协议三要素

协议：即 网络协议，是控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的。

协议由语法、语义和同步（或时序）三部分组成。

1. 语法，数据与控制信息的格式。例如，协议控制信息（首部）部分占几个字节、每个字节是什么含义；协议的数据部分最多由多少字节。
2. 语义，即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答。例如，协议中需要明确规定：发送方完数据后，接收方是否需要"应答"，以及应答的种类有哪些（如:传输成功、传输失败)
3. 同步（或时序），执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。例如，发送方发完数据后，接收方需要立即应答。如果发送方在10秒内未收到"传输成功"应答，则发送方会再次发送数据。

OSI参考模型

记住各层的名称和顺序（物联网叔会使用）

TCP/IP模型

记住各层的名称和顺序

TCP/IP模型各层功能

TCP/IP模型和OSI模型的区别