计算机网络学习笔记-1.1概念

文章目录

- 计算机网络，互连网，互联网
- 计算机网络的组成
- - [1. 计算机网络的硬件组成](#1. 计算机网络的硬件组成)
  - - 主要硬件组件：
    - 网络传输介质：
  - [2. 计算机网络的软件组成](#2. 计算机网络的软件组成)
  - - 主要软件组成：
  - [3. 计算机网络的协议组成](#3. 计算机网络的协议组成)
  - - 主要协议组成：
  - 计算机网络的组成总结
- 资源子网和通信子网
- 交换技术
- - [1. 电路交换](#1. 电路交换)
  - [2. 报文交换](#2. 报文交换)
  - [3. 分组交换](#3. 分组交换)
  - 总结与对比
- 计算机网络的分类
- 性能指标
- - 速率（Rate）
  - 带宽（Bandwidth）
  - 吞吐量（Throughput）
  - 时延（Latency）
  - [时延带宽积（Bandwidth-Delay Product, BDP）](#时延带宽积（Bandwidth-Delay Product, BDP）)
  - [往返时延（Round Trip Time, RTT）](#往返时延（Round Trip Time, RTT）)
  - [信道利用率（Channel Utilization）](#信道利用率（Channel Utilization）)

计算机网络(Computer networking)是一个将众多分散的、自治的计算机系统通过(通信设备)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，互连网，互联网

由若干结点和链路组成的。集线器，寄了

交换机把多个结点连在一起也可以构建计算机网络

通过路由器连接多个计算机网络构成更大的互连网。

家用路由器=路由器+交换机+其他功能

全球范围的互连网就是互联网，必须用TCP/IP协议。局部互连网协议可以不同。

计算机网络的组成

计算机网络是由一系列硬件、软件和协议组成的系统，用于在不同的计算机和设备之间传输数据。通常从硬件组成 、软件组成 和协议组成等方面进行划分。以下是详细的说明：

1. 计算机网络的硬件组成

计算机网络的硬件组成主要包括各种网络设备和传输介质，确保数据在不同设备之间传输和交换。

主要硬件组件：

计算机或终端设备：网络中的所有计算机、手机、服务器、打印机等设备都属于终端设备。它们是网络的节点，通过网络连接交换数据。
网络接口卡（NIC）：每个设备需要网络接口卡（Network Interface Card），它是连接设备到网络的硬件，负责将计算机数据转换为网络可以传输的格式，反之亦然。
路由器（Router）：路由器用于连接不同的网络，它能够转发数据包并决定数据从源设备到目标设备的路径。它工作在网络层，确保数据包按照最优路径进行转发。可以安装软件
交换机（Switch）：交换机用于在局域网内连接多个设备，工作在数据链路层，它可以根据MAC地址将数据帧准确地传输到目标设备。
集线器（Hub）：集线器是一个简单的网络设备，它将多个设备通过物理介质连接起来，通常用于局域网中，工作在物理层。集线器不做智能的数据转发，所有数据都会广播到所有连接的设备。
网关（Gateway）：网关是连接两个不同协议网络的设备，它能够转换不同网络之间的数据格式，使得不同协议的网络可以互相通信。它通常工作在更高层次，如应用层或传输层。
调制解调器（Modem）：调制解调器用于在计算机和互联网之间进行数据转换，它将数字信号转换为模拟信号（调制），或将模拟信号转换为数字信号（解调），以便通过电话线或电缆进行传输。
无线接入点（AP）：无线接入点用于无线设备连接到有线网络。它为无线设备提供无线信号，并连接到路由器或交换机，将无线信号转换为有线信号，反之亦然。

网络传输介质：

有线传输介质：如光纤、电缆、双绞线等，通常用于局域网或长距离的互联网连接。
无线传输介质：如Wi-Fi、蓝牙、4G/5G、卫星等，用于无线通信。

2. 计算机网络的软件组成

计算机网络的软件组成包括用于控制、管理和保障网络通信的软件工具和协议。

主要软件组成：

操作系统：每个联网设备都需要操作系统来管理硬件资源和网络通信。操作系统提供了与网络相关的应用程序接口（API），以实现数据的传输、接收、路由等功能。例如，Windows、Linux、macOS等。
网络管理软件：这些软件用于监控和管理网络设备及其性能，确保网络的正常运行。例如，网管系统如SolarWinds、Nagios等可以用来监测网络流量、带宽使用情况、设备状态等。
防火墙软件：防火墙软件用于监控和控制进出网络的流量，防止未经授权的访问。防火墙可以工作在多个层次（如网络层、传输层、应用层），并根据规则过滤数据包。
网络协议栈：网络协议栈是一组用于网络通信的标准协议软件，它包括了TCP/IP协议栈及其各层协议（例如TCP、UDP、IP、ARP等）。操作系统通常会内置网络协议栈，确保网络设备能够按照标准协议进行数据交换。
路由协议和交换协议：用于动态计算和选择数据包的最佳路径。常见的路由协议包括RIP、OSPF、BGP等；交换协议如Ethernet用于局域网内部的数据交换。
应用层软件：应用程序如网页浏览器（Chrome、Firefox等）、邮件客户端（Outlook、Thunderbird等）等，都是计算机网络的组成部分，通过这些应用程序，用户可以利用网络进行通信和数据传输。

3. 计算机网络的协议组成

协议是计算机网络中的规则和约定，定义了设备之间如何通信、数据如何传输和处理。网络协议可以分为不同的层次，通常使用分层模型（如OSI模型或TCP/IP模型）来组织协议。

主要协议组成：

应用层协议：用于应用程序之间的通信。常见的应用层协议包括：
- HTTP/HTTPS：用于网页浏览。
- FTP：文件传输协议，用于文件上传、下载。
- SMTP/IMAP/POP3：用于电子邮件的发送和接收。
- DNS：域名系统，用于将域名解析为IP地址。
传输层协议：确保数据的可靠传输和顺序控制。常见的传输层协议有：
- TCP：传输控制协议，确保数据的可靠传输。
- UDP：用户数据报协议，不保证数据可靠性，速度较快。
网络层协议：负责数据包的路由和转发。常见的网络层协议有：
- IP：互联网协议，用于为数据包分配地址和路由。
- ICMP：互联网控制消息协议，用于发送错误报告和诊断信息。
数据链路层协议：负责物理传输媒体上的数据帧传输。常见的协议有：
- Ethernet：用于局域网内的数据传输。
- PPP：点对点协议，用于通过串行链接进行数据传输。
物理层协议：规定了设备如何通过物理媒体传输信号。包括电气标准、传输速率等。

计算机网络的组成总结

组成部分	主要内容
硬件组成	计算机、路由器、交换机、集线器、调制解调器、网关、网络接口卡、无线接入点、传输介质等
软件组成	操作系统、网络管理软件、防火墙、网络协议栈、路由协议、应用程序、网络安全工具等
协议组成	网络协议（TCP/IP协议栈）、传输层协议（TCP/UDP）、应用层协议（HTTP/FTP）、网络层协议（IP）、数据链路层协议（Ethernet）等

资源子网和通信子网

特性	通信子网	资源子网
主要功能	负责数据的传输、路由和交换，确保数据从源到目的地传递。	负责提供各种资源和服务（如计算资源、存储、打印等）。
组成设备	路由器、交换机、调制解调器、传输介质等。	服务器、工作站、存储设备、外设等。
目标	提供数据传输通道，确保数据在不同节点之间的可靠传递。	提供存储、计算和网络服务等资源，供终端设备使用。
关键协议	IP、TCP/UDP、Ethernet等。	HTTP/HTTPS、FTP、NFS、SQL等。
通信方向	提供通信路径和数据交换，保证数据能够到达目的地。	提供资源和服务，响应请求的用户或应用程序。

交换技术

1. 电路交换

定义：电路交换是一种在两个通信设备之间建立专用通路的交换方式。在通信会话期间，这条路径被独占使用，即使实际的通信数据传输量较低。电话交换机。

过程：

连接建立：在通信开始之前，系统会先在源节点和目标节点之间建立一条专用的电路。这条电路在通信过程中会保持连接状态。
数据传输：建立连接后，数据可以在源和目标之间连续传输，路径中的所有资源（如带宽）被独占使用。
连接释放：通信结束后，电路会被释放，以供其他通信会话使用。

特点：

实时传输：由于通路是专用的，电路交换适合语音通话等需要实时传输的应用。
固定带宽：整个通信过程中带宽是固定的，不会受到其他通信的影响。
低效率：如果通信两端长时间没有数据传输，带宽仍被占用，造成资源浪费。

2. 报文交换

定义：报文交换是一种将完整报文从发送端发送到接收端的交换方式。每个报文独立传输，通过网络中各个节点的存储和转发机制到达目的地。

过程：

报文生成：发送端生成一个完整的报文，并将其发送到网络。
存储和转发：网络中的每个节点接收整个报文，存储到内存中，然后查找转发表，将报文转发到下一个节点。
报文到达：报文经过多个节点后，最终到达接收端。

特点：

高延迟：由于每个节点需要存储和转发完整报文，传输延迟较大。
灵活性高：不同报文可以选择不同的路径，网络利用率较高。
可靠性高：如果某条路径发生故障，报文可以选择其他路径继续传输。

3. 分组交换

定义：分组交换是一种将数据分割成较小的"分组"进行传输的技术。每个分组独立传输，并可以通过不同路径到达接收端，最终在目的地重新组装成完整的数据。

过程：

分组：发送端将数据拆分成多个小分组，每个分组都带有目的地地址和序列号。
转发：每个分组独立通过网络传输，路由器和交换机根据网络情况选择最佳路径。
重组：接收端根据分组的序列号将它们重新组装成完整的报文或数据。

特点：

高效率：网络资源按需分配，多个通信会话可以共享同一条路径的带宽。
低延迟：数据分组小，节点处理和转发的速度快。
可靠性高：如果某条路径拥堵或故障，分组可以选择不同路径绕过。
分组丢失和重传：由于不同路径会导致分组到达顺序混乱或丢失，接收端需要重新排序和可能的重传机制。可能出现失序，丢失作用。

应用场景：

现代互联网：TCP/IP 协议中数据包的传输就是基于分组交换的。
移动通信：如 4G、5G 网络，使用分组交换来传输数据和多媒体流。

总结与对比

特性	电路交换	报文交换	分组交换
连接建立	需要预先建立专用通路	无需专用连接，逐个节点转发	无需专用连接，逐个分组独立传输
实时性	适合实时通信（如电话）	延迟较高，不适合实时通信	延迟低，适合实时和非实时应用
带宽利用	固定带宽，不灵活	高利用率，但有存储和转发延迟	动态带宽分配，高利用率
可靠性	路径中断导致通信中断	较高，节点失败时可选其他路径	较高，路径故障时分组绕过
典型应用	电话网络	早期电报系统，军事通信	互联网，现代数据通信

计算机网络的分类

按分布范围分类

广域网（WAN）：覆盖范围非常广，可以跨越城市、国家甚至是全球。用于连接远距离的局域网或城域网。
城域网（MAN）：覆盖范围是一个城市或区域，连接多个局域网，通常由电信公司或互联网服务提供商运营。可以归为局域网-
局域网（LAN）：覆盖范围较小，如一个办公室、建筑物或校园。具有较高的数据传输速度，常用于公司内部通信。通过路由器接入广域网，使用以太网技术实现。
个域网（PAN）：覆盖范围最小，通常在几米范围内，用于个人设备之间的连接，如蓝牙和红外通信，zigbee。小米智能网关。

按传输技术分类

广播式网络：网络中所有节点共享通信介质，数据包广播到网络中的所有设备，常用于局域网。
点对点网络：由节点之间的点对点连接组成，数据只在发送节点和接收节点之间传输。常见于广域网。

按拓扑结构分类

总线型：所有设备共享一条公共通信线路，设备之间通过总线进行通信。"广播式"传输，存在"总线争用"问题
环形：设备连接成一个闭环，数据沿着环路单向或双向传输。"广播式"传输。
星形：所有设备通过一个中心节点（如交换机或集线器）连接，中心节点控制数据流动。不存在"总线争用"问题
网状：每个节点与其他节点直接连接，提供了冗余路径，具有高可靠性和容错性。众多路由器组成

按使用者分类

公网：面向大众开放的网络，如互联网，用户可以自由接入。
专用网：用于特定机构或公司内部，提供高度的安全性和控制。

按传输介质分类

有线网络：使用物理电缆传输数据，如以太网、光纤。
无线网络：通过无线电波、红外线、微波等进行数据传输，如Wi-Fi、蓝牙、卫星通信。

性能指标

速率（Rate）

定义：速率是指数据在通信链路上传输的速度，通常称为数据传输速率 或比特率（Bit Rate）。
单位：常用单位是bps（bit per second），即每秒传输的比特数。高传输速率意味着更快的通信。例如，100 Mbps 表示每秒可以传输 100 百万比特的数据。

带宽（Bandwidth）

定义：带宽是网络在单位时间内能够传输的最大数据量，是通信链路或网络的容量。它决定了数据传输的上限。
单位：通常以bps（如 Mbps、Gbps）为单位。
说明：带宽可以视为高速公路的车道数量。车道越多，理论上能通过的车辆（数据）就越多。注意，带宽不等于实际速率，而是理论上的最大值。

吞吐量（Throughput）

定义：吞吐量是指网络在单位时间内实际传输的数据量。
单位：以bps或更大的单位（如 MBps）表示。
说明：吞吐量是带宽的实际利用情况。虽然某个网络可能有高带宽，但由于信号干扰、网络拥塞或其他原因，实际吞吐量可能会低于带宽。例如，一个带宽为 100 Mbps 的网络可能只有 80 Mbps 的实际吞吐量。

时延（Latency）

定义：时延是指数据从网络中的一个节点传输到另一个节点所需要的时间。它由四个部分组成：
- 传播时延（发送时延）：信号在物理介质中传播的时间，通常与传播速度（如光速）和传播距离有关。内容除以发送速率
- 传输时延：发送数据帧所需的时间，与数据帧的大小和传输速率相关。信道长度除以传播速度
- 处理时延：路由器或交换机处理数据包所需的时间。
- 排队时延：数据包在路由器或交换机队列中等待传输的时间。
单位：通常以**毫秒（ms）或微秒（μs）**表示。
解释：时延影响网络的响应速度，对实时应用（如视频通话、在线游戏）至关重要。时延越小，用户体验越好。

时延带宽积（Bandwidth-Delay Product, BDP）

定义：时延带宽积是网络带宽与时延的乘积，表示在时延时间内可以填满网络路径的最大数据量。
公式：时延带宽积 = 带宽 × 传播时延 \text{时延带宽积} = \text{带宽} \times \text{传播时延} 时延带宽积=带宽×传播时延
单位：通常以**比特（bits）**表示。
解释：时延带宽积表明了网络中"在途数据"的数量。例如，带宽为 1 Gbps、时延为 100 ms 的网络，其时延带宽积为 100 Mb，这意味着在任意时间点上，有 100 Mb 的数据在路径中传输。高时延带宽积的网络（如卫星通信）需要足够大的发送窗口以确保带宽不被浪费。用于设计最短帧长

往返时延（Round Trip Time, RTT）

定义：往返时延是指数据包从发送端到达接收端并返回发送端所需的时间。
单位：通常以**毫秒（ms）**为单位。
说明：RTT 是网络时延的一个重要指标，直接影响传输协议（如 TCP）的性能。例如，当 RTT 很高时，TCP 的确认机制可能会影响到数据的整体传输速度。注意图中的开始时间与结束时间

信道利用率（Channel Utilization）

定义：信道利用率是指信道被实际利用的程度，表示传输信道有效传输数据的时间比例。
公式：信道利用率 = 有效数据传输时间总传输时间 \text{信道利用率} = \frac{\text{有效数据传输时间}}{\text{总传输时间}} 信道利用率=总传输时间有效数据传输时间
解释：如果信道利用率接近 100%，表示信道在高效工作，但过高的利用率可能导致网络拥堵和性能下降。过低的利用率则意味着资源未被充分利用。