第一章:概述
一.相关定义
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
1. 计算机网络
(1).集线器(Hub)
集线器会冲突
- 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
- 集线器"工作在物理层，将在第二章学习
(2).交换机(Switch)
交换机不会冲突
- 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
2. 互连网
(1).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，也可称为"互连网
Tips: 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
3. 互联网
(1).ISP(Internet Service Provider)
互联网服务提供商(中国移动/联通/电信)，由各大ISP和国际机构通过高级路由器形成覆盖全球范围的互连网，即互联网
tip: 互联网必须使用TPC/IP协议通信，互连网可以使用任意协议通信
二.计算机网络的组成和功能
1. 计算机网络的组成
(1).分类
①.组成
②.工作方式
③.逻辑功能
2. 计算机网络的功能
三.三种交换方式
1. 电话网络(电路交换)
(1).定义
(2).优缺点
-
优点
- 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。数据直送，传输速率高
-
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
-
无法发现传输过程中的数据错误(不支持"差错控制")
-
2. 电报网络(报文交换)
(1).定义
(2).优缺点
-
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，线路利用率较高
-
交换节点支持"差错控制"
-
-
缺点
-
报文不定长，不支持存储转发管理
-
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
-
3. 现代计算机网络(分组交换)
(1).定义
分组号: 用于判断分组数据到达接收方后如何排序
(2).优缺点
-
优点(同报文交换)
-
通信前无需建立连接
-
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，线路利用率较高
-
交换节点支持"差错控制"
-
-
对报文交换缺点的改进
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分组定长，方便存储转发管理
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分组的存储转发时间开销小、缓存开销小
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分组不易出错，重传代价低
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-
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
-
四.三种交换方式性能分析
1. 电路交换
2. 报文交换
3. 分组交换
4. 总结
五.计算机网络分类
1. 按分布范围分类
- 注: 局域网通过路由器接入广域网
常说的 WLAN 即 Wireless Local Area Network
2. 按传输技术分类
(1).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
Eg: 所有无线网络都是"广播式"
(2).点对点网络
数据只会从发送方"点对点"发到接收方，精准送达
Eg: 路由器转发的数据分组
3.按拓扑结构分类(逻辑)
(1).总线形结构
数据"广播式"传输；存在"总线争用"问题;
典型代表: 集线器连接的设备
(2).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(流行于2000年以前的局域网技术)
(3).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
(4).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
4. 总结
六.计算机网络的性能指标
1. 速率
(1).定义
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
(2).单位
bps(或记为 b/s、bit/s;可加上数量前缀k、M、G、T, 10^3递增)。
注意: 有时也会用B/s(1B = 8b, B=Byte 字节, b=bit 比特)
(3).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往往对应一条发送信道和一条接收信道
2. 带宽(bandwidth)
(1).定义
某信道所能传送的最高数据率
- 注: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。
(2).单位
bps(或记为 b/s、bit/s;可加上数量前缀k、M、G、T, 10^3递增)。
(3).通信原理里的带宽定义
带宽(bandwidth): 表示某信道允许通过的信号频带范围;
单位: Hz(读作"赫/赫兹"；可加上数量前缀k、M、G、T, 10^3递增)。
3. 吞吐量
(1).定义
指单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际数据量
吞吐量受带宽限制、受复杂的网络负载情况影响
(2).单位
bps(或记为 b/s、bit/s;可加上数量前缀k、M、G、T, 10^3递增)。
4.时延/延迟(Delay)
(1).定义
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需的时间。有时也称为延迟或迟延。
(2).例题
5. 时延带宽积
(1).定义
(2).例题
6. 往返时延(RTT)
(1).定义
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。
注: 为简化问题，此图并未分析发送方和接收方之间的其他节点
ps: 游戏延迟反应的就是手机-服务器的RTT
7. 信道利用率
(1).定义
某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的
七.计算机网络的分层结构
1. 三种计算机网络体系结构
2. 网络体系结构的概念
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(implementation)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
3. 各层之间的关系
(1).实体定义
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。
(2).协议定义
协议: 即网络协议(Network Protocol)，是控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的。
(3).接口定义
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 AccessPoint, SAP)。
(4).服务定义
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。
4. 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
-
协议控制信息(PCI-报头): 控制协议操作的信息。第 n层的 PCI记为 n-PCI。
-
服务数据单元(SDU-报文): 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。
-
三者的关系为 n-PDU= n-SDU+ n-PCI = (n - 1)-SDU
5. 协议的三要素
(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(时序)
**执行各种操作的条件、时序关系等，即时间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。
八.OSI参考模型
1. OSI参考模型
2. 物理层
物理层任务：实现相邻节点之间比特（0或1）的传输
①需定义电路接口参数（如：形状、尺寸、引脚数等)
②需定义传输信号的含义、电气特征（如：5V表示1，1V表示0；每比特电信号持续时间0.1ms）
3. 链路层
链路层任务：确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错。包含以下功能
- 差错控制：检错+纠错(以帧为单位)
- 流量控制：协调两个节点的速率
4. 网络层
网络层任务：把"分组"从源结点转发到目的结点。包含以下功能
①路由选择：构造并维护路由表，决定分组到达目的节点的最佳路径
②分组转发：将"分组"从合适的端口转发出去
④拥塞控制：发现网络拥塞，并采取措施缓解拥塞网际互联：实现异构网络互联
⑤其他功能(以分组为单位)：差错控制、流量控制、连接建立与释放(确保分组有序,不重复到达)、可靠传输管理(接收方需返回,分组确认消息)
5. 传输层
传输层任务：实现端到端通信(即实现进程到进程的通信，"端"指端口)
①复用和分用：发送端几个高层实体复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。
②其他功能(以分组为单位)：差错控制、流量控制、连接建立与释放(确保报文段有序,不重复到达)、可靠传输管理(接收方需返回,报文段确认消息)
