1.计算机网络概念

计算机网络

定义：由若干结点和连接这些结点的链路组成。结点可以为计算机、集线器、交换机、路由器等

主要功能：数据通信（信息传递）、资源共享

互连网（internet）

定义：多个计算机网络通过路由器互相连接而成

可使用任意通信协议

互连网（Internet）

定义：或译为因特网。特指全世界最大的计算机网络，由各大ISP和国际机构组建

使用TCP/IP协议族作为通信规则

ISP(Internet Service Providers )，互连网服务提供商

集线器、交换机用于连接同一网络内的不同结点；路由器用于连接不同的网络

家用路由器=路由器+交换机+其他功能

2.计算机网络的组成和功能

组成

从组成部分看

硬件

• 主机，即端系统（end system）

  如：电脑、手机、物联网设备

• 通信设备

  如：集线器、交换机、路由器

• 通信链路

  如：光纤、网线、同轴电缆

软件

方便用户使用，实现资源共享

如聊天软件、网盘软件

协议

• 规定计算机网络中的通信规则
• 有硬件、软件共同实现，如：网络适配器+软件 实现网络通信协议

主机内部安装有网络适配器（网卡）

网络适配器作用：

• 将主机数据发送到网络上
• 接收来自网络的数据

从工作方式看

边缘部分

工作方式：直接为用户服务（通信、资源共享）

主要由连接到互联网上的主机及其软件组成

核心部分

工作方式：为边缘部分提供服务（连通性、交换服务）

由大量网络和连接这些网络的路由器组成

从逻辑功能看

资源子网

定义：计算机网络中运行应用程序，向用户提供可共享的硬件、软件和信息资源的部分。

主要由连接到互联网上的主机组成

逻辑子网

定义：计算机网络中负责计算机间信息传输的部分。即把计算机和其他用户装置互连在一起的所有通信设备和介质的总称。

主要由 通信链路+通信设备+协议构成

主机内部实现信息传输的网络适配器、底层协议书与通信子网的范畴

功能

数据通信

实现计算机之间数据传输。是最基本、最重要的功能

资源共享

硬件、软件、数据资源

分布式处理

将某个复杂任务分配给网络中多台计算机处理

提高可靠性

网络中各台计算机互为替代机

负载均衡

网络中各台计算机共同分担繁重工作

其他

满足社会需求、生活需求

3.电路交换、报文交换、分组交换

电路交换

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）

电路交换优点

• 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。数据直送，传输速率高

  电路交换更适用于：低频次、大量地传输数据

电路交换的缺点

• 建立/释放连接，需要额外的时间开销

  计算机之间的数据传输往往是“突发式”传输，即往往会高频次、少量地传输数据

• 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）

电报交换

存储转发思想：

把数据单元储进中间节点，再根据目的地址转发至下一节点

电报交换优点

• 通信前无需建立连接
• 数据以“报文”为单位在被交换节点间“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）

电报交换缺点

• 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
• 报文长容易出错，重传代价高

分组交换

报文（不定长）->分组（定长）

分组包含首部：首部为分组的控制信息，包含：源地址、目的地址；分组号等

分组交换优点

• 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”，通信线路可灵活分配
• 在通信时间内，两个用户无须独占一整条物理线路。相较于电路交换，线路利用率高
• 交换节点支持“差错控制"

相较于报文交换，分组交换改进了如下问题：

• 分组定长，方便存储转发控制
• 分组的存储转发时间开销小，缓存开销小
• 分组不易出错，重传代价低

分组交换缺点

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

“虚拟电路交换技术”

虚电路交换的过程(将在第四章学习

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

性能分析

电路交换

传输：11ms

报文交换

传输：29ms

分组交换

传输：17.5ms

综合比较

4.计算机网络的分类

按分布范围分类

广域网（WAN）

• 范围：几十~几千公里
• 跨省/跨国/夸洲

城域网（MAN）

• 范围：几千米~几十千米
• 一个或几个相邻的城市
• 通信技术：常采用“以太网技术”，因此常并入局域网范畴探讨

局域网（LAN）

• 范围几十米~几千米
• 学校/企业/工作单位/家庭
• 通信技术：以太网技术

个域网（PAN）

• 范围：几十米以内
• 家庭/个人
• 通常是通过无线技术将个人设备连接起来的网络，因此也常称为无线个域网（WPAN）

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

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（路由器转发的数据分组）

按拓扑结构分类

总线型结构

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

环型结构

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）

星型结构

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：有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

无线网络

5.计算机网络的性能指标

速率

信道（Channel）：表示某一方向传送信息的通道（信道\neq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

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

注意：有时也会有B/s（1B=8b，B=Byte 字节，b=bit 比特）

宽带

宽带（bandwidth）：某信道所能传送的最高数据率

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。吞吐量受带宽限制、受复杂的网络负载情况影响

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）的一端到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延。

总时延=发送时延¹+传播时延²+处理时延³+排队时延⁴

时延带宽积

经过“时延传播”后，第一个比特到达接收端

时延带宽积（bits）=传播时延（s）x带宽（bit/s）

时延带宽积的含义：一条链路上，已从发送端发送但尚未到达接收端的最大比特数

时延带宽积用于设计最短帧长

往返时延

往返时延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。

往返时延RTT = t2 + t3 + t4 + t5

t2：传播

t3：处理

t4：发送

t5：传播

t1：发送方发送数据的发送时延（不计入RTT）

信道利用率

定义：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 = \frac{有数据通过的时间}{有数据通过的时间 + 没有数据通过的时间}

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