计网【一】----计算机网络概述

序言：

• ‘网络’是一个统称，泛指把人或物连起来形成的系统
• 比如大众熟悉的三大网络
  • 电信网络：提供电话等服务
  • 有线电视网络：传输界面
  • 计算机网络： 使用户能在计算机之间传送数据文件
• 其中发展最快并起到核心作用的是计算机网络

1. 计算机网络的定义及其特点

1.1 计算机网络的定义

• 计算机网络主要是有一些通用的，可编程的硬件互联而成，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
• 重要的两点
  • 多种硬件：包括计算机，智能手机，智能传感器等
  • 多种应用: 包括：数据、语音、视频，以及今后可能出现的各种应用。

1.2 计算机网络的特点

• 连通性：使上网用户之间都可以交换信息（数据，以及各种音频视频） ，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样
• 共享：指资源共享。资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样，方便使用。

2. 互联网概述

2.1 互联网概念

• 互联网是目前技术最成功，应用最广泛的计算机网络
• 互联网定义：互联网，特指 Internet，它起源于美国，是由数量极大的各种计算机网络互连起来而形成的一个互连网络。它采用 TCP/IP 协议族作为通信规则，是一个覆盖全球、实现全球范围内连通性和资源共享的计算机网络。

2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

• 第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展的过程
• 第二阶段：建成了三级结构的互联网
• 第三阶段：逐渐形成了商用的，多层次ISP结构的互联网

2.3 互联网的标准化工作

互联网的标准化工作对互联网的发展起到了非常重要的作用

• 所有互联网标准都以RFC的相识在互联网上发表

• 三个阶段: 互联网草案；建议标准；互联网标准

• 现简化为：建议标准；互联网标准

3. 互联网的组成

从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块：
边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

3.1 互联网的边缘部分

• 处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有主机。这些主机又称为端系统

主机 A 和主机 B 进行通信”实际上是指：“运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信，而非端与端之间通信”。

3.2 互联网的核心部分

• 在网络核心部分起特殊作用的是路由器

• 分组转发是网络核心部分最重要的功能

典型交换技术包括： 电路交换，分组交换，报文交换，其中互联网的核心部分采用了分组交换技术

3.2.1电路交换

• 电路交换：丢包了报文就作废了
• 网状结构：
• 
• 交换机结构：当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务,每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。 所采用的交换方式就是电路交换 (circuit switching)。

3.2.2 分组交换（重点）

• 分组交换的主要特点：
  - 分组交换在电路交换基础上，采用存储转发技术。在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端，接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
  - 丢包了再向数据源拿就可以了

• 分组交换的传输单元具体方式：每一个分组的首部都含有地址（诸如目的地址和源地址）等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。每个分组在互联网中独立地选择传输路径。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。就是说根据网络路径的繁忙度一个数据分成几个分组不同路径发送。

• 分组交换的优点：

  • 高效 ： 在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
  • 灵活： 为每一个分组 独立 地选择最合适的转发路由。
  • 迅速 ： 以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组。
  • 可靠 ： 保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性。

• 分组交换的缺点：
  - 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
  - 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

  • 需要有额外的管理和控制机制

3.2.3 报文交换

• 报文交换：用的比较少

顺道一提：TCP 丢包要再送 UDP 丢包丢了就算了

4. 计算机网络在我国的发展（略）

5. 计算机网络的类别

5.1 计算机网络的定义

计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用

5.2 几种类别不同的网络

计算机网络有多种类别。典型包括：

• 按照网络的作用范围进行分类
• 按照网络的使用者进行分类
• 用来把用户接入到互联网的网络

5.2.1 按照网络的作用范围进行分类

• 广域网 WAN (Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里。
• 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：作用距离约为 5~50 公里。
• 局域网 LAN (Local Area Network) ：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。
• 个人区域网 PAN (Personal Area Network) ：范围很小，大约在 10 米左右。

5.2.2 按照网路的使用者进行分类

• 公用网 (public network) ：按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。
• 专用网 (private network) ：为特殊业务工作的需要而建造的网络。

5.2.3 用来把用户接入到互联网的网络（略）

6. 计算机网络的性能

6.1 计算机网络的性能指标

计算机网络的性能一般是指它的几个重要的性能指标，主要包括：速率，带宽，吞吐率，时延，时延带宽积，往返时间 RTT，利用率

6.1.1 速率（平时看视频显示的速度）

• 速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率或比特率 。
• 速率的单位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s等。例如4 * 10^10 bit/s 的数据率就记为 40 Gbit/s。
• 速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。比如观察10s内从发送端到接收端传送了多少数据。

6.1.2 带宽

• 在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”
  

6.1.3 吞吐量

吞吐量 (throughput) 表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

• 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络
• 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

6.1.4 时延

时延 (delay 或 latency) 是指数据（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

• 发送时延，也称为传输时延。

发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间

• 传播时延

  电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

• 发送时延与传播时延有本质上的不同。信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念

• 处理时延

  主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间

• 排队时延

  分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

• 总时延

  总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

• 必须指出，在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析。

• 数据在网络中经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和

6.1.5 时延带宽积

• 时延带宽积 = 传播时延 x 带宽（前提条件：链路被占用满

6.1.6 往返时间

往返时间 RTT (round-trip time) 表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。

• 平时的游戏右上角的延迟就是RTT

• ping 网址 2ms => RTT

6.1.7 利用率

• 分为信道利用率和网络利用率，重点是信道利用率

• 

• 若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0 之间的关系
  

• 当信道的利用率增大时，该信道引起的时延迅速增加，所以运营商会增加设备减小时延

6.2 计算机网络的非性能特征

• 主要包括:费用,质量,标准化,可靠性,可扩展性和可升级性 ,易于管理和维护

7.计算机网络的体系结构

7.1 计算机网络体系结构的形成

• 计算机网络是个非常复杂的系统。相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。(注意区分与ISP的分层，类比快递贵重物品层层分工送)
• 1974 年，美国的 IBM 公司宣布了系统网络体系结构SNA 。这个著名的网络标准就是按照分层的方法制定的。
• 由于网络体系结构的不同，不同公司的设备很难互相连通。为了使不同体系结构的计算机网络都能互连 ，ISO提出标准框架：开放系统互连基本参考模型 OSI。只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。
• 法律上的国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。非法律标准 TCP/IP 获得了最广泛的应用。

7.2 协议与划分层次

网络协议 (network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

• 网络协议的三个组成要素：语法，语义，同步

7.2.1协议的两种形式

• 一种是使用便于人来阅读和理解的文字描述
• 另一种是使用让计算机能够理解的程序代码
• 这两种不同形式的协议都必须能够对网络上信息交换过程做出精确的解释

7.2.2 划分层次的概念举例

• 可以将要做的工作进行如下的划分:

  • 1. 第一类工作与传送文件直接有关。
    • 确信对方已做好接收和存储文件的准备。
    • 双方已协调好一致的文件格式。
  • 2. 两个主机将文件传送模块作为最高的一层 ，剩下的工作由下面的模块负责。

• 分层的好处：

  • 各层之间是独立的。
    灵活性好。
    结构上可分割开。
    易于实现和维护。
    能促进标准化工作

• 分层的坏处：

  • 降低效率。
    有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生了额外开销。

7.3 具有五层协议的体系结构

• 综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构

• 应用层：http,www等
• 运输层： 保证运输的可靠性
• 网络层：选择合适的路由
• 数据链路层：相邻节点传送数据，最优路径相关
• 物理层：物理设备与物理设备如何进行比特流通信，第0层就是指传输介质

7.4 实体、协议、服务和服务访问点

• 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。
• 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 , 服务访问点实际是上层给下层提供的接口
• OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元 SDU (Service Data Unit)。SDU 可以与 PDU 不一样，例如，可以是多个 SDU 合成为一个 PDU，也可以是一个 SDU 划分为几个 PDU。
• 协议的复杂性：协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况

7.5 TCP/IP 的体系结构

• 实际上，现在的互联网使用的 TCP/IP 体系结构有时已经发生了演变，即某些应用程序可以直接使用 IP 层，或甚至直接使用最下面的网络接口层

议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况

7.5 TCP/IP 的体系结构

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• 实际上，现在的互联网使用的 TCP/IP 体系结构有时已经发生了演变，即某些应用程序可以直接使用 IP 层，或甚至直接使用最下面的网络接口层

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