计算机网络概述

计算机网络的基本概念

计算机网络的定义

计算机网络是 互连 的、自治 的计算机的集合。
互连：利用通信链路链接相互独立的计算机系统
自治：互联的计算机系统彼此独立，不存在主从或者控制与被控制的关系

计算机网络的起源
技术范畴来看，计算机网络是 计算机技术 与 通信技术 相互融合的产物。

ISP：因特网服务提供商（Internet Service Provider, ISP）

计算机网络由 资源子网（信息处理）和 通信子网（信息传递）构成

协议的定义

网络协议：网络通信实体之间在 数据交换 过程中需要遵循的 规则或约定。
例如：HTTP \ FTP

网络协议的三要素：
语法：定义实体之间交换信息的 格式与结构。
语义：定义实体之间交换信息中的 控制信息。
时序：定义实体之间交换信息的 顺序 以及如何匹配或适应批次的 速度。

计算机网络的功能

计算机网络的核心功能：资源共享

硬件 资源共享：计算资源（CPU）、存储资源、打印机与扫描仪I/O
例如：云存储、云计算

软件 资源共享：SaaS（Software as a Service）
例如：大型办公软件、大型数据库系统

信息 资源共享：信息检索、新闻浏览

计算机网络的分类

按 覆盖范围 分类

按 拓扑结构 分类
拓扑（topology）：只考虑物质之间的位置关系不考虑她们的形状和大小

按 交换方式 分类
电路 交换网络、报文 交换网络、分组 交换网络

按 网络属性 分类
公有网：面向公众开放的网络。例如：电信网络
私有网：某个组织（政府或者企业）出资建设专门面向该组织，不向公众开放。例如：军事网络

计算机网络结构

网络边缘

连接到网络上的 主机 或者 端系统。例如：计算机、服务器、智能手机等。

接入网络

实现网络边缘的端系统与网络核心连接的网络。

电话拨号接入：
利用 电话 网络接入

非对称数字用户线路ADSL：
利用 电话 网络接入、基于频分多路复用技术、非对称、独享式接入

混合光纤同轴电缆HFC接入网络：
利用 有线电视网络 接入的技术、基于频分多路复用技术、非对称、共享式接入

局域网：
典型的局域网技术是以太网、WiFi等

移动接入网络：
利用移动通信网络，如：3G、4G、5G网络

网络核心

由通信链路互连的分组交换设备构成的网络，作用是实现网络边缘中主机之间的数据的 中继 与 转发。

数据交换技术

数据交换的概念

数据交换：
实现在大规模网络核心上进行数据传输的技术基础

交换设备：
多通信端口，可以同时连接多个通信结点，进行通信的设备。最典型的是 路由器 和 交换机

分类：
电路交换、报文交换、分组交换

电路交换

电路：
通过中间交换结点为两台主机之间建立一条专用的通信线路

电路交换：
建立电路，利用电路通信，通信结束后超出电路
最早 出现的一种交换方式
电话网络 是最早、最大的电路交换网络

电路交换的步骤：
建立电路 - 传输数据 - 拆除电路

电路交换的优点：
实时性高、时延和时延抖动小

电路交换的缺点：
不适用于突发数据传输，信道利用率低，传输速率单一

使用范围：
语音和视频类实时性强的业务

报文交换

报文：
发送方把要 发送的信息 附加上 接收主机的地址和控制信息

报文交换：
存储-转发 的交换方式
发送方组装好报文，发给相邻报文交换机。相邻报文交换机收到报文后 检查 无误，暂时 存储 报文，然后找出需要 转发 的下一个结点的地址，然后把报文给下一个结点的报文交换机。

报文交换的优点：
信道利用率高

报文交换的缺点：
时延长，有些时候还需要丢弃报文

分组交换

是在 报文交换 的基础上进行的改进

分组：
将待传输的数据（报文）分割成较小的独立的数据块。每个数据块附加地址等构成数据分组。分组独立传输到目的地，到目的地的再重组还原成报文。

分组交换（包交换）：
存储-转发 的交换方式
是 计算机网络 中使用最广泛的交换技术

分组交换的优点：
交换设备存储容量要求低、交换速度快、可靠传输效率高、更加公平

分组长度的缺点：
在其他条件相同的情况下，分组长度越长，延迟时间越长。

一般分组的长度：以 16B - 4096B 之间的 2ⁿB 为标准的分组长度

每 8个二进制数 为 1个字节

计算机网络性能

B - Byte 字节
b - bit 比特或位
bit/s 位每秒
bps - Bit Per Second

1B = 8bit
1bit/s = 1bps

速率与带宽

速率：
网络 单位时间 内传输的 数据量，用以描述网络数据传输的 快慢

速率基本单位：
bit/s 位每秒

单位的换算：
1Tbit/s = 10³Gbit/s = 10⁶Mbit/s = 10⁹Kbit/s = 10¹²bit/s

带宽：
在 通信和信号处理领域，指的是信号的频带宽度，单位：Hz（赫兹）
在 计算机网络领域，指的是一条信道的最高数据 速率，单位：bit/s（位每秒）

时延

通常将连接两个结点的直接链路称为一个“跳步”，简称：跳
总延迟计算公式：d_h = d_c + d_q + d_t + d_p

时延：
分组从网络的一个结点到达另一个结点所需要的 时间

分组每跳传输过程中主要产生4类时间延迟：

结点处理时延：d_c
交换设备检查分组是否有差错，确定如何转发分组的时间，经常被忽略（时间短）

排队时延：d_q
分组在交换结点内被交换到输出链路，等待从输出链路发送到下一个结点的时间

传输时延（发送时延）：d_t
分组在输出链路发送时，从发送第一位（bit）开始，到发送完最后一位需要的时间
计算公式：d_t = L / R
L：分组长度，单位：bit
R：链路带宽（即速率），单位：bit/s

传播时延：d_p
信号从发送端出来，经过一段物理链路到达接收端需要的时间
计算公式：d_p = D / V
D：物理链路长度，单位：m
V：信号传播速度，单位：m/s

时延带宽积

物理链路 传播时延 与 链路带宽 的乘积，记为：G

表示一段链路可以容纳的 数据位数，也称为：以位（bit）为单位的链路长度。

公式：G = 传播时延 * 链路带宽 = d_p * R
传播时延的单位：s
带宽的单位；bit/s
时延带宽积的单位：bit

丢包率

丢失分组和发送分组之比。反映网络的拥塞程度。

N_s：发送分组数
N_r：接收分组数

吞吐量

在单位时间内源主机通过网络向目的主机 实际送达 的数据量，记为：Thr
单位：bit/s 或 B/s
1B = 8bit

计算机网络体系结构

定义

计算机网络所划分的 层次 以及 各层协议 的集合

OSI 参考模型（7层）

国际标准化组织：开放系统互联（Open System Interconnection, OSI）参考模型

应用层 -> 表示层 -> 会话层 -> 传输层 -> 网络层 -> 数据链路层 -> 物理层

发送方：
数据在垂直的层次中 自上而下 地逐层传递至物理层
接收方：
与发送方相反

划分依据：
体系结构、服务定义、协议规范

虚拟通信：
对等层不直接进行通信

实通信：
物理层 的两个端点进行物理通信

第一个端到端层：传输层

中间系统：通常只实现 物理层、数据链路层 和 网络层 的功能

有关单位

数据单元：
在层的实体之间传送的比特组

协议数据单元：
Protocol Data Unit, PDU，对等层之间传输的数据单元

服务数据单元：
SDU

协议控制信息：
PCI

换算公式：
N-PDU = N-SDU + N-PCI （N代表层数）

服务访问点（SAP）：
相邻层间的服务都是通过其接口面上的服务访问点（Service Access Point, SAP）进行的，每个SPA有唯一的地址号码

TCP/IP 参考模型（4层）

应用层 -> 传输层（TCP、UDP） -> 网络互联层（IP、ICMP、ARP、RARP，核心） -> 网络接口层

逻辑通信：
传输层协议中两个进程之间的通信就像所在的两个主机存在直接连接一样

SNMP：
基于 TCP/IP 协议簇的网络管理标准协议

五层参考模型

描述计算机网络中 最常用、最接近实际网络 的参考模型

应用层 -> 传输层 -> 网络层 -> 链路层 -> 物理层

计算机网络体与因特网发展简史

ARPAnet：
第一个 分组交换 的计算机网络，当今因特网的祖先