计算机网络——第一章 概述

本文最后更新于：2019年11月17日 下午

概览：计算机网络概述，互联网边缘部分与核心部分、计算机网络性能指标、计算机网络体系结构。

参照课本：《计算机网络(第七版)》——谢希仁编著

互联网的两个基本特点

  • 连通性：互联网使用户不管相距多远都可以非常便捷方便的交换各种信息，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：包括信息共享、软件共享甚至是硬件共享。

互联网

计算机网络是由若干结点(node)以及连接这些结点的链路(link)组成的.

  • 结点：可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

此外网络与网络之间还可以通过路由器连接起来，构成一个覆盖范围更大的计算机网络这就是互联网。

所以：

网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络通过路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。

互联网基础结构发展的三个阶段

  • 第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。
  • 第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。
  • 第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。

ISP – 互联网服务提供商

ISP – Internet Service Provider

ISP可以从互联网管理结构申请到很多的IP地址，同时还拥有通信线路以及路由器等联网设备。

个人或者机构向ISP缴纳费用得到IP地址的使用权，并通过ISP接入到互联网上 —— 这就是所谓的上网。

根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同的层次：主干ISP、地区ISP、本地ISP。

IXP(Internet eXchange Point) – 互联网交换点

其作用是允许两个网络直接相连并交换分组，促使互联网上的数据流量分布更加合理，同时也减少了分组转发的延迟，降低了分组转发的费用。

互联网的组成

  • 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机构成。由用户直接使用，进行通信与资源共享。主机接入核心部分通常以相对核心部分低速率的链路相连接。
  • 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器构成。为边缘部分提供服务。且路由器之间一般用高速链路相连接。
  • 主机：即为用户进行信息处理，并且还可以和其他主机通过网络交换信息。
  • 路由器：是一种专用计算机，用于转发分组。

互联网的边缘部分

互联网的边缘部分由连接在互联网上的所有主机构成。这些主机也叫做端(end).

边缘部分利用核心部分提供的服务来完成计算机之间的通信。

计算机之间的通信

网络边缘部分的端系统之间的通信方式一共有两大类。

  • C/S方式 – 客户–服务器方式

  • P2P方式 – 对等方式

    此外B/S方式 – 浏览器-服务器方式是C/S的一种特例。

C/S方式

客户 client 是服务请求方，在通信时向服务器请求服务。(需要知道服务器的地址)

服务器 server 是服务提供方，等待并且接受客户的通信请求。(不需要之道客户端的地址)

P2P方式

两台主机都运行对等连接软件，他们之间平等的进行通信。

P2P也可以看作C/S方式，只是每一台主机既做客户端又做服务器。

互联网的核心部分

网络的核心部分要向边缘部分的主机提供服务。

通过路由器来转发分组，即分组交换的

三种交换方式

电路交换

类似于使用电话通话。双方接通之后就建立了连接(一条专用的物理通道)–>通话中会一直占用通信资源–>释放连接之后会归还通信资源。

  • 特点：在通话的全部时间之内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。整个报文的比特流连续地从源头直达终点。
  • 缺点：线路传输效率低，(线路上传输数据的时间非常短，通信线路的资源大部分时间都是空闲的)

报文交换

整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

分组交换

分组交换采用存储转发技术，将一个报文(整块数据)划分为几个数据段，给每个数据段的头部添加控制信息，构成分组(packet)或者叫做包。包头(分组被添加的头部信息)内包括目的地址、源地址等重要控制信息。

路由器会把主机发来的分组暂时放入缓存(路由器的内存，速度快，保证高速率)，然后从转发表中查询，转发给其他路由器，最后传给另一台主机。

将单个分组传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

分组交换的优点
- **缺点**：时延问题(分组在路由器转发时需要排队)、额外开销(分组需要携带头部信息)

计算机网络的类别

作用范围分类

  • 广域网 WAN –作用范围几十到几千公里
  • 城域网 MAN –作用范围5-50km
  • 局域网 LAN 校园网、企业网
  • 个人区域网 PAN 个人电子设备连接构成的网络

网络使用者分类

  • 公用网 ：电信公司出资建造的大型网络
  • 专用网 ：某部门或单位专用网络

接入网 AN

又称为本地接入网或居民接入网。课本P20

计算机网络性能

性能指标

  • 速率：指数据的传送速率，又称数据率或比特率，单位为bit/s(比特每秒)。
  • 带宽：计网中的带宽指通道传送数据能力，网络带宽指单位时间内信道能通过的最高数据率，单位为bit/s(比特每秒)。
  • 吞吐量：单位时间内通过某个网络(或者信道、接口)的实际数据量。
  • 时延：又称延迟或迟延。指一个数据从网络一段传送到另一端所需时间。总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
    • 发送时延：主机或路由器发送数据帧所需要的时间。
    • 传播时延：电磁波在信道传播一定距离花费的时间。
    • 处理时延：主机或者路由器收到分组要花费处理的时间。
    • 排队时延：分组在网络传输时，在路由器数据队列排队等待处理。
  • 时延带宽积：时延带宽积 = 传播时延 * 带宽。表示链路能容纳的比特数。
  • 往返时间 RTT：双向交互所花的时间啊。
  • 利用率：分为信道利用率和网路利用率两种。信道或者网络利用率过高会产生非常大的时延。
    • 信道利用率：指出信道有百分之几的时间是被利用的。完全空闲的信道利用率就是0.
    • 网络利用率：是全网络的信道利用率的加权平均值。

非性能指标

  • 费用：网络的价格(包括设计与实现的费用).
  • 质量：质量会影响到网络的可靠性、网络管理的建议性以及网络的性能。
  • 标准化
  • 可靠性
  • 可扩展和可升级
  • 易于管理和维护

计算机网络体系结构

OSI是法律上的国际标准，但应用最广的是非国际标准TCP/IP。

网络协议

网络协议：为网络中的数据交换建立的规则和标准。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。网络协议由语法、语义以及同步构成。

  • 语法：数据与控制信息的结构或格式。
  • 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
  • 同步：事件实现顺序的详细说明。

分层协议

五层协议是为了介绍网络原理而设计的，实际应用的是TCP/IP四层体系结构
- **应用层**：应用层协议定义进程间通信和交互的规则。而应用层是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。 - **运输层**：向负责两台主机中进程之间的通信提供同通用的数据传输服务。 - **TCP 传输控制协议**：提供面向连接、可靠的数据传输服务。 - **UDP 用户数据报协议**：提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务，不保证数据传输的可靠性。 - **网络层**：为分组交换网上的不同主机提供通信服务。把运输层产生的数据封装成IP数据报。 - **数据链路层**：数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传送帧。 - **物理层**：用电压表示0/1，识别发送发的比特。

为什么要分层？

分层可以把庞大的问题转化为若干较小的、比较易于研究和处理的局部问题。