第一章、计算机网络概述

第一节 计算机网络基本概念

计算机网络的概念：计算机网络是互连的、自治的计算机的集合

• 互连：是指利用通信链路链接相互独立的计算机系统。
• 自治：是指互连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。

起源：从技术范畴来看，计算机网络是计算机技术与通信技术相互融合的产物

互联网（internet）：泛指由多个计算机网络互连而成的网络

因特网（Internet）：指当前全球最大的、应用最广泛的计算机网络

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等；

计算机网络构成：一个计算机网络是由资源子网和通信子网构成，资源子网负责信息处理，通信子网负责全网中的信息传递。

协议的三要素

• 1）语法：定义实体之间交换信息的格式与结构
• 2）语义：定义实体之间交换信息中的控制信息
• 3）时序(同步)：定义实体之间交换信息的顺序以及如何匹配或适应彼此的速度。

计算机网络的功能：计算机网络的功能是在不同主机之间实现快速的信息交换；核心功能是实现资源共享

• 硬件资源共享：计算资源(CPU)、存储资源、打印机与扫描仪I/O等， 例：云存储、云计算。
• 软件资源共享：SaaS（Software as a Service）;例：大型办公软件、大型数据库系统等。
• 信息资源共享：信息检索，新闻浏览等。          

计算机网络的分类：

• 按覆盖范围分类
• 按拓扑结构分类
• 按交换方式分类
• 按网络用户属性

===================按照覆盖范围分类================

• 个域网(PAN)：随身穿戴设备、便携设备通过无线技术构成的小范围网络
• 局域网(LAN)：通常部署在办公室、办公楼、厂区、校区等局
• 城域网(MAN)：覆盖一个城市范围的网络
• 广域网(WAN)：覆盖范围在几十到几千千米，可以实现异地城域网的互连。

===================按拓扑结构分类=============

拓扑：topology，是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的一个学科。它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。

星形拓扑结构：包括一个中央结点，网络中的主机通过点对点通信链路与中央结点连接。适用于个域网、局域网；采用点到点线路的通信子网

优点：易于监控管理、故障诊断、隔离。
缺点：中央结点一旦故障，全网瘫痪。星形拓扑结构的网络规模受限于中央节点的端口数量

总线型拓扑结构：网络采用一条广播信道作为公共传输介质。所有结点均与总线连接，结点间的通信均通过共享的总线进行。适用于早期局域网

优点：结构简单，电缆数量少，易于扩展。
缺点：通信范围受限，故障诊断与隔离困难，容易产生冲突

环形拓扑结构：利用通信链路将所有结点连接成一个闭合的环。适用于早期局域网、城域网；采用点到点线路的通信子网

优点：电缆长度短，可以使用光纤，易于避免冲突、网络新能稳定(闭合回路)

缺点：故障自检麻烦某结点故障引起全网瘫痪，加新（撤出）结点麻烦，等待时间较长。

网状拓扑结构：网络中的结点通过多条链路与不同的结点直接相连接。适用于广域网和核心网络；采用点到点线路的通信子网，采用直接链路连接；

优点：网络可靠性高，一条或多条链路故障时，网络仍然可以联通。

缺点：网络结构复杂，成本高。

树形拓扑结构：可以看作是总线型拓扑或星形拓扑结构网络的扩展。适用于 当前的局域网；采用点到点线路的通信子网

优点：易于扩展，故障易隔离。

缺点：根结点要求高。

混合拓扑结构：由两种以上简单拓扑结构网络混合连接而成的网络。适用于绝大多数实际的网络

优点：易于扩展，可以构建不同规模的网络，根据需要优选网络结构。

缺点：结构复杂，管理与维护复杂。

==================按照交换方式===============

电路交换网络

报文交换网络

分组交换网络

================按网络用户属性=================

• 1）公用网：面向公众开放的网络
• 2）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。

第二节 计算机网络结构

网络边缘 ：连接到网络上的计算机、服务器、智能手机、智能传感器、智能家电等称为主机或者端系统。连接到网上的所有端系统构成了网络边缘。

接入网络：

• 1、电话拨号接入：利用电话网络接入。
• 2、非对称数字用户线路ADSL：①利用电话网络接入。②基于频分多路复用技术。 ③非对称   ④独享式接入
• 3、混合光纤同轴电缆HFC接入网络：①利用有线电视网络接入的技术。②基于频分多路复用技术。③非对称。④共享式接入
• 4、局域网：典型的局域网技术是以太网、WiFi等。
• 5、移动接入网络：利用移动通信网络，如3G/4G/5G网络。

网络核心：网络核心是由通信链路互连的分组交换设备构成的网络，作用是通过数据交换实现网络边缘中主机之间的中继与转发。

第三节数据交换技术

交换设备具有多通信端口，可以同时连接多个通信结点；

数据交换是实现在大规模网络核心上进行数据传输的技术基础；常见的数据交换技术包括：电路交换、报文交换、分组交换。

==================电路交换==================

电路交换是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：利用电路交换进行通信包括（建立电路）、（传输数据）和（拆除电路）3个阶段。

电路交换的优点 ：实时性高、时延短，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。

=================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

 

交换结点的这种接收-暂存 -转发的工作方式，称为存储-转发的交换方式

报文交换的优点：信道利用率高

报文交换的缺点：网络的延迟时间变长；有时还需要丢弃报文

================分组交换================

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，并且独立传输到目的地，到目的 再重组还原为报文。最典型的分组交换设备是路由器和交换机。

分组交换也称为包交换，也采用存储—转发交换方式，是计算机网络中使用最广泛的交换技术；现代计算机采用该方式。

分组交换方式的优点：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
分组交换的缺点：有效传输效率降低。

分组长度的确定：在其他条件相同的情况下，分组长度越长，延迟时间越长。一般分组长度：16B-4096B之间，2的n次方标准的分组长度；1字节=8bit(位)

第四节计算机网络性能

1、速率与带宽：
速率：网络单位时间内传送的数据量，用以描述网络传输数据的快慢。也称为数据传输速率或数据速率（data rate）。速率单位：bit/s（位每秒）

1Kbit/s=1000bit/s=103bit/s   1Mbit/s=1000000bit/s=106bit/s     1Gbit/s=109bit/s      1Tbit/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(最高和最低频率之差)，单位：Hz（赫兹）；在计算机网络中，带宽指的是一条链路或信道的最高数据速率，单位：bit/s（位每秒）

跳步：通常将连接两个结点的直接链路称为一个“跳步”，简称“跳”。下图是三跳

时延：分组从网络中的一个结点到达另一结点所需要的时间

 分组每跳传输过程中主要产生4类时间延迟：

• 第一类：结点处理时延(dc):交换设备检查分组是否有差错，确定如何转发分组的时间
• 第二类：排队时延(dq):分组在交换结点内被交换道输出链路，等待从输出链路发送到下一个结点的时间。
• 第三类：传输时延(dt):分组在输出链路发送时，从发送第一位开始，到发送完最后一位需要的时间。
• 第四类：传播时延(dp):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

==================传播总时延=============

===============时延带宽积==============

===============丢包率================

 

=================吞吐量==================

 

第五节计算机网络体系结构

计算机网络所划分的层次以及各层协议的集合就称为计算机网络体系结构 

OSI参考模型：开放系统互连（Open System Interconnection， OSI ）参考模型;采用三级抽象，体系结构、服务定义、协议规格说明

1、每层功能特定，且下层为上层提供服务

2、数据 由上到下 层层封装；

1、数据在垂直的层次中自上而下地逐层传递至物理层。

2、对等层不直接进行通信，称为虚拟通信

3、物理层的两个端点进行物理通信，称为实通信。

4、中间系统通常只实现物理层、数据链路层和网络层功能。物理层、数据链路层、网络层为结点到结点层；传输层、会话层、表示层、应用层为端到端层。

OSI参考模型的有关术语
1、数据单元：在层的实体之间传送的比特组； 对等层之间传输的数据单元: 协议数据单元（PDU）
2、服务访问点：相邻层间的服务是通过其接口面上的服务访问点(Service Access Point ,SAP)进行的，每个SAP都有一个唯一的地址号码。
3、服务原语： 请求、指示、响应、证实。

TCP/IP参考模型：网络互联层是 TCP/IP参考模型核心;TCP/IP协议簇的网络管理标准协议是SNMP。

 网络互联层协议：IP协议、ICMP控制报文协议、ARP地址转换协议、RARP反向地址转换协议

传输层协议：传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP

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

 第六节计算机网络与因特网发展简史

 ARPAnet是第一个分组交换的计算机网络，当今因特网的祖先

 因特网的标准都有一个RFC编号，IP协议->RFC791、TCP协议->RFC793