计算机网络概观

　　

目录

因特网
计算机网络性能指标
网络中通信
三种交换方式
网络分层协议模型

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因特网

组成:

• 边缘部分
  • 由所有连接在因特网上的主机组成
  • 供用户直接使用，用来进行数据交换(传送数据、音频或视频)和资源共享
• 核心部分
  • 功能:
    • 向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信(即传送或接收各种形式的数据).
  • 关键组成部分:
    • 路由器(router),路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件,任务是转发收到的分组,这是网络核心部分最重要的功能
  • 由ISP (Internet Service Provider)因特网服务提供者提供

三级计算机网络:

• 主干网
• 地区网
• 校园网/企业网

计算机网络向用户提供的最重要的功能:

• 连通性:　　使上网用户之间可以交换信息
• 共享:　　即资源共享(信息共享 软件共享 硬件共享)

网络体系结构:

结构:

特点:

• • 容错能力
  • 可扩展性
  • 安全
    • 网络中采取的安全措施包括:
      • 防止未经授权地披露或窃取信息
      • 防止未经授权地修改信息
      • 防止拒绝服务实现这些目标的方法包括
    • 确保机密性:
      • 用户认证
      • 数据加密
    • 维护通信完整性:
      • 数字签名
    • 确保可用性:
      • 防火墙
      • 冗余网络基础架构
      • 防止单点失效的硬件

网络划分:

• 按范围划分:
  • 广域网 WAN (Wide Area Network)
  • 局域网 LAN (Local Area Network)
  • 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)
  • 个人区域网 PAN (Personal Area Network)
• 按使用者划分:
  • 公用网 (public network)
  • 专用网 (private network)

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计算机网络性能指标

速率(rate)

定义 连接计算机网络的主机在数字信道上传送数据的速率,单位是比特bit)

带宽(bandwidth)

作用 网络的同学线路所能传送数据的能力
定义 本来是指信号具有的频带宽度,单位是赫(或千赫,兆赫,吉赫等),现在是指数字信道所能传送的"最高数据率",单位是"比特每秒"或 b/s (bit/s)

吞吐量(throughput)

定义 表示在单位时间内通过某个网络(或信道,接口)的数据量
注意 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

时延(delay)

分类:

• • 传输时延(发送时延)
    • 发送数据时,数据块从结点进入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
  • 处理时延
    • 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间
  • 排队时延
    • 定义:
    • 结点缓存队列中分组排队所经历的时延
    • 决定因素:
    • 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量
    • 分类:
    • 输入队列中排队等待处理
    • 输出队列中排队等待处理

总时延:

总时延= 发送时延+传播时延+处理时延+处理时延

注意:

对于高速网络链路,我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率.提高链路带宽减小了数据的发送时延

图解:

时延带宽积

时延带宽积 = 带宽 × 传播时延

往返时间RTT(round-Trip Time)

从发送数据开始到接收到对方的确认的时间值

利用率

• 信道利用率 某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过,完全空闲的信道的利用率是零,信道利用率并非越高越好)
• 网络利用率 则是全网络的信道利用率的加权平均值

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网络中通信

网络中两种通信方式:

客户/服务器方式_C/S (Client/Server方式)

• • 定义:
    • 描述的是进程之间服务和被服务的关系
  • 客户端:
    • 通信时主动向远地服务器发起通信(主动)
    • 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统(简单)
    • 客户端程序的地址为可变的(IP不固定)
  • 服务器端:
    • 被动地等待通信请求可同时处理多个远地或本地客户的请求(被动)
    • 需要强大的硬件和高级的操作系统支持.(复杂)
    • 服务器端程序的地址为固定的(IP固定)

对等方式P2P(Peer-to-Peer方式)

• • 连接方式:
    • 两个主机都运行对等连接软件（P2P 软件）,它们就可以进行平等的,对等连接通信
  • 特点:
    • 通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方,双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档

浏览器/服务器_B/S(Browser/Server方式)

• • 说明:
    • 它是随着Internet技术的兴起，对C/S模式应用的扩展.在这种结构下，用户工作界面是通过IE浏览器来实现的
  • 客户端(也具备C/S客户端的三个特点):　　　　浏览器(一般无须任何用户程序)
  • 服务器端(也具备C/S客户端的三个特点):　　　Web服务器
  • 优点:
    • 具有分布性特点，可以随时随地进行查询、浏览等业务处理。
    • 业务扩展简单方便，通过增加网页即可增加服务器功能。
    • 维护简单方便，只需要改变网页，即可实现所有用户的同步更新。
    • 开发简单，共享性强
  • 缺点:
    • 个性化特点明显降低，无法实现具有个性化的功能要求。
    • 操作是以鼠标为最基本的操作方式，无法满足快速操作的要求。
    • 页面动态刷新，响应速度明显降低。
    • 无法实现分页显示，给数据库访问造成较大的压力。
    • 功能弱化，难以实现传统模式下的特殊功能要求。

影响网络通信的成功与否的内部因素包括:

• 消息的大小
• 消息的复杂程度
• 消息的重要程度

通信要素:

• 三个共同的要素:
  • 消息来源
  • 通道
  • 消息的目的地址
• 传达消息方法:
  • 分段 – 将通信划分为多个片段.
  • 多路复用 – 交替发送经过介质的片段

网络组成及连接:

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三种交换方式

电路交换

特点:

• • 面向连接的
  • 传送计算机数据效率低(由于计算机数据具有突发性,这导致通信线路的利用率很低)

电路交换的三个阶段:

• • 建立连接
  • 通信
  • 释放连接

电路交换的"交换"含义:

转接(把一条电话线转接到另一条电话线,使它们连通起来)

报文交换

报文特点:

• • 发送端 把数据段前面添加上首部构成报文.发送出去
  • 接收端 收到报文后剥去首部取得报文

报文首部:

• • 报文的首部都含有地址等控制信息
  • 分报文换网中的结点交换机根据收到的报文首部中地址信息,把报文转发到下一个结点交换机.直到达最终目的地

路由器处理报文的过程:

• • 把收到的报文先放入缓存（暂时存储）
  • 查找转发表,找出到某个目的地址应从哪个端口转发
  • 把报文送到适当的端口转发出去

分组交换

分组特点:

• • 发送端 把较长的报文划分成较短的,固定长度的数据段.每一个数据段前面添加上首部构成分组.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,最后还原成原来的报文

分组首部:

• • 每一个分组的首部都含有地址等控制信息
  • 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息,把分组转发到下一个结点交换机.直到达最终目的地

路由器处理分组的过程:

• • 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）
  • 查找转发表,找出到某个目的地址应从哪个端口转发
  • 把分组送到适当的端口转发出去

因特网核心部分采用分组交换的优点:

• • 高效 动态分配传输带宽,对通信链路是逐段占用
  • 灵活 以分组为传送单位和查找路由
  • 迅速 不必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

分组交换带来的问题:

• • 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

三种转发的比较

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网络分层协议模型

根据 TCP/IP协议簇的协议来命名 PDU:

• 应用层　　　　数据 一般术语　　　　泛指应用层使用的 PDU
• 传输层　　　　数据段　　　　　　　 传输层 PDU
• 网络层　　　　数据包　　　　　　　 网络层 PDU
• 链路层　　　　帧　　　　　　　　　 网络接入层 PDU
• 物理层　　　　比特(位)　　　　　　 通过介质实际传输数据时使用的 PDU

OSI 七成协议模型

• 应用层　　例如HTTP、SMTP、SNMP、FTP、Telnet、SIP、SSH、NFS、RTSP、XMPP、Whois、ENRP
• 表示层　　例如XDR、ASN.1、SMB、AFP、NCP
• 会话层　　例如ASAP、TLS、SSH、ISO 8327 / CCITT X.225、RPC、NetBIOS、ASP、Winsock、BSD sockets
• 传输层　　例如TCP、UDP、RTP、SCTP、SPX、ATP、IL
• 网络层　　例如IP、ICMP、IGMP、IPX、BGP、OSPF、RIP、IGRP、EIGRP、ARP、RARP、X.25
• 数据链路层例如以太网、令牌环、HDLC、帧中继、ISDN、ATM、IEEE 802.11、FDDI、PPP
• 物理层　　例如线路、无线电、光纤

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

相关概念:

• 实体(entity) 　　任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
• 协议 　　　　　　控制两个对等实体进行通信的规则的集合( 协议是"水平的",是控制对等实体之间通信的规则.下面的协议对上面的服务用户是透明的 )
• 服务服务是"垂直的",是由下层向上层或上层向下层通过层间接口提供的

协议模型:

包装数据包的过程

TCP 传给 IP 的数据单元称作 TCP 报文段或简称为 TCP段(TCP segment) ，传给网络接口层的数据单元称作 IP 数据报(IP datagram).通过以太网传输的比特流称作帧(Frame)

分用即解包的过程

不同层直接协议关系

不同的BSD版及其重要的TCP-IP特性