计算机网络原理 一.概述 Felix

基本概念

• 计算机网络：计算机网络是是互联的，自治的计算集合。
  • 互联：指利用通讯链路连接相互独立的计算机系统。
  • 自治：指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关系。
• 协议：网络通信实体之间在数据交换数据的过程中所需要遵循的规则或约定，主要包括语法，语义，时序三个基本要素。常见的协议有HTTP,TCP,ARP,IP等。
  • 语法：定义实体间交换信息的格式与结构，或者定义实体之间传输信号的电平等。
  • 语义：定义实体间交换信息需要发送/包含哪些控制信息，这些信息的具体含义，以及针对不同含义的控制信息，接收信息端如何响应。
  • 时序：也称同步，定义实体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（核心：资源共享）
  • 硬件资源共享（云计算）
  • 软件资源共享（SaaS）
  • 信息资源共享
• 计算机网络分类
  • 按覆盖范围
    • 个域网（1-10m）
    • 局域网（10m-1km）
    • 城域网（5km-50km）
    • 广域网
  • 按拓扑结构：网络中的主机，网络设备间的物理连接关系与布局。
    • 星形拓扑结构
      
      • 优点：易于监控与管理，故障诊断与隔离容易。
      • 缺点：中央节点是网络瓶颈，一旦故障，全网瘫痪，网络规模受限于中央节点的端口数量。
    • 总线型拓扑结构
      
      • 优点：结构简单，所所需电缆数量少，易于拓展。
      • 缺点：通讯范围受限，故障诊断与隔离较为困难，容易产生冲突。
    • 环形拓扑结构
      
      • 优点：所需电缆长度短，可以使用光纤，易于避免冲突。
      • 缺点：某节点故障容易引起全网瘫痪，新节点的加入或撤出比较麻烦，存在等待时间的问题。
    • 网状拓扑结构
      
      • 优点：网络可靠性高，一条或多条链路故障时，网络仍然可用。
      • 缺点：网络结构复杂，造价成本高，选路协议复杂。
    • 树形拓扑结构
      
      • 优点：易于拓展，故障隔离容易。
      • 缺点：对根节点的可靠性要求高，一旦根节点故障，可能导致网络大范围无法通信。
    • 混合拓扑结构
      
      • 优点：易于拓展，可以构建不同规模的网络，并可根据需要优选网络结构。
      • 缺点：网络结构复杂，管理与维护复杂。
  • 按交换方式
    • 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
    • 公用网
    • 私有网

计算机网络结构

• 网络边缘：连接到网络上所有的端系统
• 接入网络：接入网络是实现网络边缘的端系统和网络核心的连接与接入的网络，常见的接入网络包括以下几种
  • 电话拨号
  • 非对称用户数字线ADSL
  • 混合光纤同轴电缆HFC
  • 局域网
  • 移动接入网络
• 网络核心：由通信链路互联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转发与中继。

数据交换技术

• 数据交换是实现大规模网络核心上进行数据交换的技术基础，交换的节点和传输介质的集合称为通信子网，即网络核心。常见的数据交换技术包括电路交换（circuit switching），报文交换（message switching）和分组交换（packet switching）。
  • 电路交换：需要中间交换节点为两台主机之间建立一条专用通信线路，称为线路，然后利用改电路进行通信，通讯结束后再拆除电路。
    
    1. 建立电路
    2. 传输数据
    3. 拆除电路
    • 优点： 实时性高，时延和抖动小
    • 缺点： 对于突发性数据传输，信道利用率低，且传输速率单一。
  • 报文交换：以报文为单位在交换网络各节点之间以"储存-转发"的方式传送。
    
    • 特点：
      1. 不需要建立连接
      2. 只有报文转发时才占用相应的信道
      3. 交换节点需要缓冲存储，报文需要排队，增加了延时。
  • 分组交换：将一个完整的报文拆分为若干个分组，分组传输的过程通常也采用"储存-转发的"交换方式
    
    • 优点
      1. 交换设备存储容量要求低
      2. 交换速度快
      3. 可靠传输效率高
      4. 更加公平

计算机网络性能：

• 速率：速率指网络单位时间传送的数据量。基本单位为bit/s（位每秒）。
• 带宽：原指信号具有的频带宽度，即信号成分的最高频率与最低频率之差，单位为Hz（赫兹）。
• 时延：数据从网络中的一个节点到达另一节点所需要的时间。连接两个节点的直接链路称为"跳步"，简称"跳"。分组每跳传输过程中主要产生以下四类时间延迟。
  1. 节点处理时延：节点检验分组是否有差错，修改分组控制信息，确定转发目的等操作消耗时间总和。
  2. 排队时延：分组到达交换节点，排队等待输出链路可用时间。
  3. 传输时延：一个分组在输出链路发送时，从发送完第一位到发送完最后以为为止，所用的时间。
     • 传输时延dt = 分组长度L / 链路带宽R
  4. 传播时延：信号从发送端发送出来，经过一定距离的物理链路到达接收端所需时间。
     • 传播时间dp = 物理链路长度D / 信号传播速度V
  5. 时延带宽积：一段物理链路的传播时延与链路带宽的乘积称为时延带宽积，记作G
     • 时延带宽积G = 传播时延dp * 链路带宽Rt
  6. 丢包率：评价和衡量网络性能的指标，很大程度上反应网络的拥塞程度。
     • 丢包率 = 丢失的分组总数 / 发送的分组总数
  7. 吞吐量：单位时间内源主机通过网络向目的主机实际发送的数据量，用于度量网络实际数据传送能力。

计算机网络体系结构

• 计算机体系结构：计算机网络所划分层次及各层协议的集合称为计算机网络体系结构。
• OSI参考模型
  
  1. 物理层：主要功能是在传输介质上实现无结构的比特流传输。
  2. 数据链路层：主要功能是实现在相邻节点之间的数据可靠而有效的传输。（以帧为单位的数据块传输方式）
  3. 网络层：解决的核心问题是如何将分组通过交换网络传送至目的主机，主要功能是数据转发与路由。
  4. 传输层：第一个端到端的层次，也是进程到进程的层次。
  5. 会话层：用户与用户连接，建立会话时核实双方身份，进程间会话管理与控制。
  6. 应用层：处理应用实体间交换语法，解决格式和数据表示的差别。
  7. 表示层：给用户提供网络应用接口。
• TCP/IP参考模型
  
  1. 应用层：对应OSI参考模型的会话层，应用层，表示层。
  2. 传输层：对应OSI参考模型的传输层。主要解决端到端的可靠传输问题，TCP/IP参考模型主要提供面向连接，提供可靠数据流传输的TCP传输控制协议和无连接，提供不可靠数据传输的UDP用户数据报协议。
  3. 网络互联层：对应OSI参考模型的网络层。整个TCP/IP参考模型的核心。主要解决把数据分组法网目的网络或主机的过程。
  4. 网络接口层：对应OSI参考模型的物理层和数据链路层。网络层的Ip分组被封装到底层网络的链路层数据帧中，最终以比特流的形式在物理介质上传输。
• 五层参考模型
  

计算机网络发与因特网展简史

• APRAnet：第一个分组交换的计算机网络