【计算机网络】——概述（图文并茂）

一.信息时代的计算机网络

二.互联网概述

1.网络，互连网，互联网（因特网）

1.网络

• 网络（计算机网络）：由若干节点和连接这些节点的链路组成。网络中的节点可以是计算机，集线器，交换机或路由器等。

这里利用一朵云表示一个网络

2.互连网

• 互连网：有多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。称为互连网，也叫网络的网络。

注意：

1. 与网络相连的计算机称为主机。
2. 路由器是用于网络互连的专用设备，一般不称为主机。

3.互联网（因特网）

总结：

1. 若干节点和链路互连形成网络。
2. 若干网络通过路由器互连形成互连网。
3. 互联网（因特网）是当今世界上最大的互连网。
4. 我们有时并没有严格区分互联网和因特网这两个名词，许多人口中的互联网实际上是指因特网。
   

2.互联网简介

1.互联网发展的三个阶段

2.互联网服务提供者（ISP）

因联网已经发展成为基于ISP的多层次结构的互连网络。

3.互联网的组成

1. 边缘部分：由连接在因特网上的台式电脑，服务器，笔记本电脑，平板电脑等用户设备构成，这些用户设备通常称为主机，由用户直接使用，为用户直接提供各式各样的网络应用。
2. 核心部分：由大量异构网络和连接这些网络的路由器构成，因特网的核心部分为边缘部分提供通信和数据交换等服务。在网络核心部分起特殊作用的是路由器。
   

三.计算机网络交换方式

交换：按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

1.电路交换

• 电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。

1. 当使用电路交换来传送计算机数据时，会一直占用通信资源，其线路的传输效率往往很低。
2. 这是因为计算机之间的数据传送是突发式的，当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率一般都会很低，线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%。
3. 交换机的作用：主要是负责建立和拆除端到端的物理连接，以确保数据在发送者和接收者之间的可靠传输。

2.分组交换

• 分组交换：单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。

分组交换步骤：

1. 采用存储转发技术。通常我们把要发送的整块数据称为一个报文。在发送报文之前，先把较长的报文划分为一个个更小的等长数据段。在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个个分组。
2. 分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”，分组是在互联网中传送的数据单元。
3. 分组中的“首部”是非常重要的，正是由于分组的首部包含了目的地址和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径，并被正确地交付到分组传输的终点。
4. 路由器（交换节点）则用来存储转发分组，即进行分组交换。路由器收到一个分组，先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器。这样一步一步地把分组交付最终的目的主机。
5. 去掉分组的首部，将各个分组还原出原始报文。

优点：

1. 没有建立连接和释放连接的过程。
2. 分组传输过程中逐段占用通信链路，有较高的通信线路利用率。
3. 交换节点可以为每一个分组独立选择转发路由，使得网络有很好的生存性。

缺点：

1. 分组首部带来了额外的传输开销。
2. 交换节点存储转发分组会造成一定的时延。
3. 无法确保通信时端到端通信资源全部可用，在通信量较大时可能造成网络拥塞。
4. 分组可能会出现失序和丢失等问题。

3.报文交换

• 报文交换：整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。

1. 报文交换是分组交换的前身。
2. 在报文交换中， 报文被整个地发送，而不是拆分成若干个分组进行发送。
3. 交换节点将报文整体接收完成后才能查找转发表，将整个报文转发到下一个节点。
4. 报文交换比分组交换带来的转发时延要长很多，需要交换节点具有的缓存空间也大很多。

4.三种交换方式的对比

1. 若要连续传送大量的数据，并且数据传送时间远大于建立连接的时间，则使用电路交换可以有较高的传输效率。然而计算机的数据传送往往是突发式的，采用电路交换时通信线路的利用率会很低。
2. 报文交换和分组交换都不需要建立连接（即预先分配通信资源），在传送计算机的突发数据时可以提高通信线路的利用率。
3. 将报文构造成若干个更小的分组进行分组交换，比将整个报文进行报文交换的时延要小，并且还可以避免太长的报文长时间占用链路，有利于差错控制，同时具有更好的灵活性。

四.计算机网络的类别

1.计算机网络的定义

2.计算机网络的分类

1.交换方式

• 电路交换，分组交换，报文交换
  

2.使用者

• 公用网，专用网
  

3.传输介质

• 无线网络，有线网络
  

4.覆盖范围

• 广域网，城域网，局域网，个域网
  

5.拓扑结构

• 总线型，星型，环型，网状型

总线型网络：使用单根传输线把计算机连接起来。

1. 优点：建网容易，增减节点方便，节省线路。
2. 缺点：超负载时通信效率不高，总线任意一处出现故障，则全网瘫痪。
   

星型网络：每个计算机都以单独的线路与中央设备相连，中央设备是交换机或路由器。

1. 优点：便于网络的集中控制和管理。
2. 缺点：成本高，中央设备对故障敏感。
   
   环型网络：所有计算机的网络接口都连接成一个环，可以是单环，也可以是双环，环中信号是单向传输的。

网状型网络：每个节点至少有两条路径与其他节点相连，多用在广域网中。

1. 优点：可靠性高。
2. 缺点：控制复杂，线路成本高。
   

五.计算机网络的性能指标

• 计算机网络的性能指标被用来从不同方面度量计算机网络的性能。
• 常用的八个计算机网络性能指标如下：
  

1. 速率

1. 比特（bit，记为小写b）是计算机中数据量的基本单位，一个比特就是二进制数字中的一个1或0。
2. 数据量的常用单位有字节（byte，记为大写B）、千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）以及太字节（TB）。

1. 速率是指数据的传送速率（即每秒传送多少个比特），也称为数据率或比特率。
2. 速率的基本单位是比特/秒（bit/s，可简记为b/s，有时也记为bps，即bit per second)。速率的常用单位有干比特/秒（kb/s或kbps）、兆比特/秒（Mb/s或Mbps）、吉比特/秒（Gb/s或Gbps）以及太比特/秒(Tb/s或Tbps）。

例题：

2.带宽

3.吞吐量

1. 吞吐量是指在单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量。吞吐量常被用于对实际网络的测量以便获知到底有多少数据量通过了网络,
2. 吞吐量受网络带宽的限制。
   

4.时延

1. 发送时延：是主机或路由器发送数据帧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。

2. 传播时延：是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

3. 排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。

4. 处理时延：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找转发表等，这就产生了处理时延。

• 我们知道使用光纤作为传输介质，非常快，但是这并不是因为光在光纤中的传播速率快，实际上光在光纤中的传播速率还略低于电磁波在铜线中的传播速率。
• 光纤网络速度快的根本原因在于，光纤的带宽大，也就是所能承载的最高数据传送速率很大，单位时间内可以传送更多的比特。
  

那发送时延和传播时延哪个占据主导地位呢？这是具体问题具体分析，二者都有可能！

5.时延带宽积

• 时延带宽积：传播时延和带宽的乘积。
  

6.往返时间

• 往返时间：是指从发送端发送数据分组开始，到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止，总共耗费的时间。
  

7.利用率

1. 链路利用率是指某条链路有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过），完全空闲的链路的利用率为零。
2. 网络利用率是指网络中所有链路的链路利用率的加权平均。
3. 根据排队论可知，当某链路的利用率增大时，该链路引起的时延就会迅速增加。
4. 当网络的通信量较少时，产生的时延并不大，但在网络通信量不断增大时，分组在交换节点(路由器或交换机）中的排队时延会随之增大，因此网络引起的时延就会增大。
5. 令Do,表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，那么在理想的假定条件下，可用下式来
   表示D、Do和网络利用率U之间的关系。

8.丢包率

• 丢包率：在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
• 分为：接口丢包率，节点丢包率，链路丢包率，路径丢包率，网络丢包率。
  

分组丢失主要有以下两种情况：

• 分组在传输过程中出现误码，被传输路径中的节点交换机（例如路由器）或目的主机检测出误码而丢弃。
• 节点交换机根据丢弃策略主动丢弃分组。

丢包率可以反映网络的拥塞情况：

• 无拥塞时路径丢包率为0。
• 轻度拥塞时路径丢包率为1%~4%。
• 严重拥塞时路径丢包率为5%~15%。

六.计算机网络体系结构

1.三种常见的计算机网络体系结构

1.OSI参考模型

2.TCP/IP参考模型

TCP/IP的网络接口层并没有什么具体内容，目的是可以互连全世界各种不同的网络接口。

1. 以太网：使用有线连接，通过网线（如CAT5e或CAT6）将设备连接到交换机或集线器。
2. Wi-Fi：使用无线连接，通过无线路由器和接入点（AP）在设备之间传输数据，不需要物理网线连接。
3. 其他接口。

3.五层协议的体系结构

2.计算机网络体系结构分层的必要性

• 计算机网络是个非常复杂的系统，“分层”可将庞大复杂的问题转化为若干较小的局部问题。

1.物理层

2.数据链路层

像这种总线型的网络早已淘汰，现在常用的是以太网交换机：将多台主机互连而成以太网交换机。如图：

3.网络层

4.运输层

5.应用层

总结：

• 分模块一个个实现：高内聚低耦合。

3.计算机网络体系结构分层思想举例

例题：

4.计算机网络体系结构的专用术语

• 实体，协议，服务。
  

1.实体

• 实体是指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
• 对等实体是指通信双方相同层次中的实体。
  

2.协议

• 协议是控制两个对等实体在 “水平方向” 进行 “逻辑通信” 的规则的集合。
• 将两个对等实体间的通信称为 “逻辑通信” ，是因为这种通信其实并不存在，只是假设出来的一种通信，目的是方便单独研究网络体系结构中的某一层，而不用考虑其它层。
  
  协议三要素：语法，语义，同步。

1.语法

• 语法：定义所交换信息的格式。

例如：IPv4数据报的首部格式

• 冷知识：利用结构体的位段实现该格式。

2.语义

• 定义通信双方所要完成的操作。
  

3.同步

• 定义通信双方的时序关系。

在本例中必须由主机首先发送HTTP的GET请求报文给Web服务器，Web服务器收到主机发来的GET请求报文后，才可能给主机发送相应的HTTP响应报文。

3.服务

1. 在协议的控制下，两个对等实体在水平方向的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务。
2. 要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。
3. 协议是 “水平” 的，而服务是 “垂直” 的。
4. 实体看得见下层提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。下层的协议对上层的实体是 “透明” 的。
5. 在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点SAP，它被用于区分不同的服务类型.
6. 帧的“类型”字段、IP数据报的“协议”字段，TCP报文段或UDP用户数据报的“端口号”字段都是SAP。
7. 上层要使用下层所提供的服务，必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。
   
8. 对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。
9. 同一系统内层与层之间交换的数据包称为服务数据单元（Service Data Unit，SDU)。
   

这篇博客是初识计算机网络的知识，其实真实的要复杂的多。
日后还会系统地更新物理层，数据链路层。网络层，运输层，应用层。
创作不易，如果能帮到你的话能赏个三连吗？感谢啦！！！