[网络协议]计算机网络学习笔记(一)：第一章概述

计算机网络

概述

网络，互联网，因特网概念

网络： 由若干结点和连接这些结点的链路组成

互联网：将多个网络通过路由器互联起来，构成一个覆盖范围更大的网络

因特网：世界上最大的互连网络(用户数以亿计，互连的网络数以百万计)

名词区分

ISP（因特网服务提供者）

简介

? 普通用户通过ISP接入因特网，ISP可以从因特网中申请IP地址，同时获得通信线路以及互联网等联网设备。

? 机构和个人向ISP缴纳规定费用，就可以获得IP地址，通过该ISP接入因特网

? 国内三大ISP ： 中国电信，中国联通，中国移动

基于ISP的三层结构的因特网

因特网的组成

• 边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成，由用户直接使用的，用来进行通信(传输数据，音频或视频)和资源共享
• 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务(提供连通性和交换)

三种交换方式

电路交换

**简介：**电话交换机接通电话线的方式称为电路交换

最初两部电话通过一根电线连接，但当电话过多的时候，电话与电话之间两两相接是不现实的。

可以看到这样实现每个电话都两两相接需要很多电线才能实现，而且网络复杂的时候合理的布线也是一个困扰

所以为了方便一部电话与另一部电话进行通信，利用中间设备电话交换机将每部电话连接起来

从资源分配的角度来看，交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源

电路交换示意图

用户线是电话与电话交换机之间，电话用户独享的，而交换机之间的中继线是由大量用户共享的。

电话交换的三个步骤

1. 建立连接(分配通信资源)
2. 通话(一直占用通信资源)
3. 释放连接(归还通信资源)

注意🐤

可以使用电话交换来传输计算机数据，但是线路的传输效率往往很低

计算机的数据是突发式的出现在线路上的，当用户使用计算机操作文件时，用户占用的线路暂未被利用，该通信资源也不能被其他用户利用，白白浪费了通信资源

计算机网络通常采用分组交换

分组交换

因特网中最重要的分组交换机就是路由器，负责将各种网络连接起来，并负责数据的转发

互联网中的主机之间进行通信，首先将消息(报文)切割成一个个等长的数据段，加上一些由必要的控制信息组成的首部后构成一个分组(包)，首部也可以称为包头。

分组交换中各角色的任务：

发送方：构造分组 发送分组

路由器：缓存分组 转发分组

接收方：接收分组 还原报文

分组交换示意图

小贴士🖌

为什么要加首部？

既然是在网络中传输那么我们需要知道目的地址，所以首部中包含的分组的目的地址

报文交换

报文交换现在较少使用。。。。，被高效的分组交换所替代

三种交换方式的对比：

电路交换

优点：

1. 通信时延小
2. 有序传输
3. 没有冲突
4. 使用范围广
5. 实时性强
6. 控制简单

缺点：

1. 建立连接时间长
2. 线路独占，使用效率低
3. 灵活性差
4. 难以规格化(数据直达，不同类型，不同规格，不同速率的终端很难互相进行通信 ，难以在通信过程中进行差错检测)

报文传输

优点：

1. 无需建立连接
2. 动态分配线路
3. 提高线路可靠性
4. 提高了线路利用率
5. 提供了多目标服务

缺点：

1. 引发了转发时延
2. 需要较大存储缓存空间
3. 需要传输额外的信息量

分组交换

优点：

1. 无需建立连接
2. 线路利用率搞
3. 简化了存储管理
4. 加速传输
5. 减少出错概率和重发数据量

缺点：

1. 引发了转发时延
2. 需要传输额外的信息量
3. 对于数据报服务存在失序，丢失或重复分组的问题，对于虚电路服务存在呼叫简历，数据传输和虚电路释放三个过程

计算机网络的定义和分类

计算机网络：一些互相连接，自治的计算机的集合(互连，自治，集合)

• 互连：是指计算机之间通过有线或无线的方式进行数据通信
• 自治：是指独立的计算机，它有自己的软件和硬件，可以单独运行使用
• 集合：至少需要两台计算机

定义：计算机网络主要是由一些通用的，可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的(如传送数据或视频信号)。这些可编程的硬件能够用来传送不同类型的数据，并能支持广泛和日益增长的应用

分类

按照交换技术分类

• 电报交换网络
• 报文交换网络
• 分组交换网络

按使用者分类

• 公用网
• 专用网

按传输介质分类

• 有线网络
• 无线网络

按覆盖范围分类

• 广域网WAN
• 城域网MAN
• 局域网LAN
• 个人网PAN

按拓扑结构分类

• 总线型网络
• 星型网络
• 环型网络
• 网状型网络

计算机网络的性能指标

性能指标可以从不同的方面来度量计算机网络的性能

常用的计算机网络的性能指标有八个

速率 贷款 吞吐量 时延 时延带宽积 往返时间 利用率 丢包率

速率

bit ：计算机中数据量的单位，一个bit就是二进制数字中的一个1或0

常用的数据量单位

8 bit = 1 Byte

KB = 2^10B

MB = K * KB = 2^20B

GB = 2^30B

TB = 2^40B

速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称比特率或数据率

常用的速率单位

bit/s(b/s,bps)

kb/s = 10^3 b/s(bps)

Mb/s = k * kb/s = 10^3 * 10^3 b/s = 10^6 b/s(bps)

Gb/s = k * Mb/s = 10^9 b/s(bps)

Tb/s = k * Gb/s = 10^3 * 10^9 = 10^12 b/s(bps)

带宽

在模拟信号系统中的意义

• 信号所包含的不同频率成分所占据的频率范围
• 单位： Hz(kHz,MHz,GHz)

在计算机网络中的意义

• 用来标识通信线路能传送数据的能力。网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点能通过的最高数据率
• 单位： b/s（kb/s,Mb/s,Gb/s,Tb/s）

吞吐量

• 吞吐量表示在单位时间通过某个网络(或信道，接口)的数据量

• 受网络的带宽和额定速率的限制

时延

网络时延：

发送方：发送时延(分组长度(b) / 发送速率(bps))

信道上：传播时延（信道长度 (m) / 电磁波传播速率(m/s)）

路由器：处理时延 (不方便计算)

发送时延和传播时延在网络时延中谁站主导，需要根据具体情况。

时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

• 若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特
• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

往返时间

• 多数情况下因特网上的信息不仅仅是单方向传播，而是双向交互
• 往返时间RTT

利用率

信道利用率：

用来标识某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)

网络利用率：

全网络的信道利用率的加权平均

• 根据排队论，当某信道的利用率增大时，该信道引用的实验也会迅速增加

• 信道利用率并非越高越好

  

丢包率

• 丢包率： 分组丢失率，是指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。

• 丢包率具体可分为接口丢包率，结点丢包率，链路丢包率，路径丢包率，网络丢包率等

分组丢失主要的两种情况：

• 分组在传输过程中出现误码，被结点丢失

• 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃；

  在通信量较大时就可能造成网络拥塞

丢包率反映了网络的拥塞情况

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

常见的计算机网络体系结构

TCP/IP网络体系结构：

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”可将庞大而复杂的问题转化为较小的局部问题，这些娇小的局部问题就比较易于研究和处理

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