1.1计算机网络概述

1.1计算机网络概述

1.1.1计算机网络概念

计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递功能。简而言之，计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合。

1.1.2计算机网络的组成

• 从工作方式上划分：边缘部分+核心部分

边缘部分：由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成，用来进行通信和资源共享。

核心部分：大量的网络和连接网络的路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换服务。

• 从组成部分上划分：硬件、软件、协议

硬件主要由主机、通信链路（双绞线、光纤）、交换设备（路由器、交换机）和通信处理机（网卡）组成。

• 功能组成上看：通信子网+资源子网

1. 通信子网：各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力实现联网计算机之间的数据通信。
2. 资源子网：实现资源共享功能的设备及其软件的集合，向网络用户提供计算机上的硬件资源、软件资源、数据资源。

1.1.3 网络的功能

• 数据通信
• 资源共享
• 分布式处理
• 提高可靠性
• 负载均衡

1.1.4计算机网络的分类

• 按分布范围分类

1. 广域网（WAN）：覆盖范围几十千米~几千千米，是因特网的核心部分。链接广域网的各节点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。
2. 城域网（MAN）覆盖范围5~50km，可以跨越几个街区甚至整个城市。城域网大多采用以太网技术因此有时也常并入局域网讨论范围。
3. 局域网（LAN）覆盖范围几十米~几千米。传统上局域网使用广播技术，而广域网使用交换技术。
4. 个人区域网（PAN）覆盖区域直径10m

注意：若中央处理器之间距离非常近（如1m甚至更小），则一般称为多处理系统，而不成为计算机网络。

• 按传输技术分类

1. 广播式网络：所有联网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，其他计算机都会“收听”这个分组。接收到该分组的计算机将将通过检查目的地址来决定是否接收该分组。

​ 局域网基本都采用广播式通信技术，广域网中的无线、卫星通信网络也 采用分组技术。

2. 点对点网络：每条物理链路连接一对计算机。若通信的两台主机之间没有直接连接的线路，则它们之间的分组传输就要通过中间节点进行接收、存储和转发，直至目的结点。

注意：是否采用分组存储转发与路由选择机制是点对点式网络与广播式网络的重要区别，广域网基本都属于点对点网络。

• 按拓扑结构分类

网络拓扑结构是指由网络中结点（路由器、主机等）与通信线路（网络）之间的几何关系（总线形、环形）表示的网络结构，主要指通信子网的拓扑结构。

按照网络的拓扑结构，分为总线形、星形、环形和网状网络

1. 总线形网络：单根传输线把计算机连接起来。优点是建立网络容易、增、减结点方便、节省线路。缺点是重负载时通信效率不高，总线任意一处对故障敏感。
2. 星形网络：每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连。中央设备早期是计算机，现在一般是交换机或路由器。优点是便于集中控制和管理，因为端用户之间的通信必须经过中央设备。缺点是成本高、中心设备对故障敏感。
3. 环形设备：所有计算机接口设备连接成一个环。环形网络最典型的例子是令牌环局域网。环可以是单环，可以是双环，换种信号是单向传输的。
4. 网状网络：一般情况下，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。其有规则型和非规则型两种。其优点是可靠性高，缺点是控制复杂，线路成本高。

• 按交换技术分类

交换技术是指个各主机之间、各通信设备之间或者主机与通信设备之间为交换信息所采用的数据格式和交换装置的方式。按交换技术可将网络分为如下几种。

1. 电路交换网络：在源结点和目的节点之间建立一条专用的通路用于传送数据，包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。最典型的电路交换网是传统电话网络。

   该网络的主要特点：整个报文的比特流连续从源点直达终点。

   优点：数据直接传输，时延小。

   缺点：线路利用率低，不能充分利用线路容量、不便于进行查错控制。

2. 报文交换网络：用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息，然后封装成报文。整个报文传送到相邻节点，全波存储后，在转发给下一个节点，重复这一过程直到到达目的结点。每个报文可以单独选择到达目的节点的路径。

​ 主要特点：珍格格报文先传送到相邻节点，全部存储后查找转 发表，转发到下一节点

​ 优点：可以较为充分的利用线路容量，可以实现不同链路之间不同数据传输速率的转换，可以实现一对多、多对一的访问，可以实现差错控制，

​ 缺点：增大了资源开销（如辅助信息导致处理时间和存储资源的开销），增加了缓冲时延，需要额外的控制机制来保证多个报文的顺序不乱序，缓冲区难以管理（报文大小不确定，接收方在接受到报文之前不能预知报文的大小）

3. 分组交换网络：也成包交换网络，其原理是，将数据额分成较短的固定长度的数据块，在每个数据块中加入目的地址、源地址等辅助信息组成分组（包），以存储-转发方式传输。

   其主要特点：是单个分组（只是报文的一部分）传送到相邻节点，存储后查找转发表，转发到下一节点。

   除具有报文交换网络的优点外，分组交换网络还具有自身的优点：缓冲易于管理；包的平均时延更小，网络张勇的缓冲区更少；更易于标准化，更适应应用。现在主流网络基本上都可以视为分组交换网络。

• 按使用者分类

1. 公用网（Public Network）

   指电信公司出资建造的大型网络

2. 专用网络（Private Network）

   指某个部门为满足单位特殊业务的需要而建造的网络。

• 按传输介质分类

  可以分为有线和无线两大类。

  有线网络：双绞线网络、同轴电缆网络

  无线网络：蓝牙、微波、无线电

1.1.6计算机网络的性能指标

1. 带宽（Bandwidth）：本来表示通信线路允许通过的信号频带范围，单位赫兹（Hz）。而在计算机网络中，带宽表示网络的通信线路所能传输数据的能力，是数字信道所能传送的“最高传输速率”的同义语，单位是比特/秒（b/s）。
2. 时延（Delay）。指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要的总时间，有四部分构成：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延。

• 发送时延：结点将所有比特推向（传输）链路所需要的时间，即从发送分组的是一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间，因此也叫传输时延

  发送时延=分组长度/信道宽度

• 传播时延：电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间，即一个比特从链路的一端传播到另一端的时间

  传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率

  总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+传输时延

注意：做题时，排队时延和处理时延可以忽略不计，另外对于高速链路，提高的仅仅是数据发送速率而非比特在链路上的传播速率，减少发送时延

3. 时延带宽积。指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特，因此又称以比特为单位的链路长度，即时延带宽积=传播时延×信道宽度

4. 往返时延（Round-Trip Time，RTT）：指发送端发送方数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即确认），总共经历的时延。在互联网中，往返时延还包括各中间节点的处理时延、排队时延即转发数据时的发送时延。

5. 吞吐量（Troughput）。指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量受网络带宽或网络额定速率的限制。

6. 速率（Speed）网络中的速率是指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据率或者比特率，单位为b/s（比特/秒）（或者bit/s，有时写成bps）。数据率较高时，可用kb/s、Mb/s或Gb/s

   在计算机网络中，通常把最高数据传输率称为带宽。

7. 信道利用率。指出某一信道有百分之多少的时间有数据通过的，即信道利用率=有数据通过时间/(有+无)数据通过时间。