1.1 计算机网络概述

计算机网络的概念

​ 计算机网路是一个将众多分散的、自洽的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，有功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

​ 计算机网络(简称 网络)：由若干结点和链接这些结点的链路(link)组成。结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等。

​ 把两个或多个计算机网络互相连接起来，形成规模更大的计算机网络，也可称“互连网“。

​ 互联网(因特网)指当前全球最大的、开放的、由众多网络和路由器互连而成的特定计算机网络，它采用了TCP/IP协议族作为通信规则。

注意：家用路由器往往是路由器+交换机+其他功能

计算机网络的组成

​ 从组成部分看，计算机网络主要由硬件、软件、协议三大部分组成。

​ 从工作方式看，计算机网络(这里主要指Internet，互联网) 可分为边缘部分和核心部分。边缘部分由互联网上的供用户直接使用的主机组成，用来进行通信和资源共享;核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务。

​ 从功能组成上看，计算机网路由通信子网和资源子网组成。

计算机网络的功能

• 数据通信
• 资源共享
  • 软件共享、数据共享或硬件共享
• 分布式处理
  • 将复杂任务分配给网络中的多台计算机处理
• 提高可靠性
  • 网络中的各台计算机可通过网络互为替代机
• 负载均衡
  • 将工作任务均衡地分配给网络中的各台计算机

电路交换、报文交换、分组交换

​ 交换：按照某种方式动态地分配传输线路的资源

​ 电路交换(Circuit Switching): 通过物理线路的连接，动态地分配传输路线的资源。

过程：

• 建立连接(尝试占用通信资源)
• 数据传输(一直占用通信资源)
• 释放连接

报文交换: 数据交换的单位是报文,用户数据加上源地址、目的地址等信息后，后封装成报文(message)。报文交换采用存储转发技术，整个报文先传送到相邻的结点，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点，如此重复，直至到达目的结点。每个报文都可单独选择到达目的结点的路径。

优点：

• 无需建立链接
• 动态分配线路
• 线路可靠性高
• 线路利用率高
• 提供多目标服务

缺点：

• 转发时延高
• 缓存开销大
• 错误处理低效

分组交换技术

​ 分组交换也采用存储转发技术，但解决了报文过长的问题。源结点在发送前，先把较长的报文划分为若干较小的等长数组端，每个数据段前添加一些由必要控制信息组成的首部，构成 分组（Package）

优点

• 无建立时延
• 线路利用率高
• 简化了存储管理（相对于报文交换）
• 加速传输
• 减小了出错概率和重发数据量

缺点

• 存在存储转发时延
• 需要传输额外的数据量
• 当分组交换网采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组的情况。

计算机网络的分类

按分布范围分类

注意：如今局域网几乎都是采用“以太网技术”实现，因此“以太网”几乎成了“局域网”的代名词。

按传输技术分类

• 广播式网络

​ 一台计算机发送数据分组时，广播范围内所有计算机都会收到该分组，并通过检查分组的目的地址决定是否接收

• 点对点网络

​ 数据只会从发送方”点对点“发到接收方，精准送达。

按拓扑结构分类

• 总线型——数据在总线上传输，存在”总线争用“问题
• 环形结构——通过“令牌”解决总线问题
• 星形结构——由中央设备实现数据的点对点传输
• 网状结构——点对点传输，灵活、可靠性高

按使用者分类

• 公用网

• 专用网

计算机网络的性能指标

信道(Channel) 表示某一方向传送信息的通道，但并非通信线路。

• 速率，单位有Mbps，MB/S等

• 带宽，某信道所能传送的最高数据率

• 吞吐量，指单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际数据量 ，受带宽、复杂的网络负载情况影响。

• 时延，数据从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。

  • 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
  • 发送时延(传输时延)，节点将数据推向信道所化的时间。
  • 传播时延，电磁波在信道中传播一定距离所花的时间。
  • 处理时延，被路由器处理所花的时间。
  • 排队时延，数据排队进入，排队发出过程中路由器所花的时间。

• 时延带宽积，传播时延 \(\times\) 带宽，一条链路中，已从发送端发出但尚未到达接收端的最大比特数。

• 往返时延(RTT)：表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。

• 信道利用率: 某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的。(太低浪费资源，太高容易网络拥塞)

  • \(\frac{有数据通过的时间}{有数据通过的时间+没有数据通过的时间}\)

1.2 计算机网络体系结构与参考模型

计算机网络分层结构

实体：在计算机网络的分层结构中，第 n 层中的活动元素（软件+硬件）通常称为第 n 层实体。不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体。

协议：即网络协议，是控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的。

接口：同一节点内相邻两层的实体的逻辑接口，又称为服务访问点。

服务：指下层为紧邻的上层提供的功能调用，它是垂直的。

YSCS协议（压缩传输协议）

首部指明压缩算法，根据首部信息解压数据。

协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位。第 n 层的 PDU 记为 n-PDU

服务数据单元：为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据。第 n 层的 SDU 记为 n-SDU

协议控制信息：控制协议操作的信息。第 n 层的 PCL 记为 n-PCL

三层的关系为： \(n-SDU + n-PCL= n-PDU = (n-1)-SDU\)

协议三要素

• 语法：数据与控制信息的格式
• 语义：即需要发出何种控制信息、完成何种动作及作出何种应答。
• 同步(时序)：执行各种操作的条件、时许关系等。

OSI参考模型

• 应用层：实现特定的网络应用
• 表示层：解决不同主机信息表示不一致的问题
• 会话层：管理进程间会话
• 传输层：实现端到端通信
  • 复用和分用
  • 其他功能：差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理
• 网络层：把分组从源节点转发到目的节点
  • 路由选择
  • 分组转发
  • 拥塞控制
  • 网际互连
  • 其他功能：差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理
• 数据链路层：确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错。
  • 差错控制
  • 流量控制
• 物理层：实现相邻节点之间比特的传输

​ 主机实现所有层功能，集线器实现物理层，交换机实现了物理层和数据链路层，路由器在交换机基础上还实现了网络层。

​ 可把物理传输媒体看作第0层

TCP/IP模型

理念：如果某些应用需要数据格式转换、会话管理的功能，就交给应用层的特定协议去实现。

• 应用层
• 传输层
• 网络层：去除了差错控制、流量控制和可靠传输管理，这些交给传输层。这使得网络核心部分功能简单、负载更低。
• 网络接口层：相当于OSI中的链路层和物理层。实现相邻节点间的数据传输，但具体怎么传输不作规定。