跳转至

计算机网络概述

概念

计算机网络是将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，由功能软件实现资源共享和信息传输的系统。

  • 计算机网络是互连的（互联互通）、自洽的（无主从关系）计算机集合。

一、计算机网络的组成

组成部分

硬件
不同硬件之间实现互联互通。
软件
授权用户对网络资源的访问，提供通信和用户所需要的各种网络服务。
协议
定义了两个或多个通信实体之间交换的报文格式和次序，以及在报文传输和/或接收或其他事件方面所采取的动作。由语法、语义、同步三要素组成。

工作方式

边缘部分
由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、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。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

功能组成

通信子网
实现网络通信功能的设备及其软件的集合称为网络的通信子网。

OSI 的网络层、数据链路层以及物理层属于通信子网。

资源子网
网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合称为资源子网。

OSI 的应用层、表示层、会话层属于资源子网。

二、计算机网络的功能

  1. 数据通信
  2. 资源共享
  3. 分布式处理
  4. 提高可靠性
  5. 负载均衡

等等

三、计算机网络的分类

WAN广域网 MAN城域网 LAN局域网 PAN个域网
覆盖范围 几十公里到几千公里 介于10~100公里间 几米至10公里以内 很小区域（如一个房间）
传输媒介 电话线、高速数据线、卫星、微波 100Mbps光缆或调制解调器 无线WiFi或100/1000Mbps网线 无线WiFi或红外线
常用协议 frame-relay、PPP、HDLC和SDLC ATM、DQDB和SMDS 以太网 IEEE802.3标准 蓝牙、USB等
网络所有权 私有或公用 私有或公用 私有 私有

由网络服务提供商建设，供公用用户使用的通信网络。公共网络的通信线路是共享给用户使用的。

网络基础设施和网络中的信息资源属于单个组织，并且由该组织对网络实施管理的网络结构。

电路交换网络中的信息按顺序在专用线路上传输，若要保持持续通话，在整个会话期间必须沿其路径预留所需的资源。

graph LR
    A["建立连接（占用通信资源）"]-->B["通话（一直占用通信资源）"]-->C["释放连接（归还通信资源）"]

报文交换网络采用存储转发（Store-Forward）的技术将数据从源点传送到目的地，传输数据的逻辑单元称为报文（Message）

分组交换网络以分组（Packet）为单位采用存储转发技术进行数据传输和交换。

通过一根称为总线的传输线路将网络中的所有节点连接起来。各个节点之间通过电缆直接连接，所以这种拓扑结构所需要的电缆长度是最短的。

各节点通过点到点的方式连接到一个中央节点。节点之间的通信必须经过中央节点。

传输介质从一个端系统连接至另一个端系统，直到将所有的端系统连成环型。

各节点通过传输线连接起来，并且每一个节点至少与其他两个节点相连。

在网络中只有一个单一的通信信道，由这个网络中所有的主机所共享。即多个计算机连接到一条通信线路上的不同分支点上，任意一个节点所发出的报文分组被其他所有节点接受。发送的分组中有一个地址域，指明了该分组的目标接受者和源地址。

由许多互相连接的节点构成，在每对机器之间都有一条专用的通信信道，当一台计算机发送数据分组后，它会根据目的地址，经过一系列的中间设备的转发，直至到达目的节点

四、计算机网络标准化工作

意义

实现不同厂家的软硬件的联通。

  • 分类
  • 法定标准（如OSI）
  • 事实标准（如TCP/IP）
  • 相关组织
  • ISO国际标准化组织
  • ITU国际电信联盟
  • IEEE
  • IETF
  • ……

五、计算机网络的性能指标

请分清速率和容量的单位进制

  • 速率是 \(10^3\) 进制
  • 容量是 \(2^{10}\) 进制

1 B(yte) 字节 = 8 b(it) 比特

1. 速率

在数据传输中，两个设备之间数据流动的物理速度称为传输速率，也称数据率或比特率。单位为位每秒（b/s或bps）。

  • 数据传输的理想情况

2. 带宽

  • 两种定义：

    1. 模拟带宽：频带的宽度，\(f_高-f_低\)，单位为赫兹（Hz）
    2. 数字带宽：从一点到另一点所能通过的最高数据量（网络设备支持的最高速度），单位为位每秒（b/s或bps）。

    单位转换

    \[ \begin{align} 1 Tb/s &= 10^3 Gb/s\\ 1 Gb/s &= 10^3 Mb/s\\ 1 Mb/s &= 10^3 Kb/s\\ 1 Kb/s &= 10^3 b/s \end{align} \]

3. 吞吐量

单位时间内通过某个网络（或信道、端口）的数据量，单位为位每秒（b/s或bps）。

  • 会受到带宽或网络的额定速率限制。链路传输的实际状况。

4. 时延

指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，也叫延迟或迟延。单位为秒（s）。

时延的种类

发送时延 \(t_1\)
或称为传输时延。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。计算公式为 \(t_1=\dfrac{数据帧长度}{信道带宽}\)
传播时延 \(t_2\)
电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。计算公式为 \(t_2=\dfrac{信道长度}{电磁波在信道上的传播速率}\)
排队时延 \(t_3\)
分组在输入队列中排队等待处理，在输出队列中等待转发，就形成了排队时延。
处理时延 \(t_4\)
主机或路由器处理（检查错误、找出口等）所收到的分组的时间。

总时延为上述四种时延的加和。

\[ \begin{align} t_总=t_1+t_2+t_3+t_4 \end{align} \]

时延带宽积

时延带宽积是以比特为单位的链路长度，\(时延带宽积=传播时延 \times 带宽\) ，单位为 bit。

往返时延RTT

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。

  • 包括
  • 往返传播时延 = 传播时延 × 2
  • 末端处理时间（接收方对数据处理的时间）

提示

ping 命令可以得到时延值。在中文操作系统上，时间= 后面的值即为RTT值。

ping www.baidu.com的运行结果
C:\Users\{REDACTED_USER}>ping www.baidu.com

正在 Ping www.a.shifen.com [39.156.66.14] 具有 32 字节的数据:
来自 39.156.66.14 的回复: 字节=32 时间=5ms TTL=48
来自 39.156.66.14 的回复: 字节=32 时间=6ms TTL=48
来自 39.156.66.14 的回复: 字节=32 时间=8ms TTL=48
来自 39.156.66.14 的回复: 字节=32 时间=9ms TTL=48

39.156.66.14 的 Ping 统计信息:
数据包: 已发送 = 4，已接收 = 4，丢失 = 0 (0% 丢失)，
往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
最短 = 5ms，最长 = 9ms，平均 = 7ms

5. 利用率

  • 信道利用率：有数据通过的时间占总时间的比值。
  • 网络利用率：信道利用率的加权平均值。

六、计算机网络体系结构和模型

1. 计算机网络分层结构

分层的意义
  • 各层之间相互独立
  • 灵活性好
  • 结构上可分割
  • 易于实现和维护
  • 能够促进标准化工作

分层示意

分层示意图

2. 协议、接口及服务

  • 协议保证能向上一级提供服务，使用本层服务的实体只能看见服务而看不到协议。
  • 协议是控制对等实体之间通信的规则，是“水平”的；而服务由下层通过层间接口提供给上层，是“垂直”的。
  • 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方称为服务访问点SAP（Service Access Point）。

3. 模型

ISO/OSI模型

法定标准

OSI七层参考模型

OSI七层参考模型

为特定类型网络应用提供访问OSI环境的手段

处理在两个通信系统中交换信息的表示方式

向表示层实体/用户提供建立连接的方式并在连接上有序传输数据

主机中端到端之间的透明数据传输

数据以网络协议数据单元（分组）为单位进行传输

将网络层的数据报组装成帧

在物理媒体上实现比特流的透明传输

TCP/IP模型

事实标准

TCP/IP四层参考模型

TCP/IP四层参考模型

包含所有的高层协议，对应于OSI的应用、表示、会话层

负责在源主机和目标主机的应用程序间提供端到端的数据传输服务，对应于OSI的传输层，核心协议为TCP或UDP

主要负责处理来自传输层的分组，在功能上类似于OSI的网络层，核心协议为IP

对应于OSI模型的物理层和数据链路层，TCP/IP标准没有在该层定义协议

OSI与TCP/IP模型的对照

模型对比
两参考模型对比

计算机网络中的5层体系

综合OSI和TCP/IP模型的优点，在计算机网络的学习中，常常采用如下所示的五层协议体系结构：

模型对比
五层参考模型