计算机网络概述

1. 引言

计算机网络无处不在，例如智能家居、智能汽车、网络游戏、在线支付、电子病历等等。

再比如，与计算机网络相关的一些技术：

• 物联网（Internet of Things，IoT）：把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换，即物物相息，以实现智能化识别和管理。
• 区块链技术：通过计算机网络实现数据共享和交易的分布式数据库技术。
• ChatGPT：通过计算机网络与用户进行交互。
• ...

计算机网络由若干节点和连接这些节点的链路组成。

计算机网络将许多主机（计算机）连接在一起，互连网（internet）通过路由器将许多网络连接在一起，互连网是网络的网络。

2. 计算机网络概述

2.1 概念

计算机网络：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的系统。

• 计算机系统：各种系统的手机端、电脑端等，由硬件系统和软件系统组成。
• 通信设备：路由器、集线器、中继器等。
• 线路：有线、无线。

计算机网络是互连的、自治的计算机集合。

• 互连：通过通信连路互连互通。
• 自治：无主从关系。

2.2 计算机网络的功能

1. 数据通信：互相发送消息。
2. 资源共享：同一个计算机网络上的其他计算机可使用另外某台计算机资源的行为，可共享软件、硬件、数据。
3. 分布式处理：多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分。（例如Google文件系统GFS：分布式文件系统，用于存储和管理大规模数据。）
   • 提高可靠性：每个节点都可以独立地执行任务，如果一个节点出现故障，其他节点可以继续执行任务。
   • 负载均衡：每个节点都承担一部分计算负载，避免单个节点过载的情况。
   • 可扩展性：可增加节点数量扩展其计算能力
   • 高效性：多个节点可以同时处理任务

2.3 计算机网络的组成

2.3.1 组成部分

硬件、软件、协议

2.3.2 工作方式

1. 边缘部分：端系统，比如连接互联网的主机。端和端之间通信，一般是两个进程间通信。

   • C/S方式：客户端-服务器方式，适用于需要集中控制和安全性的应用场景。
   • B/S方式：浏览器-服务器方式。
   • P2P方式：对等连接。适用于需要分布式、灵活性和共享性的应用场景。

2. 核心部分：大量的网络和连接这些网络的路由器。为边缘部分提供服务。

   • 通信子网：实现数据通信，由各种传输介质、通信设备以及相应的网络协议组成。

   • 资源子网：实现资源共享，由实现资源共享功能的设备和软件的集合。

     在OSI模型中的体现：

2.2.3 计算机网络的分类

1. 按分布范围分：
   • 广域网WAN
   • 城域网MAN
   • 局域网LAN
   • 个人区域网PAN
2. 按使用者分：
   • 公用网
   • 专用网
3. 按交换技术分：
   • 电路交换
   • 报文交换（存储转发）
   • 分组交换（存储转发）
4. 按拓扑结构分：
   • 总线型
   • 星型
   • 环型
   • 网状型
5. 按传输技术分：

   • 广播式网络，共享公共通信信道。

   • 点对点网络：使用分组存储转发和路由选择机制。

3. 计算机网络的发展

3.1 第一阶段

1969年美国国防部高级研究计划局（ARPA）设计一个分散的指挥系统 ARPAnet。通过无线分组交换网和卫星通信网连接。

后来希望实现不同网络互连，1983年，阿帕网接受了TCP/IP，选定internet（intercorrected network，互连网）为主要的计算机网络通信系统，实现不同网络的连接，形成了Internet（因特网/互联网）。

阿帕网是因特网的前身。

网络把许多计算机连接在一起，互联网把许多网络连接在一起。

因特网是世界上最大的互连网。

3.2 第二阶段

三级结构

1985年起，美国国家科学基金会NSF围绕着6个大型计算机中心建设计算机网络，即国家科学基金网NSFNET。

越来越多用户连到网络当中，对于大规模的网络，管理起来非常困难，当时的网络已经不能满足大量的需求。

3.3 第三阶段

逐渐发展为多层次ISP结构

ISP：Internet Service Provider，因特网服务提供者/提供商。如中国电信。分为 主干ISP、地区ISP 和 本地ISP。

IP 地址管理机构会将整块的 IP 地址有偿租赁给径审查合格的 ISP。

互联网交接点IXP：允许两个 ISP 网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。更快地转发分组，更加有效和更加经济利用网络资源。

IXP 结构复杂，常用一个或多个网络交换机组成。

目前互联网上主要的的流量是视频文件的传送。图中的内容提供者是互联网上向所有用户提供视频的文件的公司。他们不提供互联网的转接服务，而是提供视频的内容服务。

4. 标准化工作

要实现不同厂商的硬、软件之间相互连通，必须遵从统一的标准。

4.1 标准的分类

1. 法定标准：由权威机构制定正式的、合法的标准。如OSI。
2. 事实标准：某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了，这些产品中的协议和技术就此成为了标准。如TCP/IP。

4.2 RFC

RFC（Request For Comments）：因特网标准的形式。

因特网标准都是RFC格式，RFC格式并不全是因特网标准。

RFC要上升为因特网正式标准的三个阶段：

1. 因特网草案：这个阶段还不是RFC文档。
2. 建议标准：从这个阶段开始成为RFC文档。
3. 因特网标准

4.3 标准化工作的相关组织：

• 国际标准化组织ISO：OSI模型、HDLC协议

• 国际电信联盟ITU：制定通信规则

• 电气和电子工程师协会IEEE：学术机构、IEEE802系列标准、5G

• Internet工程任务组IETF：负责因特网相关标准的制定 RFC xxxx

5. 性能指标

1. 速率

   又称数据传输率或比特率，是连接在计算机网络上的主机在数字信道上传输数据位数的速率。

   单位：b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s(速率换算单位$10^3$，存储容量换算单位$2^{10}$）

2. 带宽

   原指某个信号具有的频带宽度，即最高频率和最低频率之差。 单位：赫兹（HZ）。

   在计算机网络中指网络通信线路传送数据的能力（网络设备所支持的最高速度）。

   单位：b/s。

3. 吞吐量

   单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

   单位：b/s。

   受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

4. 时延

   指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。

   单位：s。

   时延由以下四个方面共同决定：

   1. 发送时延（传输时延）：发送分组第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。

      $\textbf{\color{red}{发送时延 = 数据长度/信道带宽（发送速率)}}$

   2. 传播时延：取决于电磁波传播速度以及链路的长度。

      $\textbf{\textcolor{red}{传播时延 = 信道长度/电磁波在信道上的传播速率}}$

   3. 排队时延：输入输出时等待链路可用所需的时间。

   4. 处理时延：检错、找出口

   高速链路一般是指提高了发送速率。

5. 时延带宽积

   以比特为单位的链路长度，即某段链路现在有多少比特。

   单位：比特

   $\textbf{\textcolor{red}{时延带宽积 = 传播时延 x 带宽}}$

6. 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总共经历的时延。

   RTT包括：往返传播时延和末端处理时间。

7. 利用率

   $\textbf{\textcolor{red}{信道利用率 = 有数据通过时间/总时间}}$

   $\textbf{\textcolor{red}{网络利用率 = 信道利用率加权平均值}}$。

   利用率接近1，时延急剧增大。