（计算机网络）第1章：概述

KillerQueen
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本篇博客将讲解我在计算机网络课程上学到的相关概念以及总结理解，今天将介绍概述方面的知识，希望能帮助大家理解计算机网络中的一些概念

1. 计算机网络的特点，互联网发展的三个阶段

计算机网络的特点

连通性

使上网用户都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以直接连通一样 （互联网具有虚拟性，无法直接知道对方是谁，对方在哪）

共享

指的是资源共享，资源共享可以是多方面的，可以是信息共享，软件共享，硬件共享

互联网发展的三个阶段

第一阶段

1983年的时候TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都可以利用互联网相互通信，人们也把1983年作为互联网的诞生之年

第二阶段

1985年建成了三级结构的互联网，当时分为主干网，地区网和校园网

第三阶段

1993年后，逐渐形成了商用的多层次的ISP互联网，出现了互联网服务提供者（ISP），ISP也有不同的层次，有主干ISP，地区ISP以及本地ISP

2. 互联网的组成（边缘部分，核心部分），交换方式

互联网的组成———边缘部分

处在互联网边缘部分的就是连接在互联网上的所有主机，这些主机又称为端系统

端系统在功能上可能有很大的区别，小的端系统可能是手机甚至是网络摄像头，而大的则可以是大型的计算机

端系统之间通信的含义： 主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信称为计算机之间的通信，通常可以分为C/S或者P2P两类

互联网的组成————核心部分

网络核心部分是互联网中最复杂的部分，它要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使得边缘中的任何一个主机都能向其他主机通信

在网络核心部分特殊起作用的是路由器，路由器是实现分组转发的关键构建，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能

交换方式

1. 电路交换

必须是面向连接的 分为三个阶段：

  • 建立连接
  • 通信
  • 释放连接

特点： 在传送数据时，通信线路的利用率很低

2. 分组交换

在电路交换的基础上，采用存储转发技术

步骤如下：

  • 在发送端，先把报文分为较短的固定长度的数据段
  • 每一个数据段前面加上首部构成分组
  • 分组交换网以分组作为数据传输的单元，依次把各分组发送到接收端
  • 接收端在收到分组后剥去首部还原成报文

优点：高效，灵活，迅速，可靠

缺点：分组携带首部增加了一定的开销，分组存储转发时需要排队，可能会造成一定的时延

3. 报文交换

也是基于存储转发的，但是现在已经很少人使用了

三种交换的比较

若要连续传输大量的数据，且传送时间远大于建立连接时间，则电路交换的传输速率较快，

报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据的时候可以提高整个网络的信道利用率

由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性

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3. 计算机网络的分类

按照网络的作用范围进行分类：

  • 广域网 WAN (Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里。
  • 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：作用距离约为 5~50 公里。
  • 局域网 LAN (Local Area Network) ：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。
  • 个人区域网 PAN (Personal Area Network) ：范围很小，大约在 10 米左右。

按照网络的使用者进行分类

  • 公用网：按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。

  • 专用网：为特殊业务工作的需要而建造的网络

4. 计算机网络的性能

速率

速率是计算机网络中重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率 (data rate) 或比特率 (bit rate)。

速率的单位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s等。

例如4 * 10^10 bit/s 的数据率就记为 40 Gbit/s。

带宽

在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位是 bit/s

吞吐量

吞吐量 (throughput) 表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

时延

时延 (delay) 是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。 有时也称为延迟。 网络中的时延由以下几个不同的部分组成：

  • 发送时延: 发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间

发送时延=数据帧长度/发送速率

  • 传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

传播时延=信道长度/信号在信道上的传播速率

  • 处理时延：主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。
  • 排队时延：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

时延带宽积

时延带宽积=传播时延*带宽

可以代表链路的比特容量

只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到的充分利用

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往返时间

往返时间 RTT (round-trip time) 表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。（ping）

利用率

信道利用率

某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过），完全空闲的信道的利用率是零，信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

网络利用率

全网络的信道利用率的加权平均值

时延与信道利用率的关系

当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0 之间的关系：

D=D0/（1-U）

U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。

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5. 计算机网络体系结构

五层协议的体系结构

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  • 应用层的任务是通过应用进程间的交互，完成特定网络应用，应用层协议定义的是应用进程之间通信和交互的规则。
  • 运输层的任务是负责两台主机进程间的通信，提供通通的数据传输服务。运输层主要使用以下两种传输写协议：传输控制协议TCP，是提供面向连接的可靠的数据传输服务，其传输的单位是报文段。用户数据报文协议UDP，提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务，不保证数据传输的可靠性，其数据传输的单位是用户数据报。
  • 网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务，在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据包分组进行传送，在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，所以分组也叫做IP数据报或简称为数据报。网络层的另一个任务就是要选择合适的路由，使源主机运输层所传输的下来的分组能够通过网络中的路由器，找到目的主机。互联网的网络层，也叫做网际层，或IP层。
  • 数据链路层简称为链路层，我们知道两台主机的数据传输总是在一段一段的链路上传送的，这就要使用专门的链路层协议，在两个相邻节点传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻节点的链路上传送帧。
  • 物理层上传输的数据单位是比特，所以物理层要考虑用多大的电压代表1和0，以及接收方如何识别出发送方所发出的比特。物理层还要确认连接电缆的插头需要多少的引脚，以及引脚如何进行连接。解释比特的含义，并不是物理层的任务。传递信息所使用的物理层媒体，我们通常认为是物理层下面的第0层。

实体、协议、服务之间的关系

本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。

协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。 上层使用服务原语（接口调用）获得下层所提供的服务。

总结

本篇博客深入探讨了计算机网络领域的多个关键方面，旨在帮助读者更全面地理解与应用计算机网络中的重要概念。以下是对博客内容的综合总结：

1. 计算机网络的特点与互联网发展阶段

在第一部分中，我们首先介绍了计算机网络的特点，强调了连通性和资源共享的重要性。随后，深入探讨了互联网的发展历程，分为三个阶段：1983年TCP/IP协议成为ARPANET标准，1985年建立三级结构的互联网，以及1993年后形成商用多层次的ISP互联网。

2. 互联网的组成与交换方式

第二部分详细介绍了互联网的组成，包括边缘部分和核心部分。边缘部分是连接在互联网上的主机，也称为端系统，而核心部分则由路由器构成，实现分组转发的关键功能。同时，对电路交换、分组交换和报文交换这三种交换方式进行了深入比较，突出了它们的优缺点。

3. 计算机网络的分类

在第三部分中，我们根据网络的作用范围和使用者进行了分类。网络的作用范围分为广域网（WAN）、城域网（MAN）、局域网（LAN）和个人区域网（PAN）。根据使用者，网络可分为公用网和专用网，满足不同需求的网络建设。

4. 计算机网络的性能

第四部分深入探讨了计算机网络的性能指标，包括速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间和利用率。详细解释了各项指标的含义和相互关系，强调了时延与信道利用率的关系，以及利用率对网络时延的影响。

5. 计算机网络体系结构

最后一部分介绍了计算机网络的五层协议体系结构，包括应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。通过这个层次化的结构，不同层次负责不同的任务，使得网络设计更加模块化和可维护。同时，强调了实体、协议、服务之间的关系，使读者能够更好地理解网络的工作原理。

通过本篇博客，读者可以全面了解计算机网络的关键概念和原理，为深入学习和应用网络技术奠定基础。希望这些知识能够激发读者对计算机网络领域的兴趣，并为未来的学习和实践提供有力支持。

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