计算机网络原理 精讲一 第一章 计算机网络概述

计算机网络原理 精讲一 第一章 计算机网络概述¹

第一节 计算机网络基本概念

1.1. 计算机网络的定义

计算机网络是互连的、 自治的计算机的集合。

• “ 自治”： 指互连的计算机系统彼此独立， 不存在主从或者控制与被控制的关系。
• “ 互连”： 指利用通信链路连接相互独立的计算机系统。

计算机网络的起源：从技术范畴来看，计算机网络是计算机技术与通信技术相互融合的产物。

因特网服务提供商：( lnternet Service Provider，*ISP*)

1.2. 协议的定义

1. 网络协议

   是网络通信实体之间在数据交换过程中需要遵循的规则或约定

2. 协议三要素： 语法、语义、 时序。
   • 语法

     ： 语法定义实体之间交换信息的格式与结构。

   • 语义

     ： 语义就是定义实体之间交换的信息中需要发送控制信息。

   • 时序（同步）

     ： 时序也称为同步， 定义实体之间交换信息的顺序以及如何匹配或适应彼此的速度。

1.3. 计算机网络的功能

核心功能：资源共享

• 硬件

  资源共享： 云计算, 云存储

• 软件

  资源共享： SaaS

• 信息

  资源共享： 信息检索

1.4. 计算机网络的分类

一、 按覆盖范围分类：

1. 个域网（ PAN）： 个域网通常覆盖范围在 1～ 10m。
2. 局域网（ LAN）： 局域网通常覆盖范围在 10m～ 1km。
3. 城域网（ MAN）： 覆盖范围通常在 5～ 50km。
4. 广域网（ WAN）： 广域网覆盖范围在几十到几千千米， 通常跨越更大的地理空间， 可以实现异地城域网或局域网的互连。

二、 按拓扑结构分类： ★★

拓扑(topology)：只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。

1. 星形拓扑结构：一个中央结点(○)，网络中的主机(□)通过点对点通信链路与中央结点连接。（个域网、局域网) 优点：易于监控管理、故障诊断、隔离。 缺点：中央结点一旦故障，全网瘫痪。网络规模受限于中央结点的端口数量。

   

2. 总线型拓扑结构：采用一条广播信道作为公共传输介质。所有结点(口)均与总线连接，结点间的通信均通过共享的总线进行。(早期局域网) 优点：结构简单，易于扩展。 缺点：通信范围受限，容易产生冲突

   

3. 环形拓扑结构：利用通信链路将所有结点(口)连接成一个闭合的环。(早期局域网、城域网) 优点∶电缆长度短，易于避免冲突。 缺点∶某结点故障引起全网瘫痪，加新（撤出)结点麻烦。

   

4. 网状拓扑结构：网络中的结点(○)通过多条链路与不同的结点直接相连接。(广域网、核心网络) 优点:网络可靠性高(一条或多条链路故障时，网络仍然可以联通)

   缺点∶网络结构复杂，成本高。

   

5. 树形拓扑结构：可以看作是总线型拓扑或星形拓扑结构网络的扩展。(局域网) 优点∶易于扩展，故障易隔离。

   缺点︰根结点要求高。

   

6. 混合拓扑结构：由两种以上简单拓扑结构网络混合连接而成的网络。(绝大多数实际网络) 优点︰易于扩展，可以构建不同规模的网络，根据需要优选网络结构。 缺点:结构复杂，管理与维护复杂。

   

按拓扑结构分类	适用网络
星形拓扑结构	局域网、个域网。
总线型拓扑结构	早期局域网.
环形拓扑结构	早期局域网，城域网。
网状拓扑结构	广域网，核心网络。
树形拓扑结构	目前的局域网。
混合拓扑结构	绝大数实际网络。

三、 按交换方式分类：

电路

交换网络、 报文交换网络、 分组交换网络。

四、 按网络用户属性分类：

1. 公用

   网： 公用网是指由国家或企业出资建设， 面向公众提供收费或免费服务的网络。 例如电信网 络。

2. 私有

   网： 私有网是指由某个组织（ 如政府部门或企业等） 出资建设， 专门面向该组织内部业务提 供网络传输服务， 不向公众开放的网络。 例如银行、 军事， 铁路专用网。

第二节 计算机网络结构

大规模现代计算机网络的结构包括网络边缘、 接入网络与网络核心三部分。

一、 网络边缘：

连接到网络上的计算机、 服务器、 智能手机、 智能传感器、 智能家电等称为主机或端系统。

二、 接入网络：

实现网络边缘的端系统与网络核心连接的网络。

1. 电话

   拨号接入： 利用电话网络接入。

2. 非对称

   数字用户线路 ADSL： 特点：

   • 利用电话网络接入。
   • 基于频分多路复用技术。
   • 非对称
   • 独享式接入
3. 混合光纤同轴电缆 HFC 接入网络： 特点：
   • 利用有线电视网络接入的技术。
   • 基于频分多路复用技术。
   • 非对称。
   • 共享式接入
4. 局域网： 典型的局域网技术是以太网、 Wi-Fi。
5. 移动接入网络： 移动接入网络主要利用移动通信网络， 如 3G/4G/5G 网络， 实现智能手机、 移动终端等设备的网络接入。

三、 网络核心：

由通信链路互连的分组交换设备构成的网络。[路由器和交换机]

作用： 实现网络边缘中主机之间的中继与转发。

第三节 数据交换技术

3.1. 数据交换技术

交换设备

：多通信端口，可以同时连接多个通信结点，进行通信的设备。

数据交换

： 实现在大规模网络核心上进行数据传输的技术基础。

常见的数据交换技术包括：电路交换、 报文交换和分组交换。

一、 电路交换

1. 电路交换：在通信时需要先建立电路连接， 在通信过程中独占一个信道， 通信结束后拆除电路连接。

2. 电路交换是最早出现的一种交换方式， 电话网络则是最早、 最大的电路交换网络。 利用电路交换进行通信包括建立电路、 传输数据和拆除电路 3 个阶段。

3. 电路交换的特点、 优点与缺点：

   • 优点： 实时性高、时延和时延抖动小；
   • 缺点： 不适用于突发性数据传输； 信道利用率低， 且传输速率单一。

   电路交换主要适用于语音和视频这类实时性强的业务。

二、 报文交换：

报文:发送方把要发送的信息附加上接收主机的地址和控制信息。

报文交换也称为消息交换。 存储-转发 式交换方式。 适用于电报通信。

发送方组装好报文，发给相邻报文交换机。相邻报文交换机收到报文后检查无误，暂时存储报文，然后找出需要转发的下一个结点的地址然后把报文给下一个结点的报文交换机。

优点：信道利用率高。

缺点：时延长，有时还需要丢弃报文。

三、 分组交换：

1. 是目前计算机网络广泛采用的技术， 也称包交换。

2. 分组交换需要将待传输数据（即报文） 分割成较小的数据块， 每个数据块附加上地址、 序号等控制信息构成数据分组， 每个分组独立传输到目的地， 目的地将收到的分组重新组装， 还原为报文。 采取存储-转发交换方式。

   

3. 分组交换的优点：
   • 交换设备存储容量要求低。
   • 交换速度快。
   • 可靠传输效率高。
   • 更加公平
4. 分组长度的确定︰在其他条件相同的情况下，分组长度越长，延迟时间越长。一般的分组长度:以16 B— 4096 B之间的2^n^ B为标椎的分组长度。

第四节 计算机网络性能

4.1. 速率与带宽：

一、 速率：

速率是指网络单位时间内传送的数据量， 用以描述网络传输数据的快慢， 也称为数据传输速率或数据速率。

计算机网络传输的数据是以位为信息单位的二进制数据， 速率的基本单位是 bit/s(位每秒)， 因此有时也称速率为比特率(bit rate)。

单位的换算： 1Tbit/s=10^3^Gbit/s=10^6^Mbit/s=10^9^Kbit/s=10^12^bit/s

二、 带宽：

1. 在通信和信号处理领域， 指的是信号的频带宽度(最高和最低频率之差)， 单位： Hz（赫兹） 。
2. 在计算机网络中， 指的是一条链路或信道的最高数据速率， 单位： bit/s（位每秒）

4.2. 时延：

一、 时延：

也称为延迟。 指数据从网络中的一个结点(主机或交换设备等)到达另一结点所需要的时间。

1 秒 = 1000 毫秒（ms） 1 毫秒 = 1000 微秒（μs）

1. 在计算机网络中， 通常将连接两个结点的直接链路称为一个“跳步”， 简称“跳”。

   

2. 分组的每跳传输过程主要产生 4 类时间延迟： 结点处理时延、 排队时延、 传输时延和传播时延。

• 结点处理时延(常常忽略)，记为d~c~

  

• 排队时延，记为d~q~

  

• 传输时延或发送时延，记为d~t~ ,d~t~=L/R L∶分组长度，单位:bit R∶链路带宽（即速率)，单位:bit/s

  分组在输出链路发送时，从发送第一位开始，到发送完最后一位需要的时间。

  

• 传播时延，记为d~p~,d~p~=D /V D: 物理链路长度，单位:m V∶信号传播速度，单位:m/s

  信号从发送端出来，经过一段物理链路到达接收端需要的时间。

  

d~h~ =d~c~+d~q~+d~t~+d~p~

4.3. 时延带宽积 ：

一、 时延带宽积：

一段物理链路的传播时延与链路带宽的乘积， 称为时延带宽积， 记为 G。

1. 公式： G=传播时延×链路带宽=d~p~× R
2. 时延带宽积的单位： bit
3. 时延带宽积的物理意义在于： 时延带宽积表示一段链路可以容纳的数据位数， 也称为以位为单位的链路长度。

4.4. 丢包率：

一、丢包率：

丢包率常被用于评价和衡量网络性能的指标， 在很大程度上可以反映网络的拥塞程度， 因为引发网络丢包的主要因素是网络拥塞。

1. 丢包率可以定义为： \(\eta = N_l \div N_s = (N_s - N_r )\div N_s\) N~s~：为发送分组总数

   N~r~：接收分组总数

   N~l~：丢失分组总数

4.5. 吞吐量 ：

一、 吞吐量：

在单位时间内源主机通过网络向目的主机实际送达的数据量， 记为 Thr。 单位： bit/s 或 B/s（字节每秒） （1B=8bit）

1. 吞吐量受网络链路带宽、 网络连接复杂性、 网络协议、 网络拥塞程度等因素影响

第五节 计算机网络体系结构

5.1. 计算机网络体系结构：

计算机网络所划分的层次以及各层协议的集合就称为计算机网络体系结构。

5.2. 开放系统互联 参考模型 (Open System Interconnection，OSI)(7 层)

1. 由于对等层通信并不是直接进行， 因而称为虚拟通信。

2. 在物理层的两个端点进行物理通信， 这种通信称为实通信。

3. 数据在垂直的层次中自上而下地逐层传递直至物理层。

4. 中间系统：通常只实现物理层、数据链路层和网络层功能。

5. 结点到结点层：物理层、数据链路层、网络层。

   端到端层：传输层（第一个端到端的层）、会话层、表示层、应用层。

5.3. OSI 模型有关术语：

一、数据单元(PDU)

在层的实体之间传送的比特组称为数据单元。

在对等层数据单元称为协议数据单元(*PDU*)。

1. PDU 在不同层往往有不同的叫法：
   • 物理层

     称为位流或比特流；

   • 数据链路

     层称为帧；

   • 网络

     层中称为分组或包；

   • 传输

     层中称为数据段或报文段；

   • 应用

     层中称为报文。

二、 服务访问点(SAP)：

相邻层的服务是通过其接口上的服务访问点进行的， N 层 SAP 就是(N+1)层可以访问 N 层的地方。

每个SAP有唯一的地址号码

。

三、 服务原语：

OSI 参考模型中的每一层的真正功能是为其上一层服务的， 第 N 层向(N+1)层提供服务，或第(N+1)层提供服务， 都是一组原语描述的。 OSI 参考模型有四类： 请求； 指示； 响应； 证实。

5.4. TCP/IP 参考模型：

1. TCP/IP 参考模型的核心层是网络互联层(相当于 OSI 模型的网络层)。
2. TCP/IP 参考模型传输层主要包括面向连接、 提供可靠数据流传输的传输控制协议 TCP 和无连接不提供可靠数据传输的数据报协议 UDP。

5.5. 五层参考模型：

近年来， 在描述计算机网络中最常用、 最接近实际网络的参考模型五层参考模型。

第六节 计算机网络与因特网发展简史

ARPAnet 是第一个分组交换计算机互连的网络， 也是当今因特网的祖先。

课后习题

1. 尚德机构 ↩