【计算机网络原理】第 1 章：计算机网络概述
章节目录
一、计算机网络基本概念
1.1 计算机网络的定义
① 计算机网络是互连的、自治的计算机的集合
- 互连：利用通信链路连接相互独立的计算机系统。
- 自治：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。
② 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。
③ 因特网服务提供商：ISP（Internet Service Provider ）
1.2 协议的定义
① 网络协议：
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。
（例如：HTTP、FTP 等）
② 网络协议三要素：
- 语法：定义实体之间交换信息的格式与结构。
- 语义：定义实体之间交换信息中的控制信息。
- 时序(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
① 硬件资源共享：
计算资源(CPU)、存储资源、打印机与扫描仪I/O等。
（例：云存储、云计算）
② 软件资源共享：SaaS（Software as a Service）
（ 例：大型办公软件、大型数据库系统等）
③ 信息资源共享：
信息检索，新闻浏览等。
计算网络的核心功能：资源共享
1.4 计算机网络的分类
（1）按覆盖范围分类
① 个域网（PAN：Personal area network）
覆盖范围 1-10 m：个人设备通过无线通信技术构成小范围的网络
② 局域网（LAN：Local area network）
覆盖范围 10m-1km：办公楼、校园、厂区等局部区域内
③ 城域网（MAN：Metropolitan area network）
覆盖范围 5-50km：覆盖一个城市范围的网络
④ 广域网（WAN：Wide area network）
覆盖范围在几十到几千千米：可以实现异地城域网或局域网的互连
（2）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。
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（□）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（□）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。
（3）按交换方式分类
① 电路交换网络
② 报文交换网络
③ 分组交换网络
（4）按网络用户属性
① 公用网：
面向公众开放的网络。（例如电信网络）
② 私有网：
某个组织出资建设专门面向该组织，不向公众开放。（例如军事专用网络）
二、计算机网络结构
2.1 网络边缘
网络边缘：连接到网络上的主机或者端系统。
（主机或者端系统：计算机、服务器、智能手机、智能传感器、智能家电等）
2.2 接入网络
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：
- 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
（用户线路（subscriber line）：电话机连接电话端局的线路。）
（非对称数字用户线路（ Asymmetric Digital Subscriber Line））
③ 混合光纤同轴电缆HFC接入网络：
- 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、WiFi 等
⑤ 移动接入网络：
- 利用移动通信网络，如 3G、4G、5G 网络
2.3 网络核心
网络核心：由通信链路互连的分组交换设备构成的网络，作用是实现网络边缘中主机之间的数据的中继与转发。
三、数据交换技术
3.1 数据交换的概念
① 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。
② 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。
3.2 数据交换的分类
（1）电路交换
① 电路：通过中间交换结点为两台主机之间建立一条专用的通信线路。
② 电路交换：最早出现的一种交换方式。
电话网络：是最早、最大的电路交换网络。
③ 电路交换的步骤：
- 建立电路
- 传输数据
- 拆除电路
④ 电路交换的优缺点：
- 优点：实时性高、时延和时延抖动小。
- 缺点：对于突发性数据传输，信道利用率低，传输速率单一。
⑤ 电路交换的适用场景：
- 适用于语音和视频类实时性强的业务。
（2）报文交换
① 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。
② 报文交换：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。
③ 报文交换：存储-转发的交换方式。
④ 报文交换的优缺点：
- 优点：信道利用率高。
- 缺点：时延长，有时还需要丢弃报文。
（3）分组交换
① 分组：将待传输的数据分割成较小的独立的数据块。每个数据块附加地址等构成数据分组。分组独立传输到目的地，到目的再重组还原为报文。
② 分组交换（包交换）：包交换，采用存储—转发交换方式，是计算机网络中使用最广泛的交换技术。
③ 分组交换方式的优点：
- 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 16B — 4096B 之间的 2nB 为标椎的分组长度。
四、计算机网络性能
4.1 速率与带宽
（1）速率
① 速率：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。
② 速率基本单位：bit/s（位每秒）、Kbit/s、 Mbit/s、 Gbit/s、 Tbit/s
③ 单位的换算：1 Tbit/s = 103 Gbit/s = 106 Mbit/s = 109 Kbit/s = 1012 bit/s
（2）带宽
① 在通信和信号处理领域：
带宽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 在计算机网络领域：
带宽指的是一条信道的最高数据速率，单位：bit/s（位每秒）
4.2 时延
（1）跳
跳步 / 跳：通常将连接两个结点的直接链路称为一个“跳步”，简称“跳”。
（2）时延
时延：分组从网络中的一个结点到达另一结点所需要的时间。
（3）时延的分类
① 结点处理时延 dc（常常忽略）
交换设备检查分组是否有差错，确定如何转发分组的时间。
② 排队时延 dq
分组在交换结点内被交换道输出链路，等待从输出链路发送到下一个结点的时间。
③ 传输时延 dt
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。
④ 传播时延 dp
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。
（4）时延的计算
分组每跳传输过程中主要产生 4 类时延，计算如下：
4.3 时延带宽积
① 时延带宽积：物理链路的传播时延与链路带宽的乘积，记为 G 。
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。
② 公式：G = 传播时延 × 链路带宽
- 传播时延的单位：s
- 带宽的单位： bit/s
- 时延带宽积的单位： bit
4.4 丢包率
丢包率：丢失分组和发送分组之比，反映网络的拥塞程度。
4.5 吞吐量
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
五、计算机网络体系结构
计算机网络体系结构定义：计算机网络所划分的层次以及各层协议的集合。
5.1 OSI 参考模型（七层）
（1）OSI 参考模型
① 国际标准化组织：开放系统互连（Open System Interconnection， OSI ）参考模型
② 特性：
（2）有关术语
① 数据单元：在层的实体之间传送的比特组。
协议数据单元 (Protocol Data Unit ，PDU)：对等层之间传输的数据单元。
② 服务访问点：相邻层间的服务是通过其接口面上的服务访问点 (Service Access Point , SAP) 进行的，每个 SAP 有唯一的地址号码。
③ 服务原语：请求、指示、响应、证实。
5.2 TCP/IP 参考模型（四层）
5.3 五层参考模型
五层参考模型： 描述计算机网络中最常用、最接近实际网络的参考模型
六、计算机网络与因特网发展简史
ARPAnet 是第一个分组交换的计算机网络，当今因特网的祖先。