计算机网络——计算机网络体系结构-计算机网络概述（课程笔记）
2024-04-10 22:27:26
说明
- 博客作为笔记备份，不定时更新
- 参考内容为《计算机网络（第7版）》谢希仁 电子工业出版社；王道考研《计算机网络考研复习指导2023》
- 文中的例题摘自王道考研《计算机网络考研复习指导2023》，大多是我个人认为较为典型的题目以及错题的部分整理
文章目录
- 计算机网络概述
- 1. 计算机网络的概念
- 广义观点
- 资源共享观点
- 用户透明性观点
- 2. 计算机网络的组成
- 从组成部分看
- 从工作方式看
- 从功能组成看
- 3. 计算机网络的功能
- 数据通信
- 资源共享
- 分布式处理
- 提高可靠性
- 负载均衡
- 4. 计算机网络的分类
- 按分布范围分类
- 按传输技术分类
- 按拓扑结构分类
- 按使用者分类
- 按交换技术分类
- 按传输介质分类
- 5. 计算机网络的标准化工作
- 6. 计算机网络的性能指标
- 带宽
- 时延
- 时延带宽积
- 往返时延
- 吞吐量
- 速率
- 信道利用率
- 7. 例题
- 更新文档
计算机网络概述
1. 计算机网络的概念
- 一般认为，计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统
- 简言之，计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合
广义观点
- 只要能实现远程信息处理的系统或能进一步达到资源共享的系统，都是计算机网络
- 广义的观点定义了一个计算机通信网络，它在物理结构上具有计算机网络的雏形，但资源共享能力弱，是计算机网络发展的低级阶段
资源共享观点
- 认为，计算机网络是“以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”
- 该定义包含三层含义
- 目的：资源共享
- 组成单元：分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”
- 网络中的计算机必须遵循的统一规则：网络协议
- 该定义符合目前计算机网络的基本特征
用户透明性观点
- 认为，存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，它能够调用用户所需的资源，而整个网络就像一个大的计算机系统一样对用户是透明的
- 该观点的定义描述了一个分布式系统，它是网络未来发展追求的目标
2. 计算机网络的组成
从组成部分看
- 硬件
- 主机（也称端系统）、通信链路（如双绞线、光纤）、交换设备（如路由器、交换机等）和通信处理机（如网卡）等做成
- 软件
- 主要包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件（如网络操作系统、邮件收发系统、FTP程序、聊天程序等）
- 软件部分多属于应用层
- 协议
- 协议是计算机网络的核心
- 协议规定了网络传输数据时所遵循的规范
从工作方式看
- 边缘部分
- 边缘部分由所有连接到因特网上，供用户直接使用的主机组成，用来进行通信（如传输数据、音频或视频）和资源共享
- 核心部分
- 核心部分由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务
从功能组成看
- 通信子网
- 通信子网由各种传输介质、通信设备、相应的网络协议组成
- 它使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信
- 资源子网
- 资源子网是实现资源共享功能的设备及其软件的集合，向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务
3. 计算机网络的功能
数据通信
- 数据通信是计算机网络最基本和最重要的功能，用来实现联网计算机之间各种信息的传输，并将分散在不同地理位置的计算机联系起来，进行统一的调配、控制和管理
资源共享
- 软件共享、数据共享、也可以是硬件共享
- 资源共享使计算机网络中的资源互通、分工协作，从而极大地提高硬件资源、软件资源、数据资源的利用率
分布式处理
- 当计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时，可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统，从而利用空闲计算机资源以提高整个系统的利用率
提高可靠性
- 计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机
负载均衡
- 将工作任务均衡的分配给计算机网络中的各台计算机
4. 计算机网络的分类
按分布范围分类
- 广域网 WAN
- 广域网的任务是提供长距离通信，运送主机所发送的数据，其覆盖范围通常是直径为几十千米到几千千米的区域，因此有时也称远程网
- 广域网是因特网的核心部分
- 连接广域网的各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量
- 城域网 MAN
- 城域网的覆盖范围可以跨越几个街区甚至整个城市，直径范围一般是5~50km
- 城域网大多采用以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围讨论
- 局域网 LAN
- 局域网一般用微机或工作站通过高速线路相连，覆盖范围较小，通常是直径几十米到几千米的区域
- 局域网在计算机配置的数量上没有太多的限制
- 传统上，局域网采用广播技术，而广域网采用交换技术
- 个人区域网 PAN
- 个人区域网是指在个人工作的地方将消费电子设备（如平板、手机等）用无线技术连接起来的网络，也常称为无线个人局域网WPAN，覆盖区域的直径约为10m
- 注：若中央处理器的距离非常近（比如仅为1m或更近），则一般称为多处理器系统，而不称为计算机网络
按传输技术分类
- 广播式网络
- 所有联网计算机都共享一个公共通信信道
- 一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，其他的计算机都会“收听”到这个分组，接收到分组的计算机通过检查目的地址来决定是否接收分组
- 局域网一般都采用广播式通信技术，广域网中的无线、卫星通信网络也采用广播式通信
- 点对点网络
- 每条物理线路连接一对计算机
- 若通信的两台主机之间没有直接连接的线路，则它们之间的分组传输就要通过中间结点进行接收、存储、转发，直到目的结点
按拓扑结构分类
- 总线形网络
- 用单根传输线将计算机连接起来
- 优点：建网容易、增减结点方便、节省线路
- 缺点：重负载时通信效率不高、总线任意一处对故障敏感
- 星形网络
- 每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连（中央设备早期是计算机，现在一般是交换机或路由器）
- 优点：便于集中控制和管理
- 缺点：成本高。、中央设备对故障敏感
- 环形网络
- 所有计算机接口设备连接成一个环
- 环可以是单环，也可以是双环，环中信号是单向传输的
- 网状网络
- 优点：可靠性高
- 缺点：控制复杂、线路成本高
按使用者分类
- 公用网
- 指电信公司出资建造的大型网络
- 所有愿意按电信公司规定缴纳费用的人都可以使用这种网络，因此也称公众网
- 专用网
- 指某个部门为满足本单位特殊业务的需要而建造的网络
- 这种网络一般不向本单位之外的人提供服务
按交换技术分类
- 电路交换网络
- 在源结点和目的结点之间建立一条专用的通路用于传送数据，包括建立连接、传输数据、断开连接三个阶段
- 最典型的是传统的电话网络
- 主要特点：整个报文的比特流连续的从源点直达终点
- 优点：数据直接传送、时延小
- 缺点：线路利用率低、不能充分利用线路容量、不便于进行差错控制
- 报文交换网络
- 用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息，然后封装成报文
- 整个报文传送到相邻结点，全部存储后，在转发给下一个结点（存储–转发）
- 每个报文可以单独选择到达目的结点的路径
- 主要特点：存储转发：整个报文先传送到相邻结点，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点
- 优点：可以较为充分的利用线路容量，可以实现不同链路之间不同数据传输速率的转换，可以实现格式转换，可实现一对多、多对一的访问，可实现差错控制
- 缺点：增大了资源开销，增加了缓冲时延，需要额外的控制机制来保证多个报文的顺序不乱序，缓冲区难以管理
- 分组交换网络
- 将数据分成较短的固定长度的数据块，在每个数据块中加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组，以存储–转发的方式传输
- 主要特点：单个分组（它只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储后查找转发表，转发到下一个结点
- 优点：缓冲易于管理、包的平均时延更小、网络占用的平均缓冲区更少、更易于标准化、更适合应用。现在主流网络基本上都可视为分组交换网络
按传输介质分类
- 有线网
- 双绞线网络
- 同轴电缆网络
- 无线网
- 蓝牙
- 微波
- 无线电
5. 计算机网络的标准化工作
- 因特网的所有标准都以RFC（Request For Comments）的形式在因特网上发布，但并非每个RFC都是因特网标准，RFC要上升为因特网的正式标准需经过：
- 因特网草案
- 建议标准
- 草案标准
- 因特网标准
- 主要的负责制定、实施相关网络标准化组织有
- 国际标准化组织 ISO
- 国际电信联盟 ITU
- 国际电气电子工程师协会 IEEE
6. 计算机网络的性能指标
带宽
- 带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的最高数据传输速率，单位是b/s
时延
- 指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要的总时间，包括：
- 发送时延
- 结点将分组的所有比特推向链路所需的时间，即从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间，也称传输时延
- 发送时延 = 分组长度/信道带宽
- 传播时延
- 一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间
- 传播时延 = 信道长度/电磁波在信道上的传播速率
- 处理时延
- 数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花的时间
- 例如：分析分组首部、从分组中提取数据部分、进行差错校验等
- 排队时延
- 分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理，路由器确定转发端口后，还要在输出队列中排队等待转发
- 发送时延
- 注：做题时，排队时延和处理时延一般可忽略不计（除非特别说明）
时延带宽积
- 指发送端发送的第一个比特即将达到终点时，发送端已经发送了多少个比特，因此又称以比特为单位的链路长度，即时延带宽积=传播时延×信道带宽时延带宽积=传播时延\times 信道带宽时延带宽积=传播时延×信道带宽。时延带宽积表示该管道可容纳的比特数量
往返时延
- 指从发送端发出一个短分组，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延
- 在互联网中，往返时延还包括各个中间结点的处理时延、排队时延、转发数据时的发送时延
吞吐量
- 单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量
- 吞吐量受网路带宽或网络额定速率的限制
速率
- 指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据率或比特率，单位b/s
- 在计算机网络中，通常把最高传输速率称为带宽
信道利用率
- 指出某一信道有多少百分比时间是有数据通过的
- 信道利用率 = 有数据通过的时间/（有+无）数据通过时间
7. 例题
- （P73P_{7}3P73）下列不属于计算机网络功能的是（）
A. 提高系统可靠性 B. 提高工作效率 C. 分散数据的综合处理 D. 使各计算机相对独立
解答：计算机网络的三大主要功能是：数据通信、资源共享、分布式处理。计算机网络使得各个计算机之间的联系更加紧密而非相对独立 - （P710P_{7}10P710）局域网和广域网的差异不仅在于它们所覆盖的范围不同，还主要在于它们（）
A. 所使用的介质不同 B. 所使用的的协议不同 C. 所能支持的通信量不同 D. 所提供的服务不同
解答：广域网和局域网的另一个差异在于它们所用的协议不同：广域网使用点对点等技术，局域网使用广播技术
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