计算机网络基础知识一

一. 因特网概述
- 1. 网络,互联网和因特网
- 2. 因特网发展的三个阶段
- 3. 因特网的标准化工作
- 4. 因特网的组成
二. 三种交换方式
- 1. 电路交换(Circuit Switching)
- 2. 分组交换(Packet Switching)
- 3. 报文交换(Message Switching)
- 4. 电路交换,报文交换,分组交换三者区别
三.计算机网络的定义和分类
- 1.计算机网络的定义
- 2.计算机网络的分类
四. 计算机网络的性能指标
- 1.速率
- 2.带宽
- 3.吞吐量
- 4.时延
- 5.时延带宽积
- 6.往返时间
- 7. 利用率
- 8. 丢包率
五. 计算机网络体系结构
- 1. 常见的计算机网络体系结构
- 2. 分层的必要性
- 3. 专用术语

一. 因特网概述

1. 网络,互联网和因特网

网络: 由若干个结点和连接这些结点的链路(有限链路和无线链路)组成。

互联网: 多个网络可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络。互联网是"网络的网络"。

因特网: 是世界上最大的互连网络(用户数以亿计，互联的网络数以百计)。

internet和Internet的区别:

2. 因特网发展的三个阶段

第一个阶段: 从单个网络APPANET(美国高级研究计划署)向互联网发展。
第二个阶段: 逐步建成三级结构的因特网。
第三个阶段: 逐步形成了多层次ISO结构的互联网。

因特网服务提供者ISP(Internet Service Provide):

普通用户是通过ISP接入因特网的。

ISP可以从因特网管理机构申请到成块的IP地址,同时拥有通信线路以及路由器等联网设备。

任何机构和个人只要向ISP缴纳规定的费用,就可以从ISP得到所需要的IP地址。因特网上的主机都必须有IP地址才能进行通信。

基于ISP的三层结构的因特网:

最高级别的第一层ISP服务面积最大,第一层ISP通常也被称为因特网主干网,一般都能够覆盖国际性区域范围，并拥有高速链路和交换设备。第一层ISP之间直接互连。

第二层ISP和一些大公司都是第一层ISP的用户，通常具有区域性和国家性覆盖规模，与少数第一层ISP相连接。

第三层ISP又称为本地ISP，他们是第二层ISP的用户,且只拥有本地范围内的网络,一般的校园网或企业网，以及住宅用户和无线移动用户都是第三层ISP的用户。

3. 因特网的标准化工作

<1>因特网的标准化工作对因特网的发展起到了非常重要的作用。

<2>因特网在制定其标准上的一个很大的特点是面向公众。

因特网所有的RFC(Request For Comments)技术文档都可以从因特网上免费下载;

任何人都可以随时用电子邮件发表对某个文档的意见或建议;

<3>因特网协会ISOC是一个国际性组织，他负责对因特网进行全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用。

因特网体系结构委员会IAB，负责管理因特网有关协议的开发;

因特网工程部IETF，负责研究中短期工程问题，主要针对协议的开发和标准化。

因特网研究部IRTF，从事理论方面的研究和开发一些需要长期考虑的问题。

<4>制定因特网的正式标准要经过以下4个阶段:

因特网草案(在这个阶段还不是RFC文档)

建议标准(从这个阶段开始就成为RFC文档)

草案标准

因特网标准

4. 因特网的组成

边缘部分: 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信(传送数据，音频和视频)和资源共享。
核心部分: 有大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的(提供连通性和交换)。在网络核心部分起特殊作用的就是路由器，他是一种专用计算机，但我们不称他为主机。路由器是实现分组交换的关键构建，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。

二. 三种交换方式

1. 电路交换(Circuit Switching)

<1>电话交换机接通电话线的方式成为电路交换;
<2>从通信资源的分配角度来看,交换就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源;
<3>电路交换的三个步骤:

建立连接(分配通信资源)

通话(一直占用通信资源)

释放连接(归还通信资源)

==当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。计算机网络通常采用分组交换，而不是电路交换，防止通信资源白白浪费。
==

要使得每一部电话能够很方便的和另一部电话进行通信，就应当使用一个中间设备将这些电话连接起来，这个中间设备就是电话交换机。

例如:覆盖全世界的电信网-每一部电话都连接到电话交换机上，可以把电话交换机简单的看成是一个有多个开关的开关器，可以将需要通信的任意两部电话的电话线路按需接通，从而大大减少了连接的电话线数量，当电话机的数量增多时，就需要使用很多彼此连接起来的电话交换机来完成全网的交换任务。

2. 分组交换(Packet Switching)

在因特网中，最重要的分组交换机就是路由器，他负责将各种网络互连起来，并对接收到的分组进行转发，也就是进行分组交换。

例子:假设主机H6的用户要给H2的用户发送一条消息，通常我们把表示该消息的整块数据称为报文。

在发送报文之前，先把较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段，在每一个数据段之前，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组，也可简称为包，相应的首部也可称为包头，首部中包含了分组的目的地址让分组传输路径中的各分组交换机知道如何转发分组。

分组交换机收到一个分组后，先将分组暂时存储下来，在检查其首部，按照首部中的目的地址进行查表转发，找到合适的转发接口，通过该接口将分组转发给下一个分组交换机，在本例中，主机H6将所构造出的各分组依次发送出去，各分组经过途中各分组交换机的存储转发，最终到达主机H2，主机H2收到这些分组后，去掉他们的首部，将各数据段组合还原出原始报文。

分组传输过程中的两种情况:

各分组从源站到达目的站可以走不同的路径(也就是不同的路由)。

分组乱序，分组到达目的站的顺序不一定与分组在源站的发送顺序相同。对于可能出现的分组丢失，误码，重复等问题并没有演示

报文交换和分组交换存储转发方式

3. 报文交换(Message Switching)

定义: 报文交换（英文：message switching），又称存储转发交换，是数据交换的三种方式之一，报文整个地发送，一次一跳。报文交换是分组交换的前身，是由莱昂纳多·克莱洛克于1961年提出的。
特点: 存储接收到的报文，判断其目标地址以选择路由，最后，在下一跳路由空闲时，将数据转发给下一跳路由。报文交换系统现今都由分组交换或电路交换网络所承载。

4. 电路交换,报文交换,分组交换三者区别

电路交换

优点	原因
通信时延小	通信线路为通信双方用户专用，数据直达
有序传输	通信双方之间只有一条专用的通信线路
没有冲突	不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题
适用范围广	电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号
实时性强	得益于其通信时延小
控制简单	电路交换机的结点交换及其控制都比较简单

缺点	原因
建立连接时间长	电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长
线路独占，使用效率低	电路一旦建立连接，物理通路就会被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用
灵活性差	只要连接所建立的物理通路中的任何一点出现了故障，就必须重新拨号建立新的连接
难以规格化	电路交换时，数据直达，不同类型，不同规格，不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制

报文交换

优点	原因
无需建立连接	报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接的时延，用户可以随时发送报文
动态分配线路	当发送方把报文传送给结点交换机时，结点交换机先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去
提高线路可靠性	如果某条传输路径发生故障，会重新选择另一条路径传输数据
提高线路利用率	通信双方不是固定占用一条通信线路，而是在不同的时间分段部分占用物理线路
提供多目标服务	一个报文可以同时发送给多个目的地址

缺点	原因
引起了转发时延	报文在结点交换机上要经历存储转发的过程
需要较大存储缓存空间	报文交换对报文的大小没有限制
需要传输额外的信息量	报文需要携带目标地址，源地址等信息

分组交换

优点	原因
无需建立连接	分组交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接的时延，用户可随时发送分组
线路利用率高	通信双方不是固定占用一条通信线路，而是在不同的时间分段部分占用物理线路
简化了存储管理分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，管理起来相对容易
加速传输	由于分组是逐个传输的使得后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作同时进行
减少出错概率和重发数据量	分组比报文小，即便分组出错，也只需重传出错的分组

缺点	原因
引起了转发时延	分组在结点交换机上要经历存储转发的过程
需要传输额外的信息量	将原始报文分割成等长的数据块，每个数据块都要加上源地址，目的地址等控制信息
对于数据报服务，存在失序，丢失或重复分组的问题;对于虚电路服务，存在呼叫建立，数据传输和虚电路释放三个过程	分组到达目的结点时，需要重新还原成原始报文，比较麻烦，若采用虚电路服务，虽然没有失序问题，但有存在三个过程

三.计算机网络的定义和分类

1.计算机网络的定义

<1>计算机网络的精确定义并未统一.
<2>计算机网络最简单的定义是: 一些互相连接的，自治的计算机的集合。

互连: 是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信。

自治: 是指独立的计算机，他有自己的硬件和软件，可以单独的运行和使用。

集合: 是指至少需要两台计算机。

<3>计算机网络较好的定义是: 计算机网络主要是由一些通用的，可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的(例如，传送数据或者视频信号)。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机等智能硬件。

计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用。

2.计算机网络的分类

公用: 所有意愿按电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用这种网络。
专用: 某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络，不向本单位以外的人提供服务。

有线网络: 包括双绞线网络，光纤网络。

无线网络: 无线局域网所使用的WIFI技术。

广域网: 广域网的覆盖范围通常为几十公里到几千公里，可以覆盖一个国家，地区，甚至横跨几个州，也称为远程网。是因特网的核心部分，其任务是为核心路由器提供距离高速连接，互联分布在不同区域的域域网和局域网。

城域网: 覆盖范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，城域网通常作为城市骨干网，互联大量企业，机构和校园局域网。

局域网: 一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，但地理上则局限在较小的范围内，局域网通常由某个单位单独拥有，使用和维护。

个域网: 是个人局域网络的简称，不是用来连接普通计算机的，而是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备(例如鼠标，键盘等)，用无线技术连接起来的网络，也称为无线个人区域网。

总线型网络: 使用单根传输线把计算机连接起来。

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，总线任意一处出现故障，则全网瘫痪。

星型网络: 将每个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，后来是集线器。现在一般是交换机或路由器。

优点: 这种网络拓扑便于网络的集中控制和管理，因为端用户之间的通信必须经过中央设备。
缺点: 成本高，中央设备对故障敏感。

环形网络: 将所有计算机的网络接口连接成一个环。环可以是单环也可以是双环，环中信号是单向传输的。

网状型网络: 每个结点至少由两条路径与其他结点相连，多用在广域网中。

优点: 可靠性高。
缺点: 控制复杂，线路成本高。

四. 计算机网络的性能指标

计算机网络性能指标

<1>性能指标可以从不同的方面来度量计算机网络的性能。
<2>常用的计算机网络的性能指标有以下8个:

速率

带宽

吞吐量

时延

时延带宽积

往返时间

利用率

丢包率

1.速率

例题1

2.带宽

"带宽"的这两种表达之间有着密切的联系。一条通信线路的 "频带宽度"越宽，其所传输的数据的 “最高数据率也越高”。

3.吞吐量

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的数据量。

吞吐量被经常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。

吞吐量受网络的宽带或额定速率的限制。

4.时延

源主机和目的主机之间的路径会由多段链路和多个路由器构成，因此会有多个传播时延和处理时延。
发送时延: 源主机将分组发往传输线路需要花费一定的时间。
传播时延: 分组的电信号在链路上传输需要花费一定的时间。
处理时延: 路由器收到分组后，对其进行存储转发需要花费一定的时间。

计算公式:

例题2

例题3

5.时延带宽积

若发送端连续发送数据，则在发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特。

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

6.往返时间

在许多情况下，因特网上的信息不仅仅单方向传输，而是双机交互。
我们有时候很需要知道双向交互一次所需的时间。
因此，往返时间 RTT(Round-Trip Time) 也是一个重要的指标。

卫星链路耗时较多，因为卫星链路距离比较远，所带来的传播时延比较大.

7. 利用率

8. 丢包率

丢包率即分组丢包率，是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
丢包率具体分为接口丢包率，结点丢包率，链路丢包率，路径丢包率，网络丢包率等。
丢包率是网络运维人员非常关心的一个网络性能指标，但对于普通用户来说往往并不关心这个指标，因为他们通常意识不到网络丢包。

五. 计算机网络体系结构

1. 常见的计算机网络体系结构

IP协议(网际协议)是TCP/IP体系结构网际层的核心协议: 一方面负责互联不同的网络接口，另一方面为各种网络应用提供服务。
TCP和UDP是TCP/IP体系结构运输层的两个重要协议。
IP协议可以将不同的网络接口进行互连，并向其上的TCP协议和UDP协议提供网络互连服务。
TCP协议在享受IP协议提供的网络互连服务的基础上，可向应用层的相关协议提供可靠传输的服务。
UDP协议在享受IP协议提供的网络互连服务的基础上，可向应用层的相关协议提供不可靠传输的服务。

2. 分层的必要性

低电平表示0，高电平表示1.

传输媒体并不属于物理层，他并不包含在体系结构之中。

计算机网络中传输的信号，并不是我们举例的方波信号。

MAC地址就是主机在网络中的地址，主机在发送数据时，应该给数据附加上目的地址，当其他主机收到后，根据目的地址和自身地址，来决定是否接受数据。

碰撞: 某个时刻总线是空闲的，也就是没有主机使用总线来发送数据，片刻之后，主机B和D同时向总线发送数据，造成信号碰撞。

现在常用的是使用以太网交换机将多台主机互连形成的交换式以太网。

网络层的问题

运输层的问题

应用层

3. 专用术语

实体

协议

服务

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