计算机网络第一节（网络概述，交换方式，性能指标，附对应拓扑图）
计算机网络-网络概述
计算机网络已经由一种通信基础设施发展成一种重要的信息服务基础设施
网络，互联网，因特网
- 网络：由若干结点和连接这些结点的链路组成
- 互联网：多个网络通过路由器连接起来，构成覆盖面更大的网络，互联网是网络的网络
- 因特网：世界上最大的互联网
因特网发展三个阶段
| 第一阶段 | 第二阶段 | 第三阶段 |
|---|---|---|
| 1969年，第一个分组交换网ARPANET诞生 | 1985年，NSF围绕六个大型计算机中心建设NSFNET（主干网，地区网，校园网） | 1993年，NSFNET逐渐被若干个商用因特网主干网取代，政府机构不再运营因特网，让因特网服务提供者ISP运营 |
| 70年代中期，开始研究多种网络之间的互联 | 1990年，ARPANET关闭 | 1994年，万维网技术使因特网进一步发展 |
| 1983年，TCP/IP协议成为ARPANET的标准协议，因特网也在此时诞生 | 1991年，美国政府将因特主干网交与私人公司运营，开始向接入因特网单位收费 | 1995年，NSFNET停止运作，因特网彻底商业化 |
因特网服务提供者ISP
如图所示路径，用户以此路径访问因特网，而我国的ISP则主要是：移动，联通，电信
因特网三层结构
因特网从内到外分为三层：国际性主干网，区域性或国家性覆盖规模，本地范围。每层之间通过不同的ISP进行接入，将每层内部的结构进行串联起来，并且用户访问的是本地范围，当两用户处于不同的ISP服务商下，可能会通过不同层的ISP进行访问
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，用户可直接使用，用来通信与资源共享
- 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，用于向边缘部分提供服务
三种交换方式
交换的定义：从资源分配角度来看，交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源
电路交换
定义：电话交换机接通电话线的方式称为电路交换
如图所示的电路交换网，每部电话机通过电话线连接到交换机，交换机再连接起来就组成了我们的电信网，并且用户电话机连接到交换机的电话线归用户所用，但是交换机间的中继线是归所有用户公用的
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）
需要格外注意：使用电路交换来传输计算机数据时，其效率往往很低，因为计算机数据往往是突发出现在链路中的，当用户中途中断输入时，链路仍然被占用，不能被其他用户使用，导致资源浪费
电路交换的优缺点
优点：通信时延小，有序传输，没有冲突，适用范围广，实时性强，控制简单
缺点：建立连接时间长，线路独占，使用效率低，灵活性差，难以规格化
分组交换
如图所示的网络拓扑，在分组交换的过程中传递的数据我们称之为报文，而拓扑中的路由器则类似于电路交换中的交换机，当一个用户要向另一个用户发送消息时，我们将该消息数据称为一个报文，在发送报文之前将整个报文划分为一个个更小的等长数据段，在每段数据前加上控制信息首部（简称首部）后构成分组，每个分组简称为包，控制信息首部则简称为包头。
控制信息首部的作用：包含识别地址等等关键信息
分组交换的过程
- 在发送主机处，首先数据（报文）被分为等长的分组，并且被加上首部
- 链路中的路由器将分组先存储下来，再根据首部提供的目的地址查表转发，找到合适的接口，传递分组到接收主机或者下一个路由器（有可能出现分组误码，重复，丢失）
注意：分组到达目标主机的过程中，可以经过不同路由，并且分组到达的顺序不一定是发送顺序（分组乱序）
分组交换各部分功能
- 发送主机：构造分组，发送分组
- 路由器：缓存分组，转发分组
- 接收主机：接收分组，还原报文
分组交换的优缺点
优点：无需建立连接，线路利用率高，简化了存储管理，加速传输，减少出错概率和重发数据量
缺点：引起转发时延，传输额外信息量，对于数据报服务，存在失序，丢失或重复分组问题；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
报文交换
报文交换与分组交换过程类似，报文交换中的交换节点也采用存储转发方式，但是报文交换对报文的大小没有限制，要求交换节点有较大缓存空间，早期报文交换主要用于电报通信网，现在很少使用，往往被更加先进的分组交换方式所取代
报文交换优缺点
优点：无需建立连接，动态分配线路，提高线路可靠性与利用率，提供多目标服务
缺点：转发时延，需要较大缓存空间，需要额外信息量传输
三种方式的比较
分组交换和报文交换都不需要事先直接建立连接
电路交换：比特流直达终点
报文交换：数据通过各级交换机与路由器，存储转发
分组交换：相比于报文交换，减少了转发时延，避免过长报文长时间占用链路，有利于进行差错控制
计算机网络定义
计算机网络的最简单定义
计算机网络的精确定义并未统一，但是有最简单定义：
计算机网络的简单定义：一些互相连接的，自治的计算机的集合
- 互相连接：计算机之间可以通过有线或无线方式进行数据通信
- 自治：指独立的计算机，有自己的硬件和软件，可以单独运行使用
- 集合：指至少需要两台计算机
这里需要注意的是
如图所示的拓扑图，是大部分学校机房的部分截取图，它并不是计算机网络，因为终端机只有输入输出的功能，不满足自治的条件
计算机网络的较好定义
计算机网络主要由一些通用的，可编程的硬件连接而成，并且这些硬件并非专门用来实现一特一目的，可以用来传递不同类型的数据，并且支持广泛和日益增长的应用
- 并不局限于一般的计算机，还包括手机等智能硬件
- 计算机网络并非专门用来传输数据，而且支持多种应用（包括今后可能出现的各种应用）
计算机网络的分类
按交换方式分为：电路交换网络，报文交换网络，分组交换网络
按使用者分为：
- 公用网：又称广域网，连接不同地区局域网或计算机通信的远程网承接很大的物理范围，即我们日常使用的网络）
- 专用网：即内网，供部分个人或者组织为特殊业务工作建立的私有网络，如常见的校园网，即非网络成员无法使用
按覆盖的范围分类：
- 广域网WAN：它是因特网的核心组成部分，其任务是为核心路由器提供远距离（跨国网络）的高速连接，互联不同区域的城域网和局域网
- 城域网MAN：通常作为城市骨干网，互联大量企业，校园的的局域网，作用区域一般为一个城市或几个街区，其作用距离为5-50公里
- 局域网LAN：一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，速率通常10 Mbit/s 以上，但是地理上局限于较小的范围内，距离在一公里左右，局域网由每个单位单独拥有，使用，维护
- 个域网PAN：它不是用来连接普通计算机的，而是在个人的工作地方将属于自己的电子设备用无线技术相连组成的网络，也被称为WPAN，覆盖范围约10m
按拓扑结构分类：
总线型网络：如图所示，它的优点是：建网容易，增减结点方便，节省线路。缺点是：重负载时通信效率不高，总线任意一处出现问题，则全网瘫痪
星型网络：如图所示，它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），这种网络便于集中控制和管理，因为用户间通信必须经过中央设备，但是其成本较高，中央设备对故障较为敏感
环形网络：将所有计算机的接口连成一个环，环可以是单环，也可以是双环，环中的信号是单向传输的
网状型网络：分组交换处展示的拓扑图即是网状型网络，一般情况下每个结点至少由两条路径与其他结点相连，优点是可靠性高，缺点是控制复杂，线路成本高
注意：如果中央处理器距离非常近，我们称为多处理机系统，而不是计算机网络，并且上述的四种基本网络拓扑还可以互连为更加复杂的网络
计算机网络的性能指标
计算机网络性能指标（八个）：速率 带宽 吞吐量 时延 时延带宽积 往返时间 利用率 丢包率
速率
比特
比特是计算机中的数据量单位，也是信息论中信息量的单位。一比特就是二进制数字中的一个0/1，单位字节（一字节8比特）
| 单位 | 换算 |
|---|---|
| 比特 bit | 8bit = 1Byte（字节，简写为B） |
| KB | 1KB = 2 10 2^{10} 210 B |
| MB | 1MB =K·KB = 2 10 2^{10} 210· 2 10 2^{10} 210 B = 2 20 2^{20} 220B |
| GB | 1GB = K·MB = 2 10 2^{10} 210· 2 20 2^{20} 220 = 2 30 2^{30} 230B |
| TB | 1TB = K·GB = 2 10 2^{10} 210· 2 30 2^{30} 230 = 2 40 2^{40} 240B |
注意：生活中的磁盘厂商的换算是基于1000的，那么标称硬盘换算实际上是（128G为例）：(128* 1 0 9 10^9 109)/ 2 30 2^{30} 230
速率
速率指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为比特率或数据率(bit/s)
| 单位 | 每秒比特数 (bps) | 科学计数法表示 |
|---|---|---|
| 1 bps | 1 | 1 |
| 1 Kbps | 1,000 | 1 x 1 0 3 10^3 103 |
| 1 Mbps | 1,000,000 | 1 x 1 0 6 10^6 106 |
| 1 Gbps | 1,000,000,000 | 1 x 1 0 9 10^9 109 |
| 1 Tbps | 1,000,000,000,000 | 1 x 1 0 12 10^{12} 1012 |
| 1 Pbps | 1,000,000,000,000,000 | 1 x 1 0 15 10^{15} 1015 |
注意：计算速率时通常需要转化到比特进行计算，数据量与速率为相同单位时需要注意比特和速率的单位换算是不一样的（偶尔是可以约分约去的或者某些地方规定是一致的）
带宽
模拟信号系统定义：信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围（单位是赫兹，Hz）
计算机系统定义：用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此带宽表示从网络的一端传输数据到网络的另一端的“最高数据率”（它的单位与速率的单位是一致的，bit/s…）
注意：一条通信线路的频带越宽，其所传输数据的最高数据率也就越高
吞吐量
吞吐量是在单位时间内通过某个网络或信道（接口）的数据量，并且受网络带宽和额定速率的限制
吞吐量用于对现实网络的测量，以便知道实际上有多少数据量可以通过网络
时延
源主机将数据分组发送给传输线路，产生发送时延（发送时延 = 分组长度/发送速率）
数据分组在电路上以电信号形式传播，产生传输时延（传播时延 = 信道长度/电磁波传播速率）
路由器对数据分组进行存储转发，产生处理时延
注意：由于数据存储转发存在多个数据包同时处理，则还存在排队时延，并且根据具体情况，不能单独认为某个时延占据主导
时延带宽积
时延带宽积：传播时延与带宽的积
如果发送端连续发送数据，则在一个比特将到达时，就已经发送了时延带宽积个比特
时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度
往返时间（RTT）
指的是从源主机发送分组开始，直到收到目标主机的确认分组为止所需要的时间（注意在传递信息时在卫星链路的耗时较多，约240ms）
利用率
信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的，即有数据通过（信道利用率并非越高越好）
网络利用率：全网络信道利用率加权平均
网络利用率超过50%时时延急剧加大，50%时成倍增加，100时时延趋于无限
网络空闲时的时延 D 0 D_0 D0，当前时延D，与利用率U之间的关系 D = D 0 D_0 D0/（1-U）
并且网络当前时延D从 D 0 D_0 D0开始随利用率U增加而增加，并且增加越来越快
丢包率
一定时间内丢失分组数量与总分组数量的比率，常见有：接口丢包，结点丢包，链路丢包，路径丢包，网络丢包等
分组丢失的情况
- 分组传输过程中出现误码，被节点交换机丢弃
- 分组到达队列全满的交换机被丢弃，通信量较大时就可能造成网络堵塞（交换机输入缓冲区已满）
注意：路由器会在根据自身拥塞情况，在输入缓冲区未满的情况下根据自身策略，主动丢弃数据分组
无拥塞时丢包率0%；轻度拥塞1%-4%；严重时5%-15%；
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