注：前言、目录见 https://blog.csdn.net/qq_44220418/article/details/108428971

文章目录

一、计算机网络在信息时代中的作用
- 1、“三网”
- 2、互联网的特点
二、互联网概述
- 1、计算机网络
- 2、互联网基础结构发展三阶段
三、互联网的组成
- 1、组成划分
- 2、边缘部分
- - (1).端系统
  - (2).计算机之间的通信
  - - [1].本质
    - [2].方式
    - - {1}.客户-服务器方式（C/S方式）
      - {2}.对等连接方式（P2P方式）
- 3、核心部分
- - (1).路由器
  - (2).数据传输的三种交换方式
  - - [1].电路交换
    - [2].分组交换
    - - {1}.介绍
      - {2}.分组处理过程
      - {3}.分组交换网服务
      - {4}.优缺点
      - {5}.和电路交换的区别
    - [3].报文交换
    - [4].三种交换的比较
四、计算机网络在我国的发展
五、计算机网络的类别
- 1、按网络覆盖范围分类
- 2、按网络使用者分类
- 3、接入网
六、计算机网络的性能
- 1、性能指标
- - (1).速率
  - (2).带宽
  - (3).吞吐量
  - (4).时延
  - - [1].发送时延
    - [2].传播时延
    - [3].处理时延
    - [4].排队时延
  - (5).时延带宽积
  - (6).往返时延RTT
  - (7).利用率
七、计算机网络体系结构
- 1、协议
- 2、分层
- 3、体系结构
- 4、实体、协议、服务和服务访问点
- - (1).实体
  - (2).协议与服务
  - (3).服务访问点
- 5、TCP/IP的体系结构

一、计算机网络在信息时代中的作用

1、“三网”

网络即为“三网”——电信网络、有线电视网络、计算机网络，其中发展最快并起到核心作用的是计算机网络

2、互联网的特点

互联网的两个重要基本特点：连通性、共享

二、互联网概述

1、计算机网络

计算机网络（简称“网络”）由若干结点和连接这些节点的链路组成

其中，结点可以是{路由器（网络层）交换机（链路层）集线器（物理层）\begin{cases} 路由器 & （网络层） \\ 交换机 & （链路层） \\ 集线器 & （物理层） \end{cases}⎩⎪⎨⎪⎧路由器交换机集线器（网络层）（链路层）（物理层）

2、互联网基础结构发展三阶段

互联网是“网络的网络”

互联网基础结构发展的三个阶段：

Created with Raphaël 2.2.0第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展第二阶段：建成了三级结构的互联网第三阶段：逐渐形成了多层次ISP结构的互联网

知识点：

三级计算机网络分为{主干网地区网局域网/本地网（例如：校园网、企业网）\begin{cases} 主干网 \\ 地区网 \\ 局域网/本地网 & （例如：校园网、企业网） \end{cases}⎩⎪⎨⎪⎧主干网地区网局域网/本地网（例如：校园网、企业网）
ISP为互联网服务提供商（如：中国移动、中国电信、中国联通）

三、互联网的组成

1、组成划分

互联网从工作方式上可以分为两大块：{边缘部分由所有连接在互联网上的主机组成，这部分是用户直接使用的核心部分由大部分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\begin{cases} 边缘部分 & 由所有连接在互联网上的主机组成，这部分是\textbf{用户直接使用}的 \\ 核心部分 & 由大部分网络和连接这些网络的路由器组成，这部分是\textbf{为边缘部分提供服务}的 \end{cases}{边缘部分核心部分由所有连接在互联网上的主机组成，这部分是用户直接使用的由大部分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

2、边缘部分

(1).端系统

处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有主机，这些主机又称为端系统

(2).计算机之间的通信

[1].本质

主机A和主机B进行通信⇔主机A上的某个程序和主机B上的某个程序进行通信⇔主机A上的某个进程和主机B上的某个进程进行通信\begin{aligned} 主机\text{A}和主机\text{B}进行通信 & \Leftrightarrow 主机\text{A}上的\textbf{某个程序}和主机\text{B}上的\textbf{某个程序}进行通信\\ & \Leftrightarrow 主机\text{A}上的\textbf{某个进程}和主机\text{B}上的\textbf{某个进程}进行通信 \end{aligned}主机A和主机B进行通信⇔主机A上的某个程序和主机B上的某个程序进行通信⇔主机A上的某个进程和主机B上的某个进程进行通信

这样的通信，简称为计算机之间通信

[2].方式

{1}.客户-服务器方式（C/S方式）

客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程

客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系：{客户服务请求方服务器服务提供方\begin{cases} 客户 & 服务请求方\\ 服务器 & 服务提供方 \end{cases}{客户服务器服务请求方服务提供方

客户程序和服务器程序主要有以下特点：

客户端程序：

被调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）
因此客户程序必须知道服务器程序的地址

不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统

服务器程序:

是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求

系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求
因此服务器程序不需要知道客户程序的地址

一般需要有强大的硬件和高级的操作系统支持

{2}.对等连接方式（P2P方式）

只要两台主机都运行了对等连接软件（P2P软件），他们就可以进行平等的、对等连接通信，这种工作方式被称为P2P方式

3、核心部分

网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一台主机都能够向其他主机通信

互联网的核心部分是由许多网络和把它们互联起来的路由器组成的

(1).路由器

在网络核心部分其特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机

路由器是实现分组交换的关键构件，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

路由器和主机的区别：

主机是为用户进行信息处理的
路由器是用来转发分组（分组交换）的

(2).数据传输的三种交换方式

交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源

[1].电路交换

电路交换具有如下特点：

必定是面向连接的
必定经过【建立连接 → 通信 → 释放连接】三个步骤
在通信的全部时间内，通信的两个用户始终占用端到端的通信资源

电路交换也有以下显著的缺点：

计算机数据具有突发性
电路交换的线路的传输效率往往很低

[2].分组交换

{1}.介绍

分组交换采用存储转发技术

通常我们把要发送的整块数据称为一个报文

在发送报文前，先将报文划分为一个个更小的等长数据段，并在这些数据段前加入一些必要的控制信息组成的首部，就构成了一个分组（分组又称为包，首部可称为包头）

分组的首部包含了目的地址、原地址、偏移量（索引）等重要控制信息

分组是在互联网中传送的数据单元

{2}.分组处理过程

路由器处理分组过程如下：

1. 把收到的分组存入缓存

2. 查找转发表，找出从某目的地的地址应该从哪个端口转发

3. 把数据从输出窗口中取出

4. 把取出的分组运到合适的端口转发出去

{3}.分组交换网服务

所有的分组交换网可以提供两种服务{面向连接（一条固定的传输路，但仍为存储转发的方式）无连接（路由可变化，无需事先建立连接）\begin{cases} 面向连接 & （一条固定的传输路，但仍为存储转发的方式） \\ 无连接 & （路由可变化，无需事先建立连接） \end{cases}{面向连接无连接（一条固定的传输路，但仍为存储转发的方式）（路由可变化，无需事先建立连接）

其中，面向连接的分组交换网服务和电路交换类似但不同，区别在于{电路交换（物理连接）分组交换（逻辑连接）\begin{cases} 电路交换 & （物理连接） \\ 分组交换 & （逻辑连接） \end{cases}{电路交换分组交换（物理连接）（逻辑连接）

{4}.优缺点

优点

高效：分组传输过程中动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用
灵活：为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
迅速：以分组为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
可靠：保证可靠性的网络协议、分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性

缺点

分组在各路由器存储转发时需要排队，造成一定的时延
分组需要额外增加首部，会造成额外的开销

{5}.和电路交换的区别

电路交换、分组交换的根本区别在于 分组交换网中路由器的输入和输出端口之间没有直接连线

[3].报文交换

特点：

以报文为单位
存储转发（分组交换也是存储转发）

[4].三种交换的比较

如下图所示：

四、计算机网络在我国的发展

全国规模最大的公共计算机网络：{中国电信互联网CHINANET中国联通互联网UNINET中国移动互联网CMNET中国教育和科研计算机网CERNET中国科学技术互联网CSTNET\begin{cases} 中国电信互联网 & \text{CHINANET} \\ 中国联通互联网 & \text{UNINET} \\ 中国移动互联网 & \text{CMNET} \\ 中国教育和科研计算机网 & \text{CERNET} \\ 中国科学技术互联网 & \text{CSTNET} \end{cases}⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧中国电信互联网中国联通互联网中国移动互联网中国教育和科研计算机网中国科学技术互联网CHINANETUNINETCMNETCERNETCSTNET

五、计算机网络的类别

关于计算机网络比较好的定义：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互联而成的

1、按网络覆盖范围分类

按网络覆盖范围分类：{广域网WAN城域网MAN局域网LAN个人区域网PAN\begin{cases} \color{red}广域网 & \color{red}\text{WAN} \\ 城域网 & \text{MAN} \\ \color{red}局域网 & \color{red}\text{LAN} \\ 个人区域网 & \text{PAN} \end{cases}⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧广域网城域网局域网个人区域网WANMANLANPAN

Tips:

广域网是互联网的核心部分，范围在几十到几千公里，连接互联网各节点交换机的链路一般都是高速链路（如：光纤）

局域网一般局限在较小范围内

2、按网络使用者分类

按网络使用者分类：{公用网专用网\begin{cases} 公用网\\ 专用网 \end{cases}{公用网专用网

3、接入网

用来把用户接入到互联网的网络——接入网，由ISP提供的接入网只是起到让用户能够与互联网连接的“桥梁”作用

六、计算机网络的性能

1、性能指标

(1).速率

速率（数据率、比特率）是计算机网络上的主机在数字信道上的传送数据的速率（发送器把数据发送到网线上的速率）

速率往往是指额定速率或标称速率

常用单位：{bit/sKbit/sMbit/sGbit/s\begin{cases} bit/s \\ Kbit/s \\ Mbit/s \\ Gbit/s \\ \end{cases}⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧bit/sKbit/sMbit/sGbit/s

bit/sbit/sbit/s也可以写作b/sb/sb/s或bpsbpsbps，其余单位也有类似写法

单位区分

区分Kb（Kbits）Kb（Kbits）Kb（Kbits）和KB（KByte）KB（KByte）KB（KByte）

区分单位转换：{1Gb/s=103Mb/s=106Kb/s=109b/s1GB=210MB=220KB=230B\begin{cases} 1Gb/s &= 10^3Mb/s &= 10^6 Kb/s &= 10^9 b/s\\ 1GB &= 2^{10}MB &= 2^{20} KB &= 2^{30} B \end{cases}{1Gb/s1GB=103Mb/s=210MB=106Kb/s=220KB=109b/s=230B

(2).带宽

带宽本来是指信号具有的频带宽度，单位为赫、千赫等

计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是在单位时间内从网络的一点到另一点所能通过的最高数据率（网络通行能力）

常用单位bit/sbit/sbit/s

Tips：速率和带宽相互约束并有所区别，题目中进行数据计算时，一般认为两者一致

(3).吞吐量

吞吐量表示单位时间内通过某个网络的数据量

带宽表示理论上网络能达到的最大值，吞吐量表示实际上网络到达的最大值，因此往往吞吐量≤带宽吞吐量≤带宽吞吐量≤带宽

(4).时延

时延是指数据（一个报文、一个分组、甚至一个比特）从网络（链路）的一端传送到另一端所需要的时间

时延可分为{发送时延传播时延处理时延排队时延\begin{cases} 发送时延\\ 传播时延\\ 处理时延\\ 排队时延 \end{cases}⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧发送时延传播时延处理时延排队时延

计算公式总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延{\color{#BA55D3}总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延}总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

[1].发送时延

发送时延（传输时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间

计算公式发送时延=数据块长度（比特）发送速率（比特/秒）{\color{#BA55D3}发送时延 = \frac{数据块长度（比特）}{发送速率（比特/秒）}}发送时延=发送速率（比特/秒）数据块长度（比特）

[2].传播时延

传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间

计算公式传播时延=信道长度（米）电磁波在信道上的传播速率（米/秒）{\color{#BA55D3}传播时延 = \frac{信道长度（米）}{电磁波在信道上的传播速率（米/秒）}}传播时延=电磁波在信道上的传播速率（米/秒）信道长度（米）

常见传播速率{光速3×108m/s铜线2.3×108m/s光纤2.0×108m/s\begin{cases} 光速 & 3 \times 10^8m/s \\ 铜线 & 2.3 \times 10^8m/s \\ 光纤 & 2.0 \times 10^8m/s \end{cases}⎩⎪⎨⎪⎧光速铜线光纤3×108m/s2.3×108m/s2.0×108m/s

[3].处理时延

处理时延是交换节点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间

[4].排队时延

排队时延是结点缓存队列中分组排队经历的时延

Tips：

对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率
提高链路宽带减小了数据的发送时延

(5).时延带宽积

计算公式时延带宽积=传播时延×带宽{\color{#BA55D3}时延带宽积 = 传播时延 \times 带宽}时延带宽积=传播时延×带宽

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

(6).往返时延RTT

往返时延（RTT）表示从发送方发送数据开始到发送发收到来自接收方的确认，总共经历的时间

在互联网中，往返时延还包括各中间结点（不包括起点、终点处）的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延

计算公式
{发送时间=数据长度发送速率有效数据率=数据长度发送时间+RTT\begin{cases} 发送时间 = \frac{数据长度}{发送速率}\\ \\ 有效数据率 = \frac{数据长度}{发送时间+ \text{RTT}} \end{cases}⎩⎪⎨⎪⎧发送时间=发送速率数据长度有效数据率=发送时间+RTT数据长度

Tips：数据长度取决于交换方式，比如在分组交换中其实是分组长度

(7).利用率

信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的

网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值

信道利用率并非越高越好：D=D01−U，其中{D0表示网络空闲时的时延D表示网络当前的时延U表示利用率D = \frac{D_0}{1-U}，其中 \begin{cases} D_0表示网络空闲时的时延 \\ D表示网络当前的时延 \\ U表示利用率 \end{cases} D=1−UD0，其中⎩⎪⎨⎪⎧D0表示网络空闲时的时延D表示网络当前的时延U表示利用率

信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延

信道利用率=占用信道的时间总时延信道利用率 = \frac{占用信道的时间}{总时延}信道利用率=总时延占用信道的时间

七、计算机网络体系结构

1、协议

协议是指在计算机网络中事先约定好的必须遵守的一些规则，这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题

这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议，简称协议

协议主要有以下三个要素组成{语法数据与控制信息的结构或格式语义需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应同步事件实现顺序的详细说明\begin{cases} 语法 & 数据与控制信息的结构或格式 \\ 语义 & 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应 \\ 同步 & 事件实现顺序的详细说明 \end{cases}⎩⎪⎨⎪⎧语法语义同步数据与控制信息的结构或格式需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应事件实现顺序的详细说明

2、分层

相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种协调相当复杂

分层可以将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理

分层的好处：: ① 各层间独立; ② 灵活性好; ③ 结构上可分割开; ④ 易于实现和维护; ⑤ 能促进标准化工作

若层数太少，每一层的协议就会太复杂
若层数太多，又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难

通常各层所要完成的功能有：: ① 错差控制：使得对等层的通信更加可靠; ② 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快; ③ 分段和重装：发送端需要将发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原; ④ 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接; ⑤ 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接

3、体系结构

计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构（计算机间进行通信的模型）

计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件（可以是硬件也可以是软件）所应完成的功能的精确定义

体系结构是抽象的；实现是具体的，是真正在运行的的计算机硬件和软件

OSI为七层协议体系结构，TCP/IP为四层协议体系结构
综合两者的优点，学习时采用一种只有五层协议的体系结构

五层协议体系结构：

应用层: 任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用; 我们把应用层交互的数据单元称为“报文”

运输层

任务是负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务

运输层主要使用以下两种协议：

传输控制协议（TCP）：面向连接，可靠，以报文段为数据传输单位
用户数据报协议（UDP）：无链接，尽最大努力（不可靠），以用户数据报为数据传输单位

网络层: 任务是负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务; 网络层把运输层产生的报文段或用户数据封装成分组或包进行传送（由于网络层使用的是IP协议，因此分组也叫IP数据报，或简称数据报）

数据链路层（链路层）: 在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据段组装成帧，在两个相邻结点的链路上传送帧（每一帧包括数据和必要的控制信息）

物理层: 功能即传输比特流; 传输单位为比特

4、实体、协议、服务和服务访问点

(1).实体

实体往往表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

(2).协议与服务

协议: 协议是控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合
服务: 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务，要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务; 使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议，即下面的服务对上面的实体是透明的
协议与服务的不同特点: 协议是“水平的”，协议是控制对等实体之间通信的规则; 服务是“垂直的”，服务是由下层向上层通过层间接口提供的
协议的重要特点: 协议必需把所有不利的条件实现都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的; 看一台计算机网络协议是否正确，不能只看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况

(3).服务访问点

在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方，通常称为服务访问点（SAP）

相邻两层间的关系如下图所示：

5、TCP/IP的体系结构

如下图所示，这种像沙漏计时器形状的TCP/IP协议族表明：{everythingoverIPTCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务IPovereverythingTCP/IP协议允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行\begin{cases} everything \ over \ IP & \text{TCP/IP}协议可以为各式各样的应用提供服务 \\ IP \ over \ everything & \text{TCP/IP}协议允许\text{IP}协议在各式各样的网络构成的互联网上运行 \end{cases}{everything over IPIP over everythingTCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务TCP/IP协议允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行

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