計算機網絡概述

一、計算機網絡發展歷史

1、身邊的三大類網絡

1、電信網絡：提供電話、電報及傳真等服務；
2、有線電視網絡：向用戶傳送各種電視節目；
3、計算機網絡：使用戶能在計算機之間傳送數據文件；（發展最快並起到核心作用）

2、互聯網的兩個重要特點

1、連通性

任何一臺計算機可以向另外一臺計算機發送消息
互聯網上任意兩臺計算機終端，不管距離多遠都是連通的，可以相互發送消息
計算機終端：能接入帶互聯網上的各種設備

2、共享性

3、計算機網絡、互連網、互聯網

1、計算機網絡

由若干節點和連接這些節點的鏈路組成；

2、互連網

通過路由器把網絡互連，構成覆蓋性更大的計算機網絡；

3、互聯網

特指Internet，覆蓋全球的計算機網絡；

4、互聯網基礎結構發展的三個階段

1、第一階段

從單個網絡ARPANET向互聯網發展的過程；
1983年：因特網誕生

2、第二階段

建成了三級結構的互聯網，一個三級計算機網絡，分爲主幹網、地區網和校園網或企業網；

3、第三階段

逐漸形成了多層次ISP結構的互聯網；
ISP（Internet Service Provider）互聯網服務提供者

二、互聯網的組成

從工作方式劃分：邊緣部分與核心部分

1、邊緣部分

1、在邊緣部分只有一種設備：主機
2、處在互聯網邊緣的部分就是連接在互聯網上的所有的主機。這些主機又稱爲端系統。
3、互聯網邊緣的部分就是多有能夠上網的設備，統稱爲主機。

2、端系統之間通信

1、主機A的某個進程和主機B上的另一個進程進行通信，簡稱爲計算機之間的通信。
2、端系統之間的通信方式有兩種

客戶-服務器方式（C/S方式）
即Client/Server方式，簡稱C/S方式。
對等方式（P2P方式）
即Peer-to-Peer方式，簡稱P2P方式。

3、客戶-服務器工作方式

客戶和服務器都是指通信中所涉及的兩個應用進程。
客戶-服務器所描述的是進程之間服務和被服務的關係。客戶是服務的請求方，服務器是服務的提供方。
客戶軟件的特點
- 被用戶調用後運行，打算在通信時主動向遠地服務器發起通信（請求服務）。因此，客戶程序必須知道服務器程序的地址。
- B/S方式：（Browse/Server方式）一種特殊的C/S方式。
- 不需要特殊的硬件和很複雜的操作系統。

4、服務器軟件的特點

專門用提供某種服務的程序，可同時處理多個遠地或本地客戶的請求。
被動等待並接受客戶的通信請求。因此，服務器程序不需要知道客戶程序的地址。
一般需要強大的硬件和高級的操作系統支持。

5、對等連接方式

對等連接（peer-to-peer，簡寫爲P2P）是指兩個主機在通信時並不區分哪一個是服務請求方還是服務提供方。
只要兩個主機都運行了對等連接軟件（P2P軟件），它們就可以進行平等的、對等連接通信。雙方都可以下載對方已經儲存在硬盤中的共享文檔。

3、核心部分

1、核心部分要向網絡邊緣中的大量主機提供連通性，使邊緣部分中的任何一個主機都能夠向其他主機通信。
2、路由器是實現分組交換的關鍵構件。

4、互聯網分類（網絡作用範圍）

1、局域網LAN（Local Area Network）

侷限在較小的範圍（如1公里左右）
互聯網的邊緣部分，主機都在局域網裏

2、城域網MAN（Metropolitan Area Network）

作用距離約爲5~50公里
城域網通過接入網連接各種局域網

3、廣域網WAN（Wide Area Network）

作用範圍通常爲幾十到幾千公里
互聯網的核心部分，通過高速鏈路把城域網連接到一起
各級廣域網的連接就是覆蓋全球的互聯網

4、接入網AN（Access Network）
接入網AN（Access Network），它又稱爲本地接入網或居民接入網，接入網是一類比較特殊的計算機網絡，用於將用戶接入互聯網。

ASDL接入
光纖同軸混合網（HFC）接入
FTTx接入
3G/4G/5G接入
衛星網絡接入
接入網本身既不屬於互聯網的核心部分，也不屬於互聯網的邊緣部分。

三、電路交換和分組交換

1、在網絡核心部分起特殊作用的是路由器（router）。
2、路由器是實現分組交換（packet switching）的關鍵構件，其任務是轉發收到的分組，這是網絡核心部分最重要的功能。
3、核心部分：分組交換技術

1、電路交換

1、每一部電話都直接連接到交換機上，二交換機使用交換的方法，讓電話用戶彼此之間可以很方便地通信。所採用的的方式就是電路交換（circuit switching）。
2、交換即轉接；從通信資源的分配角度來看，“交換”就是按某種方式動態地分配傳輸路線的資源。
3、電路交換三個階段

建立連接
通信
釋放連接

4、電路交換的缺點

計算機數據具有突發性；
通信線路的利用率很低，用來傳送數據的時間往往不到10%甚至1%；

2、分組交換

1、分組交換技術採用儲存轉發技術
2、在發送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數據段，然後在每一個數據段前面添加上首部構成分組（packet）；每一個分組的首部都含有目的地址和源地址等控制信息。
3、分組交換網以“分組”作爲數據傳輸單元；依次把各分組發送到接收端。
4、路由器處理分組的過程是先把收到的分組先放入緩存，暫時儲存，再查找轉發表，找到某個目的地址應該從哪個端口轉發，最後把分組送到適當的端口轉發出去。
5、分組交換的優點

高效：在分組傳輸的過程中動態分配傳輸寬帶，對通信鏈路是逐段佔用。
靈活：爲每一個分組獨立地選擇最合適的轉發路由。
迅速：以分組作爲傳送單位，可以不先建立就能向其他主機發送分組。
可靠：保證可靠性的網絡協議；分佈式多路由的分組交換網，是網絡有很好的生存性。

6、分組交換的缺點

分組在各節點儲存轉發時需要排隊，會造成一定的延時。
分組必須攜帶的首部也造成了一定的開銷。

四、計算機網絡的性能

1、速率

1、比特（bit）是計算機中數據量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。
2、比特（bit）是一個“二進制數字”，因此一個比特就是二進制數字中的一個0或1.
3、速率是計算機網絡中最重要的一個性能指標，指的是數據的傳送速率，它也稱爲數據率（data rate）或比特率（bit rate）。
4、速率的單位是bit/s，或kbit/s、Mbit/s、Gbit/s等。4*10¹⁰ bit/s = 40Gbit/s

2、帶寬

1、意義

“帶寬”（bandwidth）本來是指信號具有的頻率寬度，其單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）
在計算機網絡中，帶寬用來表示網絡中某通道傳送數據的能力，表示在單位時間內網絡中的某信道所能通過的“最高數據率”。單位是bit/s，即“比特每秒”
在“帶寬”的上述兩種表述中，前者爲頻域稱謂，而後者爲時域稱謂，其本質是相同的。即一條通信鏈路的“帶寬”越寬，其所能傳輸的“最高數據率”也越高。

2、單位

千比每秒（kb/s，10³b/s）
兆比每秒（Mb/s，10⁶b/s)
吉比每秒（Gb/s，10⁹b/s）
太比每秒（Tb/s，10¹²b/s）

3、吞吐量

1、吞吐量（throughout）表示在單位時間內通過某個網絡（或信道，藉口）的數據量-
2、吞吐量更經常地用於對現實世界中的網絡的一種測量，以便知道實際上到底有多少數據量能夠通過網絡。
3、吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制。

4、時延

1、時延（delay或latency）是指數據（一個報文或分組，甚至比特）從網絡（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。有時也稱爲延遲或遲延。
2、網絡中的時延由以下幾個不同的部分組成：

發送延遲
傳播延遲
處理延遲
排隊延遲

3、 發送時延（傳輸時延）

發送數據時，數據幀從節點進入到傳輸媒體所需要的時間。即從發送數據幀的第一個比特算起，到該幀的最後一個比特發送完畢所需要的時間。
發送時延=數據幀長度(bit)/發送速率（bit/s)

4、傳播時延

電磁波在信道中需要一定的距離而花費的是時間。
傳播時延=信道長度(米)/信號在信道上的傳播速率(米/秒)

5、處理時延

主機或路由器在收到分組時，爲處理分組（例如分析首部、提取數據、差錯檢驗或查找路由）所花費的時間

6、排隊時延

分組在路由器輸入輸出隊列中排隊等待處理所經歷的時延
排隊時延的長短往往取決於網絡中當時的通信量

7、總時延

數據在網絡中經歷的總時延就是發送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延之和。哪一種時延占主導地位，需要具體分析。

5、時延帶寬積

1、鏈路的時延帶寬積又稱爲以比特爲單位的鏈路長度。
2、時延帶寬積=傳播時延*帶寬

6、往返時間RTT

往返時間表示從發送方發送數據開始，到發送方收到來自接受方的確認，總共經歷的時間。往返時間還包括各中間節點的處理時延、排隊時延以及轉達數據時的發送時延

7、利用率

1、利用率分爲信道利用率和網絡利用率
2、信道利用率指出某信道有百分之幾的時間是被利用的（有數據通過）。完全空閒的信道的利用率是零。
3、網絡利用率則是全網絡的信道利用率的加權平均值。
4、信道利用率並非越高越好。當信道利用率增大時，該信道引起的時延迅速增加。

五、計算機網絡體系結構和層次劃分

分層可將龐大而複雜的問題轉化爲若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題易於處理和研究。
開放系統互連參考模型OSI/RM（Open System Interconnection Reference Model），簡稱爲OSI。
只要遵循OSI標準，一個系統就可以和位於世界上任何地方的也遵循這統一標準的任何其他系統進行通信。

1、OSI在市場化方面失敗的原因

1、在完成OSI標準時沒有商業驅動力
2、OSI協議實現起來太複雜，且運行效率低
3、OSI標準的制定週期太長，使得按OSI標準生產的設備無法及時進入市場
4、OSI的層次劃分也不太合理，有些功能在多個層次中重複出現

2、各層需要完成的功能

1、差錯控制：使相應層次對等方的通信更加可靠
2、流量控制：發送端的發送速率必須使接收端來得及接收
3、分段和重裝：發送端將要發送的數據劃分爲更小的單位，在接收端將其還原
4、複用和分用：發送端幾個高層回話複用一條低層的連接，在接收端在進行分用
5、連接建立和釋放：交換數據前先建立一條邏輯連接，數據傳送結束後釋放連接

3、三種體系結構

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