計算機網絡讀書筆記--緒論1.5~1.7.3

1.5 幾種不同類別的網絡

計算機網絡有多種類別。典型包括：

按照網絡的拓撲結構進行分類

計算機網絡拓撲結構是指網絡中各個站點相互連接的形式。

星型、環型、總線型、樹型、網狀型、無線蜂窩型。

按照網絡的作用範圍進行分類

個人區域網PAN（Personal Area Network）：範圍很小，大約在10米左右。

局域網LAN（Local Area Network）：侷限在較小的範圍（如1公里左右）

定義：一種覆蓋一座或幾座大樓、一個校園或者一個廠區等地理區域的小範圍的計算機網絡。

局域網包括：以太網、令牌環網等。

當前的局域網主流是以太網。

城域網MAN（Metropolitan Area Network）：作用距離約爲5~50公里。

一種介於局域網與廣域網之間，覆蓋一個城市的地理範圍，用來將同一區域內的多個局域網互聯起來的中等範圍的計算機網絡。

廣域網WAN(Wide Area Network)：作用範圍通常爲幾十到幾千公里。

若中央處理機之間的距離非常接近（如僅1米的數量級甚至更小些），則一般就稱之爲多處理機系統，爲不是稱它爲計算機網絡。

按照網絡的使用者進行分類

• 公用網（public network）

按照規定交納費用的人都可以使用的網絡。因此也可以稱之爲公衆網。

• 專用網（private network）

爲特殊業務工作的需要而建造的網絡。（如企業內部專用網、保密內網）

公用網和專用網都可以提供多種服務。如轉送的是計算機數據，則分別是公用計算機網絡和專用計算機網絡。

1.6.1 計算機網絡的性能指標

計算機網絡的性能一般是指它的幾個重要的性能指標，主要包括：

速率、帶寬、吞吐率、時延、時延帶寬積、往返時間RTT、利用率

速率

• 速率是計算機網絡中最重的一個性能指標，值得是數據的傳送速率，它也稱爲數據率（data rate）或者比特率（bit rate）。

• 速率的單位是bit/s，或者kbit/s、Mbit/s、Gbit/s等。例如4*10^10 bit/s的數據率就記爲40Gbit/s。

• 速率往往是指額定速率或者標稱速率，非實際運行速率。

帶寬

• 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能通過的“最高數據率”。單位是bit/s，即“比特每秒”。

• 一個網絡的帶寬是該網絡所有鏈路的最小值。

• 單位說明：網絡帶寬單位：1Mb/s = 10^3kb/s = 10^6 b/s. 計算機儲存單位：1M =
  1024k = 2^20 Btye = 8*2^20 bit

吞吐量

• 量（thoughput）位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量。

• 吞吐量更經常地用於對現實世界地網絡地一種測量，以便知道實際上到底有多少數據量能夠通過網絡。

• 吞吐量受網絡地帶寬或者網絡地額定速率地限制。

吞吐量是網絡實際的帶寬，寬是網絡最高的吞吐量

傳播速度

• 信號（即電磁波）在傳播介質上地傳播速率，單位m/s（米/秒）或者千米/小時

時延

時延（delay或latency）指數據（一個報文或者分組，甚至比特）從網絡（或者鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。

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。（接收時延一般不考慮）

總時延 = 發送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延

必須指出，在總時延中，究竟是哪一種時延占主導地位，必須具體分析。

• 傳輸時延（發送時延）
  

• 傳播時延
  

• 結點處理時延+排隊時延
  

時延帶寬積

鏈路的時延帶寬積又稱爲以比特爲單位的鏈路長度。

時延帶寬積 = 傳播時延*帶寬

往返時間

• 互聯網上的信息不僅僅單方向傳輸，衛視雙向交互的。因此，有時很需要知道雙向交互一次所需的時間。

• 往返時間RTT(round-trip-time)表示從發送方發送數據開始，到發送方收到來自接收方的確認，總共經歷的時間。

• 在互聯網中，往返時間還包括各中間結點的處理時延、排隊時延以及轉發數據的發送時延。

• 當使用衛星通信時，往返時間RTT相對較長，是很重要的一個性能指示。

利用率

• 分爲信道利用率合網絡利用率。

• 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。

• 網絡利用率則是全網絡的信道利用率的加權平均值。

• 信道利用率並非越高越好。當某信道的利用率增大時，該信道引起的時延也就迅速增加。

時延與網絡利用率的關係

• 根據排隊的理論，當某信道的利用率增加時，該信道引起的時延也就迅速增加。

• 若令D0表示網絡空閒的時延，D表示網絡當前的時延，則在適當的額假定條件下，可以用下面的簡單公式表示D和D0之間的關係：
  

1.6.2 計算機網絡的非性能特徵

一些非性能特徵也很重要。它們與前面介紹的性能指標有很大的關係。

主要包括：費用、可靠性、質量、可擴展性和可升級性、標準化、易於管理和維護

例題演示：

例題一：

假設有Q段鏈路，每段鏈路的帶寬爲R b/s， 若需要發送F bit大小的文件，分成M個分組，每個分組增加H bit 的部首，若採用分組交換技術，忽略所有的傳播時延和結點處理時延，問從發送方發送數據開始到接收方完全收到所有數據一共需要多少時間？

例題二：

例題三：

階段小結：

相關概念：

• 帶寬、吞吐量與傳播速度。

網絡時延：

• 傳輸時延（發送時延）

• 傳播時延

• 結點處理時延

往返時延RTT:

• 網絡可測量的總的時延指標

1.7.1 協議與劃分層次

計算機網絡要解決的問題：

• 物理信號如何傳輸到對方？

• 數據如何編碼成電子信號或光信號？

• 數據如何保證正確按序的到達對方？

• 中間設備（路由器、交換機）如何決定護具的轉發路徑？

• 如何唯一的標識網絡上的某臺主機？

• 瀏覽器訪問網站用什麼規則？

• 如何保證多個站點同一個站點通信時如何避免信號的衝突？

• 圖和區分不同的網絡應用？

大部分問題都是規則的問題，及網絡協議設計問題

1.網絡協議（network protocol）

簡稱爲協議，是爲進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定。

網絡協議的三個組成要素

• 語法：數據與控制信息的結構或者格式

• 語義：需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應。

• 同步：事件實現順序的詳細說明
  

爲什麼分層處理？

• 複雜問題按照模塊分層思想便於學習和研究

• 每個層次提供一種服務

• 本層次依賴於下一層次提供的服務

• 層與層之間必須提供接口

分層的好處與缺點

好處：

• 各層之間是獨立的。

• 靈活性好

• 結構上可以分割開。

• 易於實現和維護。

• 能促進標準化工作

缺點：

• 降低效率

• 有些功能會在不同的層次中重複出現，因而產生了額外開銷。

層次數多少要適當:

• 層次太少，就會使每一層的協議太複雜。

• 層次太多，又會在描述和各層功能的系統工程任務時遇到較多的困難

1.7.2 計算機網絡體系結構

• 計算機網絡體系結構是指計算機劃分的各個層次及相應協議的集合

• 網絡體系結構的核心是分層模型。

參考模型

• 爲各類型協議和服務之間保持一致性提供通用的參考

• 如OSI體系結構-官方標準

協議模型

• 提供與特定協議簇結構精確匹配的模型

• 如TCP/IP體系結構-商業標準

教學用5層網絡體系結構

應用層：

• 提供進程之間的通信服務，實現網絡各種具體應用；

• 實例：dns, http, ftp, smtp, pop
  

傳輸層：

• 提供端到端（主機到主機）的傳輸服務

• 實例：TCP（可靠的服務），UDP（提供不可靠的服務）

網絡層：

• 提供不同網絡之間的選路服務；

• 實例：IP協議，ICMP，路由協議

數據鏈路層：

• 提供一段鏈路相鄰結點的傳輸服務；

• 實例：Ethernet, PPP, PPPoE

物理層：

• 提供網絡通信的物理規範；

• 應用層：進程與進程的通信服務，直接爲用戶的應用進程（例如電子郵件、文件傳輸和終端仿真）提供服務。

• 傳輸層：端到端的傳輸服務，即面向連接的通信、端到端的流量控制、差錯控制。

• 網絡層：網絡的選路服務，選擇經過哪些路由，以及擁塞控制、數據報的分片與重組。

• 數據鏈路層：一段鏈路相鄰結點的傳輸服務，無差錯地傳送以幀（frame）爲單位的數據以及流量控制信息，即差錯控制、流量控制、幀同步。

• 物理層：網絡設備接口的物理通信規範，定義信號傳輸的編碼，光學、電子和機械特性。

TCP/IP體系結構的另一種表示方法

分層後數據發送接收的思考

1. 發送方某層裝完如何知道該交給哪個下層封裝？

• 應用層選擇傳輸層由應用程序決定，傳輸層選擇網絡層有固定的搭配，例如因特網只有IP協議，網絡層選擇數據鏈路層由網卡的類型（驅動程序）決定。

2. 接收方某層解封后如何知道該交給上層哪個協議處理？

• 每個協議都應該有個上層協議的標識，讓接收方處理本層之後交給正確的上層協議

3. 每一層協議的首部有何作用？

• 實現本層的特定功能，提供相鄰層次協議的接口等

• 例如網絡層IP協議中包含IP地址等信息

1.7.3 實體、協議、服務和服務訪問點

協議是對等的

• 收發雙方某層協議必須相同

服務是垂直的

• 下層爲上層提供服務

層次實現是透明的

• 某層的實現細節對其他層次透明

層與層之間必須提供接口

• 某層只需知道相鄰層次的接口

**實體（entity）**表示任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程。

通信雙方同樣的層次稱爲“對等層”（peer layers）。

協議是控制兩個對等實體進行通信的規則的集合。

各層協議實際上就是在各個對等層之間傳遞數據時的各項規定。

在協議的控制下，兩個對等實體間的通信使得下層所提供的服務。

同一系統相鄰兩層交互的地方，稱爲服務訪問點SAP（Service Access Point）。