1.2 因特网

概念

  1. 网络：由若干结点（Node）和链路（Link）组成
  2. 互联网：通过路由将网络连接而成的更大的网络
  3. 因特网（Internet）：世界上最大的互连网络
    1. 组成：
      1. 边缘部分：由所有连接到Internet上的主机组成，由用户直接使用，用于通信和资源共享
      2. 核心部分：由大量网络和连接网络的路由器组成，为边缘部分提供服务

1.3 三种交换方式

电路交换

电路交换的步骤

  1. 建立连接（分配通信资源）
  2. 通话（占用通信资源）
  3. 释放连接（归还通信资源）

报文交换和分组交换

报文：表示消息的整块数据

分组交换：将完整报文分成等长数据段，添加含有相关信息（如目的地址）的首部，通过不同路由器/交换机发送分组

三种方式的优缺点

  1. 电路交换：
    • 优点：通信时延小；有序传输；无冲突；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
  2. 报文交换
    • 优点：无需建立连接；动态分配线路；提高线路可靠性；提高线路利用率；提供多目标服务
    • 缺点：引起转发时延；交换机需要较大的存储转发空间；需要传输额外信息
  3. 分组交换
    • 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；需要传输额外的信息量；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

1.4 计算机网络的定义和分类

定义

计算机的精确定义并未统一。
计算机的最简单的定义：一些互相连接的、自治的计算机的集合

  • 互连：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：指独立的计算机，有自己的软硬件，可单独运行
  • 集合：两台或两台以上的计算机

分类

按交换技术分类：

  1. 电路交换网络
  2. 报文交换网络
  3. 分组交换网络

按使用者分类：

  1. 公用网
  2. 专用网

按传输介质分类：

  1. 有线网络：双绞线网络，光纤网络
  2. 无线网络

按覆盖范围分类：

  1. 广域网WAN
  2. 城域网MAN
  3. 局域网LAN
  4. 个域网PAN

按拓扑结构分类：

  1. 总线型网络
  2. 星型网络
  3. 环型网络
  4. 网状型网络

1.5 计算机网络的性能指标

常用的性能指标：

  1. 速率
    1. 比特：计算机中数据量的单位
      常用的数据量单位：8 bit = 1 Byte, KB = 2102^{10} B, MB = 2202^{20} B , GB = 2302^{30} B , TB = 2402^{40} B
    2. 速率：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，也称比特率或数据率
      常用的数据率单位 bit/s (b/s、bps) , kb/s = 10310^3 b/s , Mb/s = 10610^6 b/s , Gb/s = 10910^9 b/s , Tb/s = 101210^{12} b/s
  2. 带宽
    1. 定义：在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的”最高数据率“
    2. 单位：b/s （kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s）
  3. 吞吐量
    1. 定义：表示单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量
    2. 吞吐量受带宽或额定速率限制
  4. 时延
    1. 构成部分：发送时延，传播时延，处理时延
    2. 发送时延：分组长度(b)发送速率(b/s)\frac{分组长度(b)}{发送速率(b/s)}
    3. 传播速率：信道长度(m)电磁波传播速率(m/s)\frac{信道长度(m)}{电磁波传播速率(m/s)}
      1. 电磁波传播速率： 在自由空间中，3∗108m/s3*10^8 m/s , 在铜线中，2.3∗108m/s2.3*10^8 m/s, 在光纤中，2.0∗108m/s2.0*10^8 m/s
  5. 时延带宽积
    1. 定义：传播时延与带宽的乘积
    2. 若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已发送时延带宽积个比特
    3. 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（RTT）
    1. 从源主机发送分组开始到源主机收到来自目的主机的确认分组为止所耗费的时间
  7. 利用率
    1. 信道利用率：用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）
      1. 信道利用率并非越高越好
      2. 如果令D0D_0 表示网络空闲时的时延，DD表示网络当前的时延，在适当条件，可用
        D=D01−UD = \frac{D_0}{1-U} 表示DD,D0D_0,UU之间的关系
      3. 网络利用率达到50%时，时延加倍，超过50%，时延急剧增大
    2. 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均
  8. 丢包率
    1. 定义：一定时间范围内，丢失分组数与总分组数的比率
    2. 分组丢失的原因：分组误码，结点交换机缓存队列满（网络堵塞）

1.6 计算机网络体系结构

1.常见的计算机网络体系结构

  1. OSI体系结构：
    1. 物理层
    2. 数据链路层
    3. 网络层
    4. 运输层
    5. 会话层
    6. 表示层
    7. 应用层
  2. TCP/IP体系机构（事实上的网络体系结构）：
    1. 网络接口层
    2. 网络层/网际层
    3. 运输层
    4. 应用层
  3. 原理体系结构
    1. 物理层
    2. 数据链路层
    3. 网络层
    4. 运输层
    5. 应用层

2.计算机网络体系结构分层的必要性

物理层：解决使用何种信号传输比特的问题
数据链路层：解决分组在一个网络（或一段链路）上传输的问题
网络层：解决分组在多个网络上传输（路由）的问题
运输层：解决进程间基于网络的通信问题
应用层：解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用的问题

3.计算机网络体系结构的专用术语

  1. 实体 任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
  2. 协议 控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合 水平
    • 协议的三要素：
      1. 语法 定义所交换信息的格式
      2. 语义 定义收发双方所要完成的操作
      3. 同步 定义收发双方的时序关系
  3. 服务 在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务 垂直
    • 服务访问点 在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同服务类型
      • 数据链路层：帧的“类型”字段
      • 网络层：IP数据报首部中的“协议”字段
      • 运输层：端口号
    • 服务原语 上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令
    • 协议数据单元PDU 对等层次间传送的数据包称为该层的协议数据单元
      • 物理层：比特流
      • 链路层：帧
      • 网络层：IP数据报或分组
      • 运输层：TCP报文段 或 UDP用户数据报
      • 应用层：报文
    • 服务数据单元SDU 同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元
    • 多个SDU可合成一个PDU，一个SDU也可划分为PDU