计算机网络初识

一、计算机网络的定义

• 由若干结点和连接这些结点的链路组成。

• 结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器

• 链路是指通信信道。

1. 一些概念

• 互连网：是网络和网络通过路由器互连起来，构成一个覆盖范围更大的网络
• Internet（互联网，因特网）：世界上最大的互连网。
• 包含有计算机的网络，以及由许多路由器组成的互联网，都可以通称为计算机网络。

• 边缘部分

1. 由所有连接在Internet上的主机组成。
2. 这部分是用户直接使用的，用来进行资源共享的。通常称为资源子网。

• 核心部分

1. 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。
2. 这部分是为边缘部分提供通信服务的（提供连通性和数据交换）。通常称为通信子网。

• 核心部分主要向边缘部分中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信。
• 在网络核心部分起特殊作用的是路由器。
• 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。

• 在网络边缘部分的主机之间的通信方式

1. 客户服务器方式：Client/Server 即C/S 方式
2. 对等方式：Peer-to-Peer，即P2P方式

•  客户服务器方式（C/S方式）

1. 客户服务器方式是传统的方式，如发送电子邮件、浏览网页。
2. 特征：客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方

• 对等方式（P2P方式） 

• 两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。
• 只要两个主机都运行了P2P软件，它们就可以进行平等的、对等连接通信。
• P2P多用于文件共享
• 特点：本质上仍然是客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。

•  电路交换

• 通话前先拨号建立连接。
• 通话过程中，通信双方一直占用所建立的连接。
• 通话结束后，挂机释放连接。

•  不适合传送计算机数据
• 计算机数据具有突发性。
• 会导致通信线路的利用率很低。

• 分组交换

1. 划分分组

 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。

每一个数据段前面添加上首部构成分组。

分组交换网以“分组”作为数据传输单元。

依次把各分组发送到接收端

接收端收到分组后剥去首部还原成报文。

• Internet的核心部分示意图 

• 路由器处理分组的过程——存储转发
• 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
• 查找转发表，找出与目的地址对应的接口；
• 把分组送到适当的接口转发出去。

 优点

• 高效：动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
• 灵活：以分组为传送单位和查找路径。
• 迅速：不必先建立连接就能向其他主机发送分组。
• 可靠：核心部分采用网状拓扑结构。

带来的问题

• 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
• 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

报文交换已经被淘汰，这里只比较电路交换和分组交换。 

 二、计算机网络的分类

按不同作用范围分

• 广域网 WAN (Wide Area Network)

• 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)

• 局域网 LAN (Local Area Network)

• 个人区域网 PAN (Personal Area Network)

从网络的使用者来分

• 公用网 (public network)

• 专用网 (private network)

用来把用户接入到Internet的网络

• 接入网 AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。

三、计算机网络的性能指标

1、速率

• 速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率
• 速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s, Tb/s 等
• 速率往往是指额定速率或标称速率

2、带宽 

• “带宽”(bandwidth)本来是指通信线路允许通过的信号频带范围，单位是赫兹Hz（或千赫kHz、兆赫MHz、吉赫GHz等）。
• 计算机网络中“带宽”是网络的通信线路传输数据的能力，即“速率”，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)

3、吞吐量 

• 吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
• 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
• 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

4、时延(delay 或 latency) 

• 时延是指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间，也称延迟或迟延
• 网络中的时延包括：

1. 发送时延
2. 传播时延
3. 处理时延
4. 排队时延

• 发送时延：也称为传输时延，是主机或路由器发送数据帧所需要的时间
• 也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。

• 传播时延：电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。 

电磁波在自由空间的传播速率是3×108m/s

电磁波在铜线中的传播速率是2.3×108m/s

电磁波在光纤中的传播速率是2.0×108m/s

• 发送时延与传播时延的区别

1. 发送时延发生在机器内部的发送器中（一般指网卡）
2. 传播时延发生在机器外部的传输媒体上 

• 处理时延、排队时延 

1. 处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
2. 排队时延：分组在交换结点缓存队列中排队所经历的时延。

• 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

四、计算机网络的体系结构  

计算机网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。

协议：计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 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，简称为协议

1、计算机网络体系结构分为3种：OSI体系结构、TCP / IP体系结构、五层体系结构 

• OSI体系结构：概念清楚 & 理念完整，但复杂 & 不实用

• TCP / IP体系结构：含了一系列构成互联网基础的网络协议，是Internet的核心协议 & 被广泛应用于局域网 和 广域网

• 五层体系结构：融合了OSI 与 TCP / IP的体系结构，目的是为了学习 & 讲解计算机原理

对于 OSI 体系的结构来说：低三层为通信子网，负责数据传输； 高三层为资源子网，相当于计算机系统，完成数据处理； 传输层承上启下。 

2、OSI 的体系结构详细介绍

3、五层体系结构的介绍

• 1. 应用层

        应用层（application-layer）的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程（进程：主机中正在运行的程序）间的通信和交互的规则。对于不同的网络应用需要不同的应用层协议。在互联网中应用层协议很多，如域名系统 DNS，支持万维网应用的 HTTP 协议，支持电子邮件的 SMTP 协议等等。我们把应用层交互的数据单元称为报文。

• 直接为用户应用进程提供服务

• 如HTTP协议、SMTP协议、FTP协议

• 2. 运输层        

        运输层（transport layer）的主要任务就是负责向两台主机进程之间的通信提供通用的数据传输服务。应用进程利用该服务传送应用层报文。“通用的”是指并不针对某一个特定的网络应用，而是多种应用可以使用同一个运输层服务。

        由于一台主机可同时运行多个线程，因此运输层有复用和分用的功能。所谓复用就是指多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务，分用和复用相反，是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。

• 负责向两个主机进程之间的通信提供服务

• 传输控制协议TCP

• 用户数据报协议UDP

• 3. 网络层

        在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换结点， 确保数据及时传送。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组和包进行传送。在 TCP / IP 体系结构中，由于网络层使用 IP 协议，因此分组也叫 IP 数据报，简称数据报。

• 负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务

• 路由选择

• 网络层使用IP协议（网际协议），因此也称为IP层或网际层

• 网络层上的分组也称为IP数据报

• 4. 数据链路层

        数据链路层（data link layer）通常简称为链路层。两台主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的，这就需要使用专门的链路层的协议。在两个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如：同步信息，地址信息，差错控制等）。

        在接收数据时，控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束。这样，数据链路层在收到一个帧后，就可从中提出数据部分，上交给网络层。控制信息还使接收端能够检测到所收到的帧中有无差错。如果发现差错，数据链路层就简单地丢弃这个出了差错的帧，以避免继续在网络中传送下去白白浪费网络资源。如果需要改正数据在链路层传输时出现差错（这就是说，数据链路层不仅要检错，而且还要纠错），那么就要采用可靠性传输协议来纠正出现的差错。这种方法会使链路层的协议复杂些。

• 提供两个相邻结点之间的数据传输

• 通常把数据封装成帧，并且要识别帧的开始和结束

• 透明地传送数据

• 保证无差错的传输

• 5. 物理层

        在物理层上所传送的数据单位是比特。物理层（physical layer）的作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。使其上面的数据链路层不必考虑网络的具体传输介质是什么。“透明传送比特流”表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化，对传送的比特流来说，这个电路好像是看不见的。【与传输媒体的间接口，完成传输媒体上的信号与二进制数据间的转换】

4、TCP / IP 的体系结构详细介绍 

计算机体系结构的内容参考：面试带你飞：这是一份全面的 计算机网络基础 总结攻略 - 掘金