04741＜计算机网络原理＞ 之第一章计算机网络概述_04741计算机网络原理

第一节 基本概念

一. 计算机网络的基本概念

• 计算机网络是计算机技术与通信技术相互融合的产物,是互连的,自治的计算机的集合.
  • 自治是指互连的计算机系统相互独立,不存在主从或者控制与被控制的关系. 计算机网络定义中的"自治计算机"通常称为主机(host)或端系统(end system)
  • 互连是指利用通信链路连接相互独立的计算机系统. 不同链路传输速率不同, 在计算机网络中被称为带宽, 单位为bit/s或bps或b/s.
  • 网络服务提供商(Internet Service Provider, ISP ), ISP网络由许多有线或无线通信链路互连分组交换设备构成. 分组交换设备可以实现数据分组的接收与转发, 是构成Internet的重要基础,存在多种形式, 最典型的是路由器和交换机
  • Internet中互连的端系统, 分组交换设备或其他网络设备在进行信息发送, 接收或转发过程中,都需要遵循一些规则或约定,即是网络协议.
  • 协议是网络通信实体之间在数据交换过程中需要遵循的规则或约定,是计算机网络有序运行的重要保证.
• 协议三要素: 语法(syntax), 语义(semantics), 时序(timing).
  • 语法: 定义实体之间交换信息的格式与结构, 或者定义实体之间传输信号的电平等.
  • 语义: 传输数据, 控制信息,地址信息等,差错控制等
  • 时序: 也称为同步, 定义实体之间交换信息的顺序以及如何匹配或适应彼此的速度.

二. 计算机网络的功能:

• 计算机网络的核心功能: 资源共享,主要包括以下三个
  • 硬件资源共享, 共享打印机, 云计算, 云存储
  • 软件资源共享, (Software as a Service, SaaS), 是目前软件共享的典型形式,也代表了软件共享的主流趋势.
  • 信息资源共享, 计算机网络所支持的信息交换,就是典型的信息共享

三.计算机网络的分类:

1. 按覆盖范围分类
   - 个域网(Personal Area Network, PAN) 1-10m
   - 局域网 (Local Area Network, LAN) 10-1km
   - 城域网 (Metropolitan Area Network, MAN), 5-10KM
   - 广域网 (Wide Area Network, WAN)
2. 拓扑结构
   - 网络拓扑是指网络中的主机, 网络设备间的物理连接关系与布局.
   - 星形拓扑结构: 中央结点通常是交换机或集线器等设备,多见于局域网和个域网,优点: 易于监控与管理, 故障诊断与隔离容易;缺点:中央结点是网络的瓶颈, 一旦故障, 全网瘫痪, 网络规模受限于中央结点的端口数量.
   - 总线型拓扑结构: 结构简单,所需电缆数量少,易于扩展; 缺点是: 通信范围受限, 故障诊断与隔离较困难, 容易产生冲突.
   - 环形拓扑结构:发送数据的结点需要负责从环中清除其发送的数据, 即"自生自灭", 优点: 电缆短,可以使用光纤, 易于避免冲突;缺点: 某结点故障容易引起全网瘫痪,新结点加入或撤出比较麻烦, 存在等待时间问题.
   - 网状拓扑结构: 优点: 网络可靠性高, 一条或多条链路发生故障, 网络仍可以连通; 缺点: 网络结构复杂, 造价成本高, 选路协议复杂
   - 树形拓扑结构: 可以看作是总线型拓扑或星形拓扑网络的扩展. 局域网多采用这种结构. 优点: 易于扩展, 故障隔离容易; 缺点: 对根结点的可靠性要求很高, 一旦根结点故障, 则可能导致网络大范围无法通信.
   - 混合拓扑结构: 绝大多数的网络都属于混合拓扑结构.比如internet.
3. 按交换方式分类
   • 电路交换网络
   • 报文交换网络
   • 分组交换网络
4. 按网络用户属性分类
   • 公用网(public network)
     • 由国家或企业出资建设, 面向公众提供收费或免费服务的网络
   • 私有网(private network)
     • 军事专用网, 航空专用网, 银行专用网, 铁路专用网

第二节 计算机网络结构

• 现代大型计算机网络,可以概括为三个同心圆,由外到内依次为: 网络边缘(network edge), 接入网络(access network) 与网络核心(netword core)三部分

2.1 网络边缘(network edge)

连接到网络上的计算机, 服务器, 称为主机或端系统, 这些端系统位于网络的最边缘, 因此连接到网络上的所有端系统构成了网络边缘.网络边缘为网络用户提供了网络应用服务.
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2.2 接入网络(access network)

接入网络是实现网络边缘的端系统与网络核心连接与接入的网络.
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2.2.1 电话拨号接入

是利用电话网络, 通过调制解调器(modem)(调制) -->模拟电话信号–>载波传送到远端–>modem(解调), 早期的网络中, 主要用于家族接入, 利用了电话网络覆盖广泛的优点. 带宽有限, 只有56kbps, 现在已经很少使用了.

2.2.2 非对称数字用户线路(ADSL)

也是利用现有的电话网络的用户线路接入网络, ADSL是目前家族用户接入网络中比较常见的一种接入方式.
为什么是非对称? 上行带宽(512Kbit/s)比下行带宽(1~8Mbit/s)要小, 简单就是上传比下载慢
ADSL接入方式主要用于家族用户的接入, 但是一些小型商业用户也选择这种接入方式, 比如小型商业门店

2.2.3 混合光纤同轴电缆HFC接入网络

HFC接入网络也称为电缆调制解调器, 是利用有线电视网络实现的网络接入技术 .
HFC也是非对称的, 上行带宽为: 30.7Mbit/s 下行带宽为: 42.8Mbit/s
表面上看HFC要比ADSL的带宽要高, 但是当用户量比较大时, HFC接入没有ADSL接入速度快, 因为ADSL是独享式接入.

2.2.4 局域网

典型的局域网技术是: 以太网: wifi, 事实上除了企业,校园等机构网络在用局域网接入网络核心,随着光纤到户的推广与普及, 越来越多小区的家庭用户也采用局域网技术实现网络接入.光纤到户(Fiber to the Home, FTTH)

2.2.5 移动接入网络

移动接入网络主要利用移动通信网络, 如3G/4G/5G/网络, 实现智能手机, 移动终端等设备的网络接入, 而且将成为个人设备接入网络的首选途径.

2.3 网络核心（network core)

网络核心是由通信链路互连的分组交换设备构成的网络, 作用是实现网络边缘中主机之间的数据中继与转发.
ISP网络是一种网络核心的表现形式. 网络核心如何实现数据的中继与转发? 就是数据交换.

第三节 数据交换技术

3.1 数据交换的概念:

3.1.1 基本概念:

• 计算机网络的根本目的是在网络边缘的主机之间实现相互的数据传输, 信息交换.
• 什么是数据交换网络?
  为了连接更大范围, 更多数量的主机, 可以将许多交换设备互连, 构成一个数据中继与转发的"中间网络", 这个中间网络不关心传输的数据具体内容,只是为这些数据从一个结点到另一个结点直至到达目的结点提供数据中断与交换的功能, 称为数据交换网络
• 什么是交换结点?
  组成交换网络的结点(即交换设备)称为交换结点
• 什么是网络核心?
  交换结点与传输介质的集合称为通信子网, 即网络核心
• 数据交换是实现在大规模网络核心上进行数据传输的技术基础.常见的数据交换技术包括: 电路交换(circuit switching), 报文交换(message switching), 分组交换(packet switching)

3.1.1.1 电路交换(circuit switching)

• 电路交换是最早出现的一种交换方式, 电话网络则是最早,最大的电路交换网络.包换三个阶段, 比如打电话的过程: 先拨号,等对方接通后, 表示建立电路, 语音沟通信息, 表示传输数据, 挂断电话表示拆除电路.
  • 建立电路
  • 传输数据
  • 拆除电路

电路交换的特点是有连接的
优点: 实时性高, 时延和时延抖动都较小,
缺点: 对于突发性数据传输, 信道利用率低,且传输速度单一,
电路交换主要适用于语音和视频这类实时性强的业务.

3.1.1.2 报文交换(message switching)

报文交换也称为消息交换
工作过程为: 发送方把要发送的信息附加上发送/接收主要的地址及其他控制信息, 构成一个完整的报文(message), 然后以报文为单位在交换网络的各结点之间以存储-转发的方式进行传送, 直至送达目的主机.
一个报文在每个结点的延迟时间,等于接收报文所需要的时间加上向下一个结点转发所需要的排除延迟时间之和.
20世纪40年代的电报通信中,采用的就是基于存储-转发原理的报文交换
现代网络中, 没有采用报文交换技术的

3.1.1.3 分组交换(packet switching)

3.1.1.3.1 分组交换的基本原理

分组交换是目前计算机网络广泛采用的技术.
基本原理, 就是将报文分割成较小的数据块, 每个数据块附加上地址, 序号等控制信息构成数据分组(packet), 每个分组独立传输到目的地, 目的地将收到的分组重新组装, 还原为报文.
分组传输过程也采用存储-转发交换方式
分组交换是计算机网络中使用最广泛的一种数据交换技术 .现代计算机网络几乎都分组交换网络,
优点:分组交换与报文交换相比, 两者都采用存储-转发的交6换方式, 最主要的区别是在于是否将报文分割为更小的分组, 分组交换有如下优点:

• 交换设备存储的容量要求低
• 交换速度快
• 可靠传输效率高
• 更加公平

3.1.1.3.2 分组长度的确定:

6. 分组长度与延迟时间, 使用排队论, 当分组具有相同长度时, 分组在交换过程的延迟时间较小,但也不是越小越好, 因为分割的越小, 附加的控制信息就越多, 需要在中间找一个平衡,. 实际的分组交换网络的分组长度并不总是相同的,通常会规定一个分组长度范围, 这样既灵活,又尽可能优化网络延时.
7. 分组长度与误码率
   在分组头长度和误码率下存在最佳分组长度, 信道误码率越小,最佳分组长度越长, (举个例子说明: 比如在高速运货, 误码率是事故率, 当事故率越小的时候, 车载货越多越好. )
   最佳分组长度与和最高信道利用率对于信息误码率变化的均比较敏感. 因此分组交换中必须具有差错控制, 以提高传输数据的可靠性(也可以就是载货多少和车道利用率, 对于事故发生率都比较敏感)
   国际电信联盟以建议的形式制定出, 分组长度以(2ⁿ B)为标准分组长度., 如32B, 64B, 256B, 512B, 1024B等.

第四节 计算机网络性能

4.1 速率(rate)与带宽(bandwidth)

• 速率(rate)是计算机网络中最重要的性能指标之一. 是指在网络单位时间内传送的数据量, 用以描述网络传输数据的快慢, 也称为数据传输速率或数据速率(data rate)或比特率, 基本单位是:bit/s,
• 通常给出的网络速率是指网络的额定速率或标称速率, 网络在实际运行时的速率可能并不总能达到额定速率
• 带宽(bandwidth): 一条链路或信道能够不失真地传播电磁信号的最高频率与最低频率之差, 称为信道的带宽, 单位是Hz(赫兹)

4.2 时延(delay)

• 时延(delay) 是评价计算机网络性能的另一个重要的性能指标,也称为延迟,时延是指数据从网络中的一个结点到达另一个结点所需要的时间.
• 在计算机网络中, 通常将连接两个结点的直接链路称为一个跳步(hop), 简称"跳"
• 分组的每跳传输过程主要产生4类时间延迟:
  • 结点处理时延(nodal processing delay)
    • 结点处理时延: 结点处理时延通常很小, 并且对不同分组的结点处理时延变化也非常小, 因此在讨论网络总时间延迟时常常被忽略-
  • 排队时延(queueing delay)
  • 传输时延(transmission delay)
  • 传播时延(propagation delay)

4.3 时延带宽积

• 时延宽带积: 一段物理链路的传播时延与链路带宽的乘积, 记为G.单位是位.
• 其物理意义在于: 如果将物理链路看作一个传输数据的管道的话, 时延带宽积表示一段链路可以容纳的数据位数, 也称为以位单位的链路长度. 换成高速公路,也就是车道的数量

4.4 丢包率

• 排队时延的大小取决于网络拥塞程度, 网络拥塞越严重, 平均排队时延就越长, 反之越短. 当网络拥塞特别严重时, 新到达的分组甚至已缓存空间暂存该分组,此时交换结点会丢弃分组,就会发生"丢包"现象, 可见, 网络拥塞是影响网络性能的重要现象或后果, 必须加以预防或控制

4.5 吞吐量(throughput)

• 吞吐量表示在单位时间内源主机通过网络向目的主机实际送达的数据量, 单位为bit/s或B/s(字节每秒), 记为Thr.
• 对于分组交换网络, 源主机到目的主机的吞吐量在理想情况下约等于瓶颈链路的带宽

第五节 计算机网络体系结构

计算机网络分层体系结构

最典型的划分方式, 就是采用分层 的方式来组织协议.

分层的核心思路是上一层的功能在下一层的功能基础上, 并且在每一层内均要遵守一定的通信规则, 即协议.

目前,典型的层次化体系结构有OSI参考模型和TCP/IP参考模型两种

• 开放系统互连(Open System Interconnection ,OSI)参考模型,简称OSI参考模型

1. 由低层高层分别是: 物理层->数据链路层->网络层->传输层->会话层->表示层->应用层
2. 其中物理层+数据链路层+网络层称为结点到结点层
3. 传输层+会话层+表示层+应用层 称为端到端层

• 第1层: 物理层:
  • 主要功能是在传输介质上实现无结构比特流传输.所谓无结构比特流是指不关心比特流实际代表的信息内容, 只关心如何将0和1这些比特以合适的信号传送到目的地.因此物理层要实现信号编码功能. 另一项主要任务是规定数据终端设备与数据通信设备之间的接口相关特性, 主要包括机械, 电气, 功能和规程4个方面的特性.
• 第2层:数据链路层
  • 主要功能是实现相邻结点之间数据可靠而有效的传输.帧同步技术, 也就是数据链路层的"成帧"功能, 包括定义帧的格式, 类型, 成帧的方法等. 另一个功能是寻址.如MAC地址
• 第3层: 网络层
  • 解决的核心问题是:如何将分组通过交换网络传送于目的主机, 因此主要功能是数据转发与路由. 也需要具备寻址功能, 如:IP地址
• 第4层: 传输层
  • 传输层是第一个端到端的层次, 也是进程-进程的层次.数据通信的表面上看是两个主机之间进行, 但实质上是发生在两个主机的进程之间. 主要功能是复用/分解, 端到端的可靠数据传输, 连接控制, 流量控制和拥塞控制机制等.
• 第5层 会话层
  • 是指用户与用户的连接, 通过在两台计算机间建立, 管理和终止通信来完成对话, 会话层的主要功能: 在建立会话时核实双方身份是否参加会话;在实际应用中, 会话层的功能被应用层所覆盖, 很少单独存在.
• 第6层:表示层
  • 主要用于处理应用实体间交换数据的语法, 其目的是解决格式和数据表示的差别, 从而为应用层提供一个一致的数据格式, 使字符, 格式等差异的设备之间相互通信.而且表示层不独立存在,
• 第7层应用层
  • 与提供给用户的网络服务有关, 这些服务非常丰富, 包括文件传送, 电子邮件, p2p应用等. 应用层为用户提供了一个网络应用的"接口"

在7层模型中,
1-3层主要是完成数据交换和数据传输, 称为网络低层,
5-7层主要完成信息处理服务的功能, 称为网络高层,
低层与高层之间由第4层衔接.

OSI参考模型有关的术语:

• 数据单元: 在层实体之间传送的比特组称为数据单元.在对等层之间传送数据单元是按照本层协议进行的, 因此这时的数据单元称为协议数据单元(PDU) SDU是服务数据单元, PCI是协议控制信息,通常作为PDU的首部
• 服务访问点: 相邻层间的服务是通过其接口面上的服务访问点(Service Access Point, SAP)进行的,N层SAP就是(N+1)层可以访问N层的地方. 每个SAP都有一个唯一的地址号码.
• 服务原语: 第N层向(N+1)层提供服务, 或(N+1)层请求N层的服务, 都是用一组原语(Primitive)描述的, OSI模型的原语有4类:
  • 请求(request): 用户实体请求服务做某种工作
  • 指示(indication): 用户实体被告知某件事发生.
  • 响应(response): 用户实体表示对某件事的响应
  • 证实(confirm): 用户实体收到关于它的请求的答复.
• 面向连接的服务和无连接的服务
  面向连接的服务,就像电话, 必须建立连接才能通信和服务
  无连接的服务也称为数据报(datagram) 服务, 就像短信, 发出就行了

TCP/IP参考模型

1. TCP/IP参考模型

• 包括4层, 应用层, 传输层, 网络互联层, 网络接口层

• 应用层, TCP/IP参考模型将OSI模型中的会话层, 表示层的功能合并到了应用层来实现, 因特网中常见的网络应用大多在这一层, 如: www服务, 文件传输, 电子邮件等. 每一种应用都使用了相应的协议来将用户的数据按照协议定义的格式进行封装, 以便达到对应的控制功能, 然后再利用下一层即传输层的协议进行传输,

例如: www–> http
文件传输的应用层协议–> FTP,
电子邮件应用层协议:SMTP 和POP3等,
面向连接的传输控制协议TCP和无连接的用户数据报协议UDP.
每一个应用协议都会使用到TCP或UDP两个协议之一进行数据传输

• 传输层
• 网络互联层: 是整个TCP/IP参考模型的核心, 主要解决把数据分组发往目的网络或主机的问题. 在这个过程中, 要为分组的传输选择相应的路径(路由选择),完成分组的转发, 提供网络层寻址–IP地址… 网络互联层的核心协议是IP, 负责定义分组的格式和传输, IP是无连接不可靠网络协议 ,
• 网络接口层: 实际上TCP/IP参考模型没有真正描述这一层的实现,

五层参考模型

物理层, 数据链路层, 网络层, 传输层和应用层, 这是近年来, 在描述计算机网络中最常用, 最接近实际网络的参考模型.

第六节 计算机网络与因特网发展史

计算机网络的发展是随着分组交换技术的提出以及因特网的发展而逐渐发展起来的.
因特网三个核心协议: TCP, UDP 和IP, 奠定了因特网的协议基础.

课后习题

1. 什么是计算机网络？
   计算机网络是计算机技术与通信技术相互融合的产物，是互连的、自治的计算机的集合。
2. 网络协议的三要素是什么？每个要素的含义是什么？
   语法（syntax)：语法定义实体之间交换信息的格式与结构，或者定义实体之间传输信号的电平等。
   语义(semantics)：除了协议用户需要传输的数据之外，通常还包括其他控制信息，如地址信息等 。
   时序（timing):也称为同步，定义实体之间交换信息的顺序以及如何匹配或适应彼此的速度。
3. 按网络覆盖范围划分，主要有哪几类计算机网络？各有什么特点？
   个域网：近几年发展起来的，以穿戴设备，便携式移动设备为主，实现个人设备间的数据传输，通常覆盖范围在 1 到 10m
   局域网：通常部署在办公室，办公楼，厂区，校园等局部区域内，采用高速有线或无线链路连接主机，覆盖范围通常在 10m-1km
   城域网：是指覆盖一个城市范围内的网络，覆盖范围通常在 5-50km。
   广域网：覆盖范围在几十到几千千米，通常跨越更大的地理空间，可以实现异地城域网或局域网的互连。