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【计算机网络原理】第 1 章：计算机网络概述_计算机网络原理第一章

作者：知新_RL | 2024-02-16 01:32:58

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计算机网络原理第一章

章节目录

一、计算机网络基本概念

1.1 计算机网络的定义

① 计算机网络是互连的、自治的计算机的集合

互连：利用通信链路连接相互独立的计算机系统。
自治：计算机系统彼此独立，不存在主从或者控制与被控制的关系。

② 计算机网络的起源

从技术范畴来看，计算机网络是计算机技术与通信技术相互融合的产物。

③ 因特网服务提供商：ISP（Internet Service Provider ）

1.2 协议的定义

① 网络协议：

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。

（例如：HTTP、FTP 等）

② 网络协议三要素：

语法：定义实体之间交换信息的格式与结构。
语义：定义实体之间交换信息中的控制信息。
时序(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。

1.3 计算机网络的功能

① 硬件资源共享：

计算资源(CPU)、存储资源、打印机与扫描仪I/O等。

（例：云存储、云计算）

② 软件资源共享：SaaS（Software as a Service）

（例：大型办公软件、大型数据库系统等）

③ 信息资源共享：

信息检索，新闻浏览等。

计算网络的核心功能：资源共享

1.4 计算机网络的分类

（1）按覆盖范围分类

① 个域网（PAN：Personal area network）

覆盖范围 1-10 m：个人设备通过无线通信技术构成小范围的网络

② 局域网（LAN：Local area network）

覆盖范围 10m-1km：办公楼、校园、厂区等局部区域内

③ 城域网（MAN：Metropolitan area network）

覆盖范围 5-50km：覆盖一个城市范围的网络

④ 广域网（WAN：Wide area network）

覆盖范围在几十到几千千米：可以实现异地城域网或局域网的互连

（2）按拓扑结构分类

拓扑（topology）：只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。

① 星形拓扑结构：

一个中央结点（○），网络中的主机（□）通过点对点通信链路与中央结点连接。

（个域网、局域网）

优点：易于监控管理、故障诊断、隔离。
缺点：中央结点一旦故障，全网瘫痪。

② 总线型拓扑结构：

采用一条广播信道作为公共传输介质。所有结点（□）均与总线连接，结点间的通信均通过共享的总线进行。

（早期局域网）

优点：结构简单，易于扩展。
缺点：通信范围受限，容易产生冲突

③ 环形拓扑结构：

利用通信链路将所有结点（□）连接成一个闭合的环。

（早期局域网、城域网）

优点：电缆长度短，易于避免冲突。
缺点：某结点故障引起全网瘫痪，加新（撤出）结点麻烦。

④ 网状拓扑结构：

网络中的结点（○）通过多条链路与不同的结点直接相连接。

（广域网、核心网络）

优点：网络可靠性高（一条或多条链路故障时，网络仍然可以联通）
缺点：网络结构复杂，成本高。

⑤ 树形拓扑结构：

可以看作是总线型拓扑或星形拓扑结构网络的扩展。

（局域网）

优点：易于扩展，故障易隔离。
缺点：根结点要求高。

⑥ 混合拓扑结构：

由两种以上简单拓扑结构网络混合连接而成的网络。

（绝大多数实际网络）

优点：易于扩展，可以构建不同规模的网络，根据需要优选网络结构。
缺点：结构复杂，管理与维护复杂。

（3）按交换方式分类

① 电路交换网络

② 报文交换网络

③ 分组交换网络

（4）按网络用户属性

① 公用网：

面向公众开放的网络。（例如电信网络）

② 私有网：

某个组织出资建设专门面向该组织，不向公众开放。（例如军事专用网络）

二、计算机网络结构

2.1 网络边缘

网络边缘：连接到网络上的主机或者端系统。

（主机或者端系统：计算机、服务器、智能手机、智能传感器、智能家电等）

2.2 接入网络

接入网络：实现网络边缘的端系统与网络核心连接的网络。

① 电话拨号接入：

利用电话网络接入

② 非对称数字用户线路ADSL：

利用电话网络接入
基于频分多路复用技术
非对称
独享式接入

（用户线路（subscriber line）：电话机连接电话端局的线路。）

（非对称数字用户线路（ Asymmetric Digital Subscriber Line））

③ 混合光纤同轴电缆HFC接入网络：

利用有线电视网络接入的技术
基于频分多路复用技术
非对称
共享式接入

④ 局域网：

典型的局域网技术是以太网、WiFi 等

⑤ 移动接入网络：

利用移动通信网络，如 3G、4G、5G 网络

2.3 网络核心

网络核心：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的中继与转发。

三、数据交换技术

3.1 数据交换的概念

① 交换设备：多通信端口，可以同时连接多个通信结点，进行通信的设备。

② 数据交换：实现在大规模网络核心上进行数据传输的技术基础。

3.2 数据交换的分类

（1）电路交换

① 电路：通过中间交换结点为两台主机之间建立一条专用的通信线路。

② 电路交换：最早出现的一种交换方式。

电话网络：是最早、最大的电路交换网络。

③ 电路交换的步骤：

建立电路
传输数据
拆除电路

④ 电路交换的优缺点：

优点：实时性高、时延和时延抖动小。
缺点：对于突发性数据传输，信道利用率低，传输速率单一。

⑤ 电路交换的适用场景：

适用于语音和视频类实时性强的业务。

（2）报文交换

① 报文：发送方把要发送的信息附加上接收主机的地址和控制信息。

② 报文交换：发送方组装好报文，发给相邻报文交换机。相邻报文交换机收到报文后检查无误，暂时存储报文，然后找出需要转发的下一个结点的地址，然后把报文给下一个结点的报文交换机。

③ 报文交换：存储-转发的交换方式。

④ 报文交换的优缺点：

优点：信道利用率高。
缺点：时延长，有时还需要丢弃报文。

（3）分组交换

① 分组：将待传输的数据分割成较小的独立的数据块。每个数据块附加地址等构成数据分组。分组独立传输到目的地，到目的再重组还原为报文。

② 分组交换（包交换）：包交换，采用存储—转发交换方式，是计算机网络中使用最广泛的交换技术。

③ 分组交换方式的优点：

交换设备存储容量要求低
交换速度快
可靠传输效率高
更加公平

④ 分组长度的确定：在其他条件相同的情况下，分组长度越长，延迟时间越长。

一般的分组长度：以 16B — 4096B 之间的 2nB 为标椎的分组长度。

四、计算机网络性能

4.1 速率与带宽

（1）速率

① 速率：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。

② 速率基本单位：bit/s（位每秒）、Kbit/s、 Mbit/s、 Gbit/s、 Tbit/s

③ 单位的换算：1 Tbit/s = 103 Gbit/s = 106 Mbit/s = 109 Kbit/s = 1012 bit/s