计算机网络原理-基本概念

一、计算机网络基本概念

一、计算机网络的定义

1. 起源：计算机网络是计算机技术与通讯技术融合的产物
2. 定义：计算机网络是互连、自治的的计算机集合
3. ISP：因特网服务提供商(Internet Service Provider, ISP)

二、协议的定义

1. 网络协议：网路通信实体之间在数据交换过程中需要遵循的约定或规则
2. 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的控制信息
   • 时序：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

三、计算机网络的功能

1. 硬件资源共享：例云存储、云计算
2. 软件资源共享：例大型办公软件、大型数据库系统
3. 信息资源共享：例信息检索、新闻浏览

四、计算机网络的分类

1. 按照覆盖范围分类

   • 个域网PAN
   • 局域网LAN
   • 城域网MAN
   • 广域网WAN

2. 按拓扑结构分类

   
   • 星形拓扑结构，一个中央节点，网络中的主机通过点对点通信链路与中央节点连接(个域网、局域网)
     • 优点：域名监控管理、故障诊断、隔离
     • 缺点：中央节点一旦故障，全网瘫痪。网络规模受限于中央节点的端口数量
   • 总线型拓扑结构：采用一条广播信息作为公共传输介质，所有节点均与总线连接，节点间的通讯通过共享的总线进行(早期的局域网)
     • 优点：结构简单，易于扩展
     • 缺点：通信范围受限，容易产生冲突
   • 环形拓扑结构：利用通信链路将所有节点连接成一个闭合的环(早期的局域网、城域网)
     • 优点：电缆长度短，易于避免冲突
     • 缺点：某节点故障引起全网瘫痪，加新（撤出）阶段麻烦
   • 网状拓扑结构：网络中的节点通过多条链路与不同的节点直接相连接（广域网、核心网络）
     • 优点：网络可靠性高
     • 缺点：网络结构复杂，成本高
   • 树形拓扑结构：可以看做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：根节点要求高
   • 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. 交换方式

   • 电路交换网络
   • 报文交换网络
   • 分组交换网络

4. 网络用户属性

   • 公用网
   • 私有网

二、计算机网络结构

一、网络边缘

1. 网络边缘：连接到网上的所有端系统
2. 端系统（主机）：连接到网络上的计算机

二、接入网络

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
3. 混合光纤通州电缆HFC接入网络：利用有线电视网络接入。基于频分多路复用技术。非对称、共享式接入
4. 局域网：电箱的局域网技术是以太网、WiFi
5. 移动接入网络：利用移动通信网络，如3G/4G/5G网络

三、网络核心

由通信链路互连的分组交换设备构成的网络，作用是实现挽留过边缘中主机之间的中继与转发

三、数据交换技术

1. 概念
   • 交换设备：多通信端口，同时连接多个通信节点
   • 数据交换：是实现大规模网络和欣赏进行数据传输的技术基础
2. 技术
   • 电路交换
     • 最早出现的交换方式
     • 电话网络是最早、做大的电路交换网络
     • 3个阶段：建立电路、传输数据、拆除电路
   • 报文交换
     • 存储-转发的交换方式
     • 优点：信道利用率高
     • 缺点：网络的延迟时间变长，有时还需要丢弃报文
   • 分组交换
     • 包交换，存储-转发交换方式，计算机挽留过中使用最广泛的交换技术
     • 在其他条件相同的情况下，分组长度越长，延迟时间越长，范围：16~4096B

四、计算机网络性能

1. 速率与带宽
   • 速率：单位时间内传输的数据量，描述挽留过传输数据的快慢
   • 带宽：在计算机网络中，指的是一条链路或信道的最高数据速率
   • 单位：bit/s(位每秒)， bps(位每秒)
2. 时延
   指数据从网络中的一个阶段到达另一个节点所需要的时间
   a. 节点处理时延
   b. 排队时延
   c. 传输时延或发送时延，d = L/R, L：分组长度，单位：bit, R:链路带宽，单位：bit/s
   d. 传播时延，d=D/V, D:物理链路长度，单位:m, V:信号传播速度，单位：m/s
3. 时延带宽积
   物理链路的传播时延与链路带宽的乘积，记为G。表示一段链路可以容纳的数据位数，也称为以位为单位的链路长度
4. 丢包率
   反应挽留过的拥塞程度
5. 吞吐量
   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

五、计算机网络体系结构

1. 计算机网络所划分的层次以及各层协议的集合

2. 分类

• OSI参考模型(7层) ：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层

  • 特点：
    • 数据在垂直的层次中自上而下地逐层传递
    • 对等层不直接进行通信，称为虚拟通信，物理层的两个端点进行物理通信，称为实通信
    • 中间系统通常只实现物理层、数据链路层和网络层功能
    • 节点到节点层：物理层、数据链路层。网络层
    • 端到端层：传输层、会话层、表示层、应用层
  • 数据单元：在层的实体之间传送的比特组, 对等层之间传输的数据单元：协议数据单元（PDU）
    • 应用层：报文
    • 传输层：数据段或报文段
    • 网络层：分组或包
    • 数据链路层：帧
    • 物理层：比特流或位
  • 服务访问点
    • 相邻层间的服务是通过接口上面的服务访问点进行的

• TCP/IP参考模型(4层)：应用层：报文，传输层：段，网络互连层(TCP/IP 参考模型的核心)：数据报，网络接口层：帧

• 五层参考模型（5层）：应用层：报文，传输层：段，网络层：数据报，链路层：帧，物理层：比特流

六、计算机网络与因特网发展简史

ARPAnet是第一个分组交换的计算机网络，也会当今因特网的祖先