计算机网络概述

计算机网络在信息时代的作用

• 三网：电信网络、有线电视网络、计算机网络
• 计算机网络向用户提供的最重要的功能：
  
  • 连通性
  • 共享：资源共享，包括信息共享、软件共享、硬件共享

网络的网络

• 网络：网络由若干结点和连接这些结点的链路组成。网络中的结点可以死计算机、集线器、交换机或路由器等。
• 互联网(internet)：互联网由网络之间通过路由器互连组成，因特网(Internet)是世界上最大的互连网络。网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络连接在一起

因特网发展的三个阶段

• 阶段一

第一阶段是单个网络ARPANET向互联网发展的过程。第一个分组交换网ARPANET最初只是一个单个的分组交换网(并不是一个互连的网络)。所有要连接在ARPANET上的主机都直接与就近的结点交换机相连。

• 阶段二

第二阶段是建成了三级结构的因特网：主干网、地区网、校园网(或企业网)

• 阶段三：逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。
  
  • 因特网服务提供商 ISP(Internet Service Provider)，例如：中国电信、中国移动等。ISP可以从因特网管理机构申请到很多IP地址，然后分发给个人或机构。“上网”就是指通过某个ISP获得IP地址接入到因特网。
  • 根据提供服务的覆盖面积的大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分为不同的层次：主干ISP、地区ISP、本地ISP

因特网的组成

• 边缘部分(资源子网)：由所有连接在因特网上的主机(端系统)组成，用来进行通信和资源分享
  
  • 在网络边缘的端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：客户-服务器方式(C/S方式)和对等方式(P2P文件共享)
    
    • 客户-服务器方式：客户是服务请求方，服务器是服务提供方
    • 对等连接方式：双方都运行了对等连接软件(P2P软件)既是服务请求方也是服务提供方
• 核心部分(通信子网)：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。提供连通性和交换
  
  • 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建，其任务是转发收到的分组。
  • 电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，就像在一个管道中传送
    
    • 面向连接的交换，从主叫端到被叫端建立一条专用的物理通路，从开始建立到结束通话，双方始终占用通路的所有通信资源
    • 建立连接(占用通信资源)->通话(一直占用通信资源)->释放连接(归还通信资源)
    • 优点：实时性强，时延小，有序，交换设备成本较低
    • 缺点：线路传输效率低
    • 适用于信息量大，长报文，固定用户
  • 报文交换：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点
    
    • 报文在因特网中独立地选择传输路径
    • 优点：中继电路利用率高
    • 缺点：时延大
    • 适用于报文较短，实时性要求较低
  • 分组交换：单个分组(整个报文划分为若干个小分组/包)传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点
    
    • 把整个报文划分为一个个等长数据段，每个数据段前面加上首部(地址信息：目的地址、源地址，位置信息：相对位置)构成分组/包，每个分组在因特网中独立选择传输路径，并被正确地交付到分组传输的终点。
    • 优点：高效，在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用；灵活，为每一个分组独立地选择转发路由；迅速，以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组；可靠，保证可靠性的网络协议（各个路由器中运行的路由选择协议在网络中某些结点或链路出故障时自动找到其他路径转发分组），分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性
    • 缺点：时延，分组在各路由器存储转发时需要排队；因为各个包必须携带的控制信息而造成的开销。

计算机网络的类别

• 计算机网络：一些互相连接的、自治的计算机的集合。
• 按网络的作用范围进行分类：
  
  • 广域网WAN：几十到几千公里
  • 城域网MAN：5-50KM
  • 局域网LAN：1KM左右，校园网或企业网
  • 个人区域网PAN：10m左右
• 按网络的使用者分类：
  
  • 公用网
  • 专用网
• 用来把用户接入到因特网的网络：
  
  • 接入网AN,称为本地接入网或居民接入网

计算机网络的性能

• 速率：
  
  • 比特(bit)是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。一个bit就是一个二进制数字。
  • 网络技术中的速率指的是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，也称为数据率或比特率。
  • 速率的单位是b/s(比特每秒)，或kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s。1Kb=10^3,1Mb=10^6,1Gb=10^9,1Tb=10^12.
  • 一般指额定速率或标称速率
• 带宽(=最高数据率/数据的发送速率/吞吐量)
  
  • 带宽表示网络的通信线路传送数据的能力，因此网络带宽表示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”
  • 带宽的单位是“比特每秒”,b/s
• 吞吐量
  
  • 吞吐量表示单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量
  • 经常用于对实际网络的测量
  • 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制
• 时延
  
  • 时延是指数据从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间
  • 总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
  • 发送时延：主机或路由器发送数据帧所需要的时间。发送时延=数据帧长度(b)/发送速率(b/s)
  • 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。传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率(m/s)
  • 发送时延发生在机器的内部的发送器中，传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上
  • 处理时延：主机或路由器收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等等，这就产生了处理时延。
  • 排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列排队等待转发。这就产生了排队时延。
  • 对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率
  • 提高数据的发送速率只是减少了数据的发送时延
• 时延带宽积
  
  • 时延带宽积=传播时延*带宽
  • 又称为以比特位单位的链路长度
• 往返时间RTT
  
  • 表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间
• 利用率
  
  • 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。
  • 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。
  • 网络当前的时延 = 网络空闲时的时延 / (1 - 网络利用率)。 所以信道或网络利用率过高会产生非常大的时延