计算机网络概述

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计算机网络事通信技术与计算机技术紧密结合的产物

一。通信技术模型：

信源–>发送设备–>信道–>接收设备–>信宿

计算机网络就是互联的，自治的计算机集合。

Internet

Internet是全球最大的互联网，是数以百万计的互联计算设备集合。

为网络应用提供通信服务的通信基础设施。为网络应用提供应用编程接口（API）。

二。网络协议

网络协议（network protocol），是为进行网络中的数据交换而建立的规则，标准或约定。

协议三要素：语法（Syntax），语义（Semantics），时序（Timing）

三。计算机网络结构

**网络边缘：**主机，网络应用

**接入网络，物理介质：**有线或无线通信链路

**网络核心：**互联网的路由器（或分组转发设备）

四。应用模型

客户/服务器（client/server）应用模型：

• 客户发送请求，接收服务器响应。
• 比如：Web应用，文件传输FTP应用

对等（peer-peer，P2P）应用模型；

• 无（或不仅依赖）专用服务器

• 通信在对等实体之间进行

• 比如：Gnutella，BT，Skype，QQ

五。多路复用

概念：

• 链路/网络资源（如带宽）划分为“资源片”
• 将资源片分配给各路呼叫（calls）
• 每路呼叫独占分配到的资源片进行通信
• 资源片可能闲置（idle）（无共享）

典型的多路复用方法：

• 频分多路复用(frequency division multiplexing-FDM)：各用户占用不同的带宽（频率带宽）进行通信，分配完成之后用户始终占用这个频段。
• 时分多路复用(time division multiplexing-TDM)：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每个用户在每个TDM帧中占用固序号的时隙，每用户所占的时隙是周期性出现。
• 波分多路复用(Wavelength division multiplexing-WDM)：又称为光的频分多路复用
• 码分多路复用(Code division multiplexing-CDM)：广泛用于无线链路共享（如蜂窝网，卫星通信等），每个用户分配唯一一个的m bit码片序列（chipping sequence），其中“0”用“-1”表示，“1”用“+1”表示。各用户使用相同频率载波，利用各自码片序列编码数据。编码型号=（原始数据）*（码片序列）。

六。传输延迟

分组传输延迟公式：

分组传输延迟（时延）（delay）=L（bits）/R（bits/sec）

L：分组长度 R：传输速率

分组交换的报文交付时间：

• 报文：M bits
• 链路带宽（数据传输速率）：R bps
• 分组长度（大小）：L bits
• 跳步数：h
• 路由器数：n

T=M/R+(h-1)L/R 或 T=M/R+n*L/R

七。计算机网络性能

1.速率：

速率即数据率（data rate）或称数据传输速率或者比特率（bit rate）

• 单位时间（秒）传输信息（比特）量。
• 计算机网络中最重要的一个性能指标。
• 单位：b/s （或bps） 、kb/s 、Gb/s 。
• k=10^3，M=106，G=10^9。

速率往往指的是额定速率或者标称速率。

2.带宽：

带宽（bandwidth）原本指信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹（Hz）

网络的带宽通常是数字信道所能传送的最好数据率，单位：b/s（bps）

常用的带宽单位：

• kb/s（10^3b/s）
• Mb/s（10^6b/s）
• Gb/s（10^9b/s）
• Tb/s（10^12b/s）

3.四种分组延迟

1.节点处理延迟（nodal processing delay）

• 差错检测
• 确定输出链路

2.排队延迟（queueing delay）

• 等待输出链路可用
• 取决于路由器的拥塞程度

3.传输延迟（transmission delay）

• L：分组长度（bits）
• R：链路宽度（bps）
• d=L/R

4.传播延迟（propagation delay）

d：物理链路长度

s：信号传播速度（~2*10^8m/sec）

4.时延带宽积

• 时延带宽积=传播时延*带宽
• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

5.丢包

• 队列缓存容量有限
• 分组达到已满队列将被丢弃（即丢包）
• 丢弃分组可能由前序节点或源重发（也可能不重发）
• 丢包率=丢包数/已发分组总数

6.吞吐量/率（Throughput）

吞吐量：表示在发送端与接收端只建传送数据速率（b/s）

• 即时吞吐量：给定时刻的速率
• 平均吞吐量：一段时间的平均速率

八。计算机网络体系结构

1.概述：

• 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
• 计算机网络体系结构简称网络体系结构（network architecture）是分层结构
• 每层遵循某个/些网路i协议完成本层功能
• 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
• 体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义
• 体系结构是抽象的

2.好处：

• 结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系
• 模块化的分层易于系统更新与维护，任何一层服务实现的改变对于系统其他层都是透明的
• 有利于标准化

3.实现：

• 实体（entity）表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
• 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议是“水平的”。
• 任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，服务是垂直的。
• 下层协议的实现对上层用户是透明的
• 同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点SAP（Service Access Point），交换原语，指定请求的特定服务。

4.OSI参考模型：

• 开放系统互连（OSI）参考模型是由国际标准化组织（ISO）于1984年提出的分层网路体系结构模型

• 目的是支持异构网络系统的互联互通

• 异构网络系统互连的国际标准

• 理解网络通信的最佳学习工具（理论模型）

• 7层（功能），每层完成特定的网络功能

  7.应用层（Application）

  6.表示层（Presentation）

  5.会话层（Session）

  4.传输层（Transport）

  3.网络层（Network）

  2.数据链路层（Date link）

  1.物理层（Physical）

物理层：

• 定义和规范接口特性：机械特性、电气特性、更能特性、规程特性。
• 定义比特编码，比特率，比特同步（时钟同步）
• 定义传输模式：单工（Simplex），半双工（half-duplex），全双工（full-duplex）

数据链路层：

• 负责结点-结点（node-to-node）数据传输。
• 组帧（Framing）。
• 物理寻址（Physical addressing）,在帧头中增加发送端和接收端的物理地址标识数据。
• 流量控制（Flow control），避免淹没接收端。
• 差错控制（Error control），检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧。
• 访问（接入）控制（Access control），在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权。

网络层：

• 负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付。
• 逻辑寻址（Logical addressing）,全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址。
• 路由：路由器（或网关）互联网络，并路由分组至最终目的主机，做出路径选择。
• 分组转发。

传输层：

• 负责源-目的（端-端）（进程间）完整报文传输。
• 分段于重组
• SAP寻址，确保将完整的报文提交给正确进程，如端口号
• 连接控制。
• 流量控制。
• 差错控制。

会话层：

• 对话控制（dialog controlling），建立与维护。
• 同步（synchronization）在数据流中插入同步点。

表示层：

• 处理两个系统间交换信息的语法与语义（syntax and semantics）问题。
• 数据表示转化，转化为主机独立的编码。
• 加密，解密。
• 压缩，解压缩。

应用层：

• 支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）。
• 典型的应用层服务包括：文件传输（FTP），电子邮件（SMTP），Web（HTTP）。

5.TCP/IP参考模型：

应用层：

• HTTP
• SMTP
• DNS
• RTP

运输层：

• TCP
• UDP

网际层：

• IP

网络接口层

6.五层参考模型：

应用层：

• 支持各种网络应用，FTP，SMTP，HTTP。

传输层：

• 进程-进程的数据传输，TCP，UDP。

网络层：

• 源主机到目的主机的数据分组路由与转发，IP，路由协议等。

链路层：

• 相邻网络元素（主机，交换机，路由器等）的数据传输。以太网（Ethernet），802.11（WiFi），PPP。

物理层：

• 比特传输。

7.控制信息：

作用：

• 增加控制信息，构造协议数据单元（PDU）

内容：

• 地址（Address）：标识发送端/接收端。
• 差错检测编码（Error-detecting code）：用于差错检测或纠正
• 协议控制（Protocol control）：实现协议功能的附加信息，如：优先级（priority）、服务质量（QoS）、和安全控制等。