计算机网络概述

计算机网络的概念

计算机网络是一些互联的、自治的计算机系统的集合。

1.广义观点

2.资源共享观点

3.用户透明性观点

计算机网络的组成

分类:

1)组成部分:硬件、软件、协议。

硬件包括主机(端系统)、通信链路(双绞线、光纤)、交换设备(路由器、交换机)、通信处理机(网卡)等组成。

软件包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件(如网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序)——多属于应用层

协议——计算机网络的核心

2)工作方式:边缘部分、核心部分。

边缘部分由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成,进行通信(传输数据、音频或视频)和资源共享。

核心部分由大量的网络和连接这些网络的路由器组成,它为边缘部分提供连通性和交换服务。

3)功能组成:通信子网和资源子网

通信子网由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成,使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力,实现联网计算机之间的数据通信

资源子网是实现资源共享的设备及其软件的集合,向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

计算机网络的功能

1.数据通信
2.资源共享
3.分布式处理
4.提高可靠性
5.负载均衡

计算机网络的分类

1.按分布范围分类

1)广域网(WAN) 几十千米—几千千米 交换技术

2)城域网(MAN) 5—50千米 以太网技术

3)局域网(LAN) 几十米—几千米 广播技术

4)个人区域网(PAN) 无线技术 无线个人区域网(WPAN) 10米

若中央处理器之间的距离非常近(如仅1m的数量级甚至更小),则一般称之为多处理器系统,而不称为计算机网络

2.按传输技术分类

1)广播式网络 共享一个公共通信信道 检查目的地址来决定是否接收

2)点对点网络 每条物理线路连接一对计算机。 若没有,则需要通过中间节点的接收、存储和转发,直至目的节点。

3.按拓扑结构分类

网络拓扑结构是指由网中节点(路由器、主机等)与通信线路(网线)之间的几何关系表示的网络结构,主要指通信子网的拓扑结构。

1)总线型 单根传输线连接计算机

优点:建网容易、增减节点方便、节省线路。

缺点:重负载时通信效率不高、总线任意一处对故障敏感。

2)星型 每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连 中央设备早期计算机,现在一般交换机或路由器

优点:便于集中控制和管理,因为端用户之间的通信必须经过中央设备

缺点:成本高、中心节点对故障敏感

3)环形 所有计算机接口设备连接成一个环。 典型例子:令牌环局域网。 环可以是单环、双环,环中信号单向传输。

4)网状形 一般,每个结点至少有两条路径与其他结点相连,多用于广域网。 有规则型和非规则型

优点:可靠性高

缺点:控制复杂、线路成本高

4.按使用者分类

1)公用网(Public Network) 指电信公司出资建造的大型网络

2)专用网(Private Network) 指某个部门为满足本单位特殊业务的需要而建立的网络

5.按交换技术分类

​ 交换技术是指各台主机之间、各通信设备之间或主机与通信设备之间为交换信息所采用的数据格式和交换装置的方式。

1)电路交换网络

​ 在源结点和目的结点之间建立一条专用的通路用于传输数据,包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。 典型:传统电话网络

​ 特点:整个报文的比特流连续地从源点直达终点,好像在一条管道传送。

​ 优点:数据直接传送、时延小

​ 缺点:线路利用率低、不能充分利用线路容量、不便于进行差错控制

2)报文交换网络

​ 用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息,然后封装成报文。整个报文传送到相邻结点,全部存储后,再转发给下一个结点,重复这一过程直到到达目的结点。每个报文可以单独选择到达目的结点的路径。

​ 报文交换网络也称存储-转发网络,主要特点是整个报文先传送到相邻结点,全部存储后查找转发表,转发到下个结点

优点:可以较为充分地利用线路容量,可以实现不同链路之间不同数据率的转换,可以实现格式转换, 可以实现对多、多对一的访问,可以实现差错控制。

缺点:增大了资源开销(如辅助信息导致处理时间和存储资源的开销),增加了缓冲时延,需要额外的控制机制来保证多个报文的顺序不乱序,缓冲区难以管理(因为报文的大小不确定,接收方在接收到报文之前不能预知报文的大小)

3)分组交换网络——包交换网络

​ 其原理是将数据分成较短的固定长度的数据块,在每个数据块中加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组(包),以存储-转发方式传输。

​ 其主要特点是单个分组(它只是整个报文的一部分) 传送到相邻结点,存储后查找转发表,转发到下一个结点。

​ 除具备报文交换网络的优点外,还具有:缓冲易于管理:包的平均时延更小,网络占用的平均缓冲区更少:更易于标准化;更适合应用。

​ 现在的主流网络基本上都可视为分组交换网络。

6.按传输介质分类

1)有线网络 双绞线网络、同轴电缆网络等

2)无线网络 蓝牙、微波、无线电等

计算机网络的标准化工作及相关组织

因特网所有标准都以RFC(Request For Comments)的形式在因特网发布,RFC要上升为因特网的正式标准需要经过:

1)因特网草案(Internet Draft) 这个阶段还不是RFC文档

2)建议标准(Proposed Standard) 从这个阶段开始就称为RFC文档

3)草案标准(Draft Standard)

4)因特网标准(Internet Standard)

国际上,负责制定、实施相关网络标准的标准化组织:

  • 国际标准化组织(ISO),制定的主要网络标准或规范有OSI参考模型、HDLC等
  • 国际电信联盟(ITU),制定大量有关远程通信的标准
  • 国际电气电子工程师协会(IEEE),制定802标准

计算机网络的性能指标

1)带宽(Bandwidth)

​ 原表示通信线路允许通过的信号频带范围,单位赫兹(Hz)

​ 计算机网络中,带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力,即数字信道所能传送的“最高数据率”,单位:比特/秒(b/s)

2)时延(Delay)

指数据(一个报文或分组)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需要的时间,由4部分组成。

  • 发送时延 结点将分组的所有比特推向(传输)链路所需的时间,即从发送分组的第一个比特算起,到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间,因此也称传输时延。 计算公式:发送时延 = 分组长度 / 信道宽度

  • 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,即一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间。 计算公式:传播时延 = 信道宽度 / 电磁波在信道上的传播速率

  • 处理时延 数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。 例:分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检查或查找适当的路由

  • 排队时延 分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。路由器确定转发端口后,还要在输出队列中排队等待转发

数据在网络中经历的总时延:

​ 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

注:做题时,排队时延和处理时延一般可忽略(除非题目说明)。另外,对于高速链路,提高的仅是数据发送速率而非比特在链路上的传播速率。提高数据的发送速率只是为了减少数据的发送时延

3)时延带宽积

​ 指发送端发送的第一个比特即将到达终点时,发送端已经发出了多少个比特,因此又称以比特为单位的链路长度,即时延带宽积 = 传播时延 * 信道带宽

4)往返时延(Round-Trip Time,RTT)
指从发送端发送数据开始,到发送端收到来自接收端的确认(接收端收到数据后立即发送确认),总共经历的时延。

​ 互联网中,还包括各中间结点的处理时延、排队时延和转发数据时的发送时延

5)吞吐量(Throughput)

​ 指单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。

​ 受网络带宽或网络额定速率的限制

6)速率(Speed)

​ 指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率,也称数据率或比特率,单位b/s(比特/秒)

​ 计算机网络中,把最高数据率成为带宽

7)信道利用率

​ 指出某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的,信道利用率 = 有数据通过时间 / (有 + 无)数据通过时间

计算机网络体系结构与参考模型

计算机网络分层结构

体系结构(Architecture):计算机网络的各层及其协议的集合

在计算机网络分层结构中,第n层中的活动元素通常称为n层实体。实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程,通常是一个特定的软件模块。不同机器上的同一层称为对等层,同一层的实体称为对等实体。n层实体实现的服务为n+1层所利用。这种情况下,n层被称为服务提供者,n+1层则服务于用户。

计算机体系结构的各个层次中,每个报文都分为两部分:数据单元(SDU),控制信息部分(PCI),共同组成PDU

​ 服务数据单元(SDU):为每个用户所要求的功能而应传送的数据。 第n层SDU记为n-SDU

​ 协议控制信息(PCI):控制协议操作的信息。 第n层PCI记为n-PCI

​ 协议数据单元(PDU):对等层次之间传送的数据单位,第n层PDU记为n-PDU。实际网络中,物理层PDU称为比特,链路层的PDU记为帧,网络层PDU称为分组,传输层PDU称为报文。

各层传输数据时,n+1层收到的PDU作为第n层的SDU,加上第n层的PCI,构成第n层的PDU,交给第n-1层后作为SDU发送,接收方接收时做相反的处理。 关系:n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n - 1)-SDU

1)第n层的实体使用第n-1层的服务来实现自身定义的功能,并且向第n+1层提供本层的服务,该服务是第n层及其下面各层提供的服务总和。

2)最底层只提供服务,使整个层次结构的基础,中间层既是下层的服务使用者,又是上层的服务提供者,最高层面向用户提供服务。

3)上层只能通过相邻层间的接口使用下层的服务,不能调用其他层的服务;下层所提供服务的实现细节对上一层透明。

4)两层主机通信时,对等层在逻辑上有一条直接信道,表现为不经过下层就把信息传送给对方。

计算机网络协议、接口、服务的概念

1.协议—规则的集合

为进行网络中的数据变换而建立的规则、标准或约定称为网络协议(Network Protocol),控制两个(或多个)对等实体进行通信的规则的集合,是水平的。不对等实体之间没有协议。网络协议简称协议。

2.接口

接口是同一结点内相邻两层间交换信息的连接点。每层只能为紧邻的层次之间定义借口,不能跨层定义。同一结点相邻两层的实体通过服务访问点(SAP)进行交互。服务通过SAP提供给上层使用,第n层SAP是第n+1层可以访问第n层服务的地方。SAP实际上是一个逻辑接口

3.服务

指下层为紧邻的上层提供的功能调用,是垂直的。

​ 上层使用下层所提供的服务时必须与下层交换一些命令,这些命令在OSI中称为服务原语。

注:在一层内完成的全部功能并非都称之为服务,只有那些能够被高一层实体“看得见”的功能才称为服务。

OSI将原语划分为4类:

  1. 请求(Request) 服务用户发往服务提供者,请求完成某项工作
  2. 指示(Indication) 服务提供者发往服务用户,指示用户做某件事情
  3. 响应(Response) 服务用户发往服务提供者,作为对指示的响应
  4. 证实(Confirmation) 服务提供者发往服务用户,作为对请求的证实

有应答服务包括全部4类原语,无应答服务只有请求和指示两类原语。

计算机网络提供的服务分为:
(1)面向连接服务与无连接服务

​ 面向连接:连接建立、数据传输、连接释放 如TCP

​ 无连接:不可靠服务,:尽最大努力交付“ 如IP、UDP

(2)可靠服务和不可靠服务

(3)有应答服务和无应答服务

​ 有应答:文件传输服务

​ 无应答:WWW服务

ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

1.OSI参考模型