计算机网络的概念

计算机网络：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
计算机网络是互连的、自治的计算机集合。

  • 互连-通过通信链路互联互通
  • 自治-无主从关系

计算机网络的功能

  • 数据通信
  • 资源共享
    • 同一个计算机网络上的其他计算机可使用某台计算机的计算机资源的行为，可共享硬件、软件、数据。
  • 分布式处理
    • 多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分(Hadoop)
  • 提高可靠性
    • 当网络内的某台计算机宕机时，有另外的替代机接手其工作。
  • 负载均衡
    • 某个计算机网络内，各个计算机平均分摊各项事务使其负载达到均衡状态，各计算机间更亲密。

计算机网络的发展

第一阶段

  • 美国国防部高级研究计划局（ARPA）设计一个分散的指挥系统 -> ARPAnet 阿帕网
  • 希望实现不同网络互联 -> internet(interconnected network) 互联网
  • 1983年阿帕网接受TCP/IP选定Internet为主要的计算机通信系统 -> Internet 因特网
  • 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，因特网是世界上最大的互联网。

第二阶段

1985年起，美国国家科学基金会NSF围绕6个大型计算机中心建设计算机网络，即国家科学基金网NSFNET。

第三阶段

多层次ISP结构

ISP：因特网服务提供者/因特网服务提供商，是一个向广大用户综合提供互联网接入业务、信息业务、和增值业务的公司，如电信、联通、移动等。分为主干ISP、地区ISP和本地ISP。

通信过程

主机A -> 本地ISP -> 地区ISP -> 主干ISP -> 地区ISP -> 本地ISP -> 主机B

计算机网络组成

组成部分

  • 硬件、软件、协议（一系列规则和约定的集合）

    工作方式

  • 边缘部分 用户直接使用的通信进程

    • C/S client/server
    • B/S browser/server
    • P2P peer-to-peer（一台计算机提供服务同时也可以享受服务）

  • 核心部分 为边缘部分服务

    功能组成（数据通信、资源共享）

  • 通信子网（实现数据通信）

    • 实现资源共享功能的设备和软件的集合
    • 组成：应用层、表示层、会话层
  • 资源子网（实现资源共享/数据处理）
    • 各种传输介质、通信设备、相应的网络协议组成
    • 组成：网络层、数据链路层、物理层
  • 数据传递过程
    • 第一层次：资源子网
      • 应用层
      • 表示层
      • 会话层
    • 第二层次：传输层
    • 第三层次：通信子网
      • 网络层（路由器）
      • 数据链路层（交换机、网桥）
      • 物理层（集线器、中继器）

计算机网络的分类

按分布范围分

  • 广域网WAN（交换技术）
  • 城域网MAN
  • 局域网LAN（广播技术）
  • 个人区域网PAN

按使用者分

  • 公用网
  • 专用网

按交换技术分

  • 电路交换
  • 报文交换（存储转发）
  • 分组交换（存储转发）

按拓扑结构分

  • 总线型
  • 星型
  • 环型
  • 网状型（常用于广域网）

按传输技术分

  • 广播式网络（共享公共通信信道）
  • 点对点网络（使用分组存储转发和路由选择机制）

标准化工作

标准的分类

  • 法定标准（由全为机构制定的正式的、合法的标准） OSI
  • 事实标准（某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准）TCP/IP

RFC

全称为Request For Comments — 互联网标准的形式
RFC要上升为因特网正式标准的四个阶段：

  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）从这个阶段开始成为RFC文档
  3. 草案标准（Draft Standard）这个标准在2010年被取消
  4. 因特网标准（Internet Standard）

标准化工作的相关组织

  • 国际标准化组织ISO
    • OSI模型、HDLC协议
  • 国际电信联盟ITU
    • 制定通信规则
  • 电气和电子工程师协会IEEE
    • 学术机构、IEEE802系列标准、5G
  • Internet工程任务组IETF
    • 负责因特网相关标准的制定 RFC XXXX

性能指标

速率

速率即数据率或称数据传输率或比特率
单位：比特 1/0 位
连接在计算机网络的主机在数字信道上传送数据位数的速率。
单位是b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s,Tb/s

带宽

“带宽”原本指某个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）。
计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指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”。单位是“比特每秒”。

  • 网络设备所支持的最高速度
  • 链路带宽=1Mb/s => 主机在1μs内可向链路发1bit数据
  • 传播速率为2 * 108m/s => 电磁波1μs可向前传播200m

吞吐量

表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。单位b/s,kb/s,Mb/s等。
吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
注意：链路带宽是理想状态，吞吐量的值由速率决定。

时延

概述

指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需时间。也叫延迟或迟延。单位是s。

  • 发送时延（传输时延）
    • 发生在主机内部，即机器内部的发送器（网络适配器）
    • 发送时延=数据长度/信道带宽（发送速率）
  • 传播时延
    • 发生在机器外部（信道）
    • 取决于电磁波传播速度和链路长度
    • 传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率
  • 排队时延
    • 等待输出/入链路可用
  • 处理时延
    • 检错和找出口

      时延带宽积

      描述数据量或信息量的一个性能属性
      时延带宽积(bit) = 传播时延(s) * 带宽(b/s)
      时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。即“某段链路现在有多少比特”。

往返时延RTT

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。

  • RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。
  • RTT包括往返传播时延 = 传播时延 * 2 和 末端处理时间

利用率

信道利用率

信道利用率 = 有数据通过时间 / (有+无)数据通过时间

网络利用率

信道利用率加权平均值

分层结构

为什么要分层

发送文件前要完成的工作：

  • 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进激活。
  • 要告诉网络如何识别目的主机。
  • 发起通信的计算机要查明目的主机是否开机，并且与网络连接正常。
  • 发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备工作。
  • 确保差错和意外可以解决。