{
计算机网络基本概念
计算机网络结构
数据交换技术
计算机网络性能
计算机网络体系结构
计算机网络与因特网发展简史
}

第一节 计算机网络基本概念

{
起源
定义
互联网与因特网
ISP
}

起源： 从技术范畴看， 计算机网络是计算机技术和通讯技术相融合的产物。
定义： 计算机网络是互连的、自治的计算机集合。
互连： 是指利用通信链路链接相互独立的计算机系统。
自治： 是指互连的计算机系统相互独立， 不存在主从或控制与被控制的关系。

互联网与因特网
互联网（internet）： 泛指由多个计算机网络互连 而成的网络。
因特网（Internet）: 它指全球最大的、应用最广泛的计算机网络。
因特网服务提供商（Internet Service Provider, ISP）

网络协议的定义：网络通讯实体之间在数据交换的过程中需要遵循的规则和约定。
协议地三要素： 语法、语义、时序
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。

计算机网络的功能

{
硬件资源共享
软件资源共享
信息资源共享
}

硬件资源共享： 计算资源（CPU）、 存储资源、 打印机与扫描仪I/O等
例如：云存储、云计算。

软件资源共享：SaaS（Software as a Service）
例如： CRM ERP OA 大型办公软件、大型数据库管理系统。

信息资源共享： 信息检索、新闻浏览等。

计算机网络的分类

{
按覆盖范围
按拓扑结构
按交换方式
按用户属性
}

按覆盖范围

个域网（PAN）

局域网（LAN）

城域网（MAN）

广域网（WAN）

按拓扑结构

拓扑： topology，是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的一个学科。它只考虑物体间的位置关系而不考虑它们的形状和大小。

星型拓扑结构
总线型拓扑结构
环形拓扑结构
网状拓扑结构
树型拓扑结构
混合型拓扑结构

星型拓扑结构

概念： 包括一个中央结点，网络中的主机通过点对点通信链路与中央连接。
优点： 易于监控管理、故障诊断、隔离。
缺点：中央节点一旦故障， 全网瘫痪。

总线型拓扑结构

概念： 网络采用一条广播信道作为公共传输介质。所有结点均与总线连接，结点间的通信均通过共享的总线进行。
优点： 结构简单、电缆数量少， 易于扩展。
缺点： 通信范围受限、故障诊断与隔离困难， 容易产生冲突。

环形拓扑结构

概念：利用通信链路将所有结点连接成一个闭合的环。 （通信时他会首先广播一下）
优点：电缆长度短，可以使用光纤，易于避免冲突。
缺点：某结点故障引起全网瘫痪，加新（撤出）结点麻烦，等待时间较长。

网状拓扑结构

概念：网络中的结点通过多条链路与不同的结点直接相连接。
优点：网络可靠性高，一条或多条链路故障时，网络仍然可以联通。
缺点：网络结构复杂，成本高。

树形拓扑结构

概念：可以看作是总线型拓扑或星形拓扑结构网络的扩展。
优点：易于扩展，故障易隔离。
缺点：根结点要求高。

混合拓扑结构

概念：由两种以上简单拓扑结构网络混合连接而成的网络。
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。

按交换方式分类

电路交换网络

报文交换网络

分组交换网络

按用户属性分类

公用网

公用网：面向公众开放的网络

私有网

私有网：某个组织（政府或者企业）出资建设专门面向该组织，不向公众开放。

第二节 计算机网络结构

{
网络边缘
接入网络
网络核心
}

网络边缘

概念： 连接到网络上的计算机、服务器、智能手机。 智能传感器、智能家电、等成为主机或者端系统、连接到网上的所有端系统构成了网络边缘。

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. 混合光纤同轴电缆HFC接入网络： 利用有线电视网络接入的技术，基于频分多路复用技术， 非对称，独享式接入。
  4. 局域网： 典型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。

网络核心

网络核心是由通信链路互连的分组交换设备构成的网络， 作用是实现网络边缘中主机之间的中继与转发。

第三节 数据交换技术

{
数据交换的概念
电路交换
报文交换
分组交换
}

数据交换
交换设备具有多个通信端口， 可以连接多个通信结点。
数据交换是实现在大规模网络核心上进行的数据传输的技术基础。
常见的数据交换技术包括： 电路交换、报文交换、 分组交换。

电路交换

电路交换是最早出现的一种交换方式。电话网络是最早、最大的电路交换网络。

电路交换的步骤 ： 利用电路交换通信包括， 建立电路、 传输数据、拆除电路。
电路交换的优点： 实时性高， 时延短。
电路交换的缺点： 不适用于猝发式通信， 信道利用率低。

猝发式通信：亦称“瞬间通信”。在极短时间内快速发送信息的无线电通信。通信双方预先确定和调整好工作频率,在1~2秒或更短时间内突然快速发送电报或数据。信号不易被截获和干扰,常用于潜艇对岸发信和保密通信。

报文交换

image.png

交换结点这种接收—存储—转发的工作方式， 称为存储—转发的交换方式。
报文交换的优点： 信道利用率高。
报文交换的缺点： 网络的延迟时间变长， 有时还需要丢弃报文。

分组交换

image.png
分组交换也称为包交换，也采用存储—转发交换方式， 是计算机网络中使用最广泛的交换技术。

分组交换方式的优点：

  1. 交换设备存储容量要求低。
  2. 交换速度快
  3. 可靠传输效率高
  4. 更加公平

分组交换方式的缺点:
有效传输效率低

分组长度的确定：
在其他条件相同的情况下，分组长度越长，延迟时间越长。

第四节 计算机网络性能

{
速率与带宽
时延
时延带宽积
丢包率
吞吐量
}

速率与带宽

速率： 网络单位时间内传输的数据量， 用以描述网络传输数据的快慢， 也称为数据传输速率或数据速率
速率单位： bit/s
速率的基本单位有： Kbit/s、 Mbit/s、 Gbit/s、

带宽：
在通信和信号处理领域，指的是信号的频带宽度(最高和最低频率之差)，单位：Hz（赫兹）。
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）

时延

时延：分组每跳传输过程中主要产生4类时间延迟。
结点的处理时延、
排队时延、
传输时延、
传播时延。

传输时延（发送时延）： t = L/R
L是分组的长度，单位为bit;
R是链路带宽（即速率）， 单位： bit/s

传播时延： t = D/V
D： 物理链路长度， 单位： m
V： 信号传播速率， 单位： m/s

时延带宽积

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。
公式：G=传播时延×链路带宽=dp × R
传播时延的单位：s
带宽的单位： bit/s
时延带宽积的单位：bit
时延带宽积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。

丢包率

丢包率常用于评价和衡量网络性能， 在很大程度上反映网络拥塞程度。
丢包率 = 丢失的分组总数/发送的总分组数 = （发送的总分组数-接收的总分组数）/发送的总分组数

吞吐量

吞吐量：在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，记为Thr。
单位：bit/s或B/s（字节每秒）
1B=8bit
受网络链路带宽，网络复杂性，网络协议，网络拥塞程度影响。

第五节 计算机网络体系结构

{
计算机网络体系结构的定义
OSI参考模型
有关术语
TCP/IP参考模型
五层参考模型
}

定义：计算机网络所划分的层次以及各层次协议的集合就称为计算机网络体系结构

OSI参考模型

国际标准化组织ISO，提出开放系统互连（Open System Interconnection）参考模型，简称OSI。
OSI参考模型： 物理层、 数据链路层、网络层、传输层、会话层， 表示层、应用层。

对等层并没有直接接触，因而称为虚拟通道。
数据在垂直层次中自上而下地逐层传递直至物理层
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。
物理层、数据链路层和网络层为结点到结点层。
传输层、会话层、表示层、应用层为端到端层。


物理层功能：
在传输介质上实现无结构比特流传输。

数据链路层功能：

  1. 差错控制
  2. 流量控制
  3. 链路管理
  4. 寻址

网络层功能：
转发和路由

传输层： 第一个端到端的层次， 也是进程到进程的层次。
实现端到端的可靠数据传输
复用与分解
连接控制
流量控制和拥塞控制

会话层：通过两台计算机间建立、管理、 终止通信来完成会话。
表示层：主要用于处理应用实体间交换数据的语法，解决格式和数据表示的差别。不独立存在。
应用层：为用户提供了一个使用网络应用的“接口”。

数据单元：在层的实体之间传送的比特组称为数据单元。
对等层之间传输的数据单元：协议数据单元（PDU）

物理层：比特流或位流；
数据链路层：帧
网络层：分组或包
传输层：数据段或报文段
应用层：报文

有关术语
服务访问点： 相邻层间的服务是通过其接口面上的服务访问点(Service Access Point ,SAP)进行的，N层SAP就是（N+1）层可以访问N层的地方。每个SAP都有一个唯一的地址号码。

服务原语：
第N层向（N+1）层提供服务， 或第（N+1）层请求N层提供服务，都是用一组原语描述的。
原语：请求、指示、响应、证实。

TCP/IP参考模型

应用层：报文
传输层：段
网络互联层： 数据报
网络接口层： 帧

应用层： （在Internet上常见的一些网络应用大多在这一层。 www服务：HTTP 文件传输：FTP 电子邮件：SMTP和POP3 ）

传输层： 面向连接、提供可靠数据流传输的传输控制协议：TCP 无连接、不提供可靠数据传输的用户数据协议：UDP

网络互联层：TCP/IP参考模型核心。IP协议，ICMP（互联网控制报文协议）；
网络接口层：提供给网络互联层一个访问接口。

五层参考模型

五层参考模型 ：（描述计算机网络中最常用、最接近实际网络的参考模型）
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

第六节 计算机网络与因特网发展简史

1、MIT、兰德公司和NPL推动分组交换的研究与发展；
2、分组交换推动因特网的发展；
3、ARPAnet是第一个分组交换的计算机网络，也是当今因特网的祖先。
4、1986年，NSFNET创建，用于商业。
5、20世纪90年代，万维网（www）应用诞生。
6、“互联网+”