01 计算机网络概述

1.1 计算机网络在信息时代的作用

1.2 因特网概述

*1网络、互连网(互联网)和因特网

• 网络(Network)由若干结点(Node)和连接这些结点的链路(Link)组成。
• 多个网络还可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网(或互连网)。因此，互联网是“网络的网络(Network of Networks) "。

• 因特网(Internet)是世界上最大的互连网络（用户数以亿计，互连的网络数以百万计)。

因特网内部的细节，也就是路由器怎么把许多网络连接起来的，往往省略不用给出

internet与lnternet的区别

• internet(互联网或互连网)是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议可以是任意的。
• lnternet(因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。

2因特网发展的三个阶段

• 因特网提供者ISP（Internet Service Provider）

  

​ ISP可以从因特网管理机构申请到成块的IP地址,同时拥有通信技术以及路由器等联网设备，任何机构和个人只要向ISP缴纳一定的费用，就可以从ISP获得一个一个IP地址（因特网的主机，必须有IP地址才可以通信），这样可以通过该ISP接入因特网。

• 基于ISP的三层结构主干网

  • 第一层ISP：最高级，服务面积最大，被称为因特网主干网，一般可以覆盖国际性通信范围，并且拥有高速链路和交换设备，第一层ISP之间直接互联
  • 第二层ISP和一些大公司都是第一层ISP的用户，具有局域性或者国家性覆盖规模，与少数第一层ISP相连接
  • 第三层ISP又称为本地ISP，是第二层ISP的用户，且只拥有本地范围的网络，一般的校园网、企业网，以及住宅用户和无线移动用户都是第三层ISP的用户

​ 因特网逐渐演变为基于ISP的多层次结构网络，今天的因特网因为规模较大，很难对整个因特网的结构给出细致的描述，但红线所示的结构是经常会遇到的，即相隔较远的两个主机进行通信可能经过多个ISP，一旦某个用户可以接入因特网，那么他也可以成为ISP，所需要做的是购买一些调制解调器或者路由器这样的设备，让其他用户可以与他相连，一个ISP可以很方便的在他的拓扑上进行增添新的层次和分支

3因特网的标准化工作

• 因特网的标准化工作对因特网的发展起到了非常重要的作用。

• 因特网在制定其标准上的一个很大的特点是面向公众。

  • 因特网所有的RFC(Request For Comments)技术文档都可从因特网上免费下载;
    (http://www.ietf.org/rfc.html)
  • 任何人都可以随时用电子邮件发表对某个文档的意见或建议。

• 因特网协会ISOC是一个国际性组织，它负责对因特网进行全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用。

  • 因特网体系结构委员会IAB，负责管理因特网有关协议的开发;
  • 因特网工程部IETF，负责研究中短期工程问题，主要针对协议的开发和标准化;
  • 因特网研究部lRTF，从事理论方面的研究和开发一些需要长期考虑的问题。

  

• 制订因特网的正式标准要经过以下4个阶段:

  • (1)因特网草案（在这个阶段还不是RFC文档)
  • (2)建议标准(从这个阶段开始就成为RFC文档)
  • (3)草案标准
  • (4)因特网标准

  只有一小部分RFC文档可以变成因特网标准

*4因特网的组成

• 边缘部分

  • 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。

  • 个人主机、服务器、智能硬件、手机等。

• 核心部分

  • 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的(提供连通性和交换)。
  • 网络核心部分起作用的是路由器，它是一种专用计算机，但我们不把它称为主机，路由器是实现分组交换的关键部件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能

1.3 三种交换方式：电路交换、分组交换和报文交换

电路交换(Circuit Switching)

​ 随着电话机的发明并大规模使用，人们认识到要使一部电话和另一部电话进行方便的通信，就需要一个中间设备讲这些设备连接起来，即电话交换机，每一部电话都连接到电话交换机上，可以把电话交换机看做是拥有多个开关的开关器，可以将需要通信的任意两个电话的电话线路按需联通，大大减少了电线连接数量，当电话增多时，就需要很多彼此连接的电话交换机来进行全网的交换任务，用这样的方法构成了覆盖全世界的电信网

• 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换;
• 从通信资源的分配角度来看，交换(Switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源;

电路交换示意图，为了简单起见没有区分市话和长途电话交换机

• 用户线归用户电话机专用，而电话交换机之间拥有的大量话路的中继线则是用户共享

• 电路交换的三个步骤：

  • 建立连接：分配通信资源，电路交换在打电话之前，必须先拨号请求建立连接，当别叫用户听到电话交换机送来的拨号音并摘机后，从主叫端到被叫端建立了一条连接，就是一段专用的物理通路，这条连接保证了双方通话时所需的物理资源，这些资源在双方通信时，不会被其他用户占用
  • 通话：一直占用资源
  • 释放连接：归还通信资源

  当使用电路交换来传送计算机数据时,其线路的传输效率往往很低。因为计算机的数据是突发式的出现在传输线路上的，例如，用户在输入和编辑一份待传输的文件时，用户所占用的通信资源暂时并未被利用，该通信资源也不能被其他用户利用，宝贵的通信资源被白白的浪费了，因此计算机网络通常使用分组交换而不是电路交换

分组交换(Packet Switching)

​ 因特网中最重要分组交换机是路由器，负责将各种网络互联起来，并对接受到的分组进行转发，即进行分组交换。

​

​ 假设主机H6用户要给主机H2用户发消息，通常我们把表示该消息的数据称为报文，在发送报文之前，先把较长的报文划分为一个个更小的等长数据段，在每个数据段前面加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组，也可简称为包，相应的首部也可称为包头

首部的作用？

• 包含了分组的目的地址，否则分组的传输路径的各分组交换机（也就是各路由器）就不知道如何转发分组了
• 分组交换机收到一个分组后，现将分组暂时存储下来，再检查其首部，根据其首部的目的地址再进行转发，找到合适的转发接口，通过该接口将分组转发给下一个分组交换机

​ 本例中，主机H6将构造的各分组依次发送，各分组经过途中各分组交换机存储转发，最终达到主机H2，主机H2收到这些分组后，去掉他们的首部，将各数据段组合还原出原始报文

​ 为了更便于初学者理解，本例中只显示了两种分组传输过程中的情况，对于可能出现的重复、丢失、误码等问题没有进行演示

1. 各分组从源站到目的站可以走不通的路径（也就是不同的路由）
2. 分组乱序：分组到达目的站的顺序不一定与源站的发送顺序相同

​ 传送过程中，各部分的作用：

报文交换(Message Switching)

​ 与分组转发类似，报文交换的交换节点也采用存储转发方式，但报文交换对报文大小没有限制，这就要求交换节点拥有较大的缓存空间。

​ 报文交换适用于早起的电报通信网，现在较少使用，现在被先进的分组交换方式替代。

电路交换、分组交换，报文交换对比

​ 假设A,B,C,D是分组传输路径上所要经过的四个结点交换机，纵坐标是时间

• 对于电路交换
  • 通信之前，首先要建立连接，连接建立好后，就可以通过已建立好的连接进行数据传送，数据传送完毕后，需要释放连接，以归还之前建立连接所占用的通信线路资源；
  • 一旦建立连接，中间的各节点交换就是直通形式的，比特流可以直达终点；
• 对于报文交换
  • 可以随时传送报文，而不需要提前建立连接，整个报文先传送到相邻结点传送机，全部存储下来后，在进行查表转发，转发给下一个结点交换机；
  • 整个报文需要在各结点交换机上进行存储转发，由于报文大小不受限制，需要各结点交换机都有较大的缓存空间；
• 对于分组交换
  • 可以随时传送分组，而不需要提前建立连接，构成各原始报文的一个个分组，依次在各结点交换机上存储转发，各结点交换机在发送分组的同时，还缓存接收到的分组；
  • 构成原始报文的一个个分组，需要在各结点交换机上进行存储转发，相比于报文交换，减少了转发时延，避免过长的报文长时间占用链路，同时也有利于进行差错控制；

优缺点：

• 适用范围广是指即可以传输模拟信号又可以传输数字信号；
• 动态分配线路是指当发送方把报文传送给结点交换机时，结点交换机先存储整个报文，然后选择一条空闲的线路，将报文发送出去；
• 提高利用率是指通信双方不是占用一条线路进行传输，而是在不同的时间分段部分占用物理线路；
• 多目标服务是指一个报文可以同时发送给多个目标地址；
• 简化存储管理是指分组长度固定，相应的缓冲区大小也固定，管理起来相对容易；
• 加速传输是指由于分组是逐个传输的，这就使后一个分组的存储操作与前一个的转发操作可以同时进行；
• 减少出错率和重发率是指由于分组小，出错率小就算出错直接重发出错部分即可。

1.4 计算机网络的定义和分类

计算机网络定义

• 计算机网络的精确定义并未统一
• 计算机网络的最简单的定义是:一些互相连接的、自治的计算机的集合。
  • 互连 是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信;
  • 自治 是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用;
  • 集合―是指至少需要两台计算机;
• 计算机网络的较好的定义是:计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号)。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
  • 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机等智能硬件。
  • 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用(包括今后可能出现的各种应用)。

该图所示系统，各终端机只是具有显示和输入设备的终端，而并不是自治的计算机，这只是一个运行分时系统的大型计算机系统，所以该图所示系统不是计算机网络

计算机网络分类

按使用者分

• 公用网:是指电信公司出建造的大型网络，公用 的意思就是所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都回以使用这种网络。

• 专用网:是指某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络，不向本单位以外的人提供服务。

按覆盖范围分

名称	覆盖范围	特点
广域网WAN	几十公里到几千公里，可以覆盖一个国家一个地区甚至横跨几个州，有时也被称为远程网	因特网的核心部分，为核心路由器提供远距离《例如。跨越不同的国家的)高速建接,互联分布在不同区域的城域网和局域网
城域网MAN	一个城市，5-50公里	城市骨干网，互联大量企业，机构和校园局域网，城域网已开始成为现代城市的信息服务基础设施，为大量用户提供接入和各种信息服务，并有趋势将传统的电信服络、有线电视服务和互联网服务融为一体。
局域网LAN	地理上局限在较小范围以内，—个学校或企业人都拥有许多个互连的局域网,称为校园网和企业网	一般用微型计算机或者工作站通过高速通信线路进行相连，速率在Mbit/s以上
个域网PAN	大概10m	不是用来连接计算机，在个人工作的地方把属于个人的电子设备用无线技术连接起来的网络，因此也称为无线个人区域网WPAN

若中央处理机非常近，1m数量级或者更小，则一般就称为多处理机系统，不称他为计算机网络

按拓扑结构分

名称	特点	优点	缺点
总线型网络	总线型网络使用单根传输线把计算机连接起来	建网容易，增减节点方便，节省线路	重负载时通信效率不高，总线任意一处出现故障，全网瘫痪
星型网络	每个计算机都以单独的线路与中央设备相连，中央设备现在一般是交换机或者是路由器	便于网络的集中控制和管理，端用户之间的通信必须通过中央设备	成本高，中央设备对故障敏感
环形网络	将所有计算机的网络接口连接成一个环，例子，令牌环局域网环 可以是单环也可以是多环，环中信号是单向传输的
网状型网络	一般情况下，每个节点至少有两个路径与其他结点相连，多用在广域网中	可靠性高	控制复杂，线路成本高

1.5 计算机网络的性能指标

• 性能指标可以从不同的方面来度量计算机网络的性能。

• 常用的计算机网络的性能指标有以下8个:
  速率 带宽 吞吐量 时延 时延带宽积 往返时间 利用率 丢包率

1.5.1 速率、带宽、吞吐量、时延

速率

1.5.2 时延带宽积、往返时间、利用率、丢包率

1.6 计算机网络体系结构

1.6.1 常见的计算机网络体系结构

1.6.2 分层的必要性

1.6.3 分层思想举例

1.6.4 专用术语

扩展视频：互联网是什么？

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来源： https://www.cnblogs.com/studyhao1999/p/16465211.html