计算机网络（一）概述

目录

• 一、网络基本概念
  • 1. 网络、互连网(互联网)和因特网
  • 2. 因特网技术提供者
  • 3. 基于ISP的三层结构的因特网
  • 4. 因特网的组成
• 二、三种重要的交换方式
  • 1. 电路交换
  • 2. 分组交换
  • 3. 报文交换
  • 4. 三种交换方式的对比
• 三、计算机网络的定义和分类
  • 1. 计算机网络的定义
  • 2. 计算机网络的分类
• 四、计算机网络的性能指标
  • 1. 速率
    • 数据量（比特）
    • 速率（比特率）
  • 2. 带宽
  • 3. 吞吐量
  • 4. 时延
  • 5. 时延带宽积
  • 6. 往返时间
  • 7. 利用率
  • 8. 丢包率
• 五、计算机网络体系结构
  • 1. 计算机网络常见的体系结构
  • 2. 每层需要解决的问题
• 六、相关专业术语
  • 1. 实体
  • 2. 协议
  • 3. 服务

参考资料：https://www.bilibili.com/video/BV1c4411d7jb

一、网络基本概念

1. 网络、互连网(互联网)和因特网

2. 因特网技术提供者

3. 基于ISP的三层结构的因特网

4. 因特网的组成

因特网由边缘部分和核心部分组成：

• 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。
• 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)。

二、三种重要的交换方式

这三种交换方式分别为：

• 电路交换
• 分组交换
• 报文交换

1. 电路交换

概念和特点：

步骤和示意图：

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，因为每次进行信息交换时都需要先建立连接，而且单独占用一条固定的物理线路。

2. 分组交换

信息发送过程如下所示：

即信息分成很多个小片段，然后每个片段添加上用于标识的首部信息，然后分别沿着网络的不同线路到达目的主机，然后目的主机再将这些小片段进行合并得到原来的报文，这样就完成了一次信息的发送。

网络中的各个部分的职责如下：

3. 报文交换

报文交换的过程和分组交换其实是类似的，只不过是将每个原始的报文不切分成小的分组而直接进行发送，这样会占用交换机更大的缓存空间，因此现在的网络基本采用的是分组交换的方式而非报文交换。

4. 三种交换方式的对比

优缺点如下：

三、计算机网络的定义和分类

1. 计算机网络的定义

计算机网络的精确定义并未统一。

其最简单的定义为：一些互相连接的、自治的计算机的集合。

• 互连：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：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：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。

2. 计算机网络的分类

四、计算机网络的性能指标

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. 速率

数据量（比特）

常用的数据量单位有：

但一般硬盘等厂商标注在上面的GB往往是代表10⁹B，而不是上面图中的2³⁰B，例如我的硬盘上标注的是512GB大小的容量，但在操作系统上可以看到的是476GB：

这是因为：

\[\frac{512\times 10^{9}}{2^{30}} \approx 476.8(G B)\]

所以可以得到这个实际上达不到512GB的结果。

速率（比特率）

连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为比特率或数据率。

常用的数据率单位有：

注意，此时的k、M、G、T是分别表示10³，10⁶，10⁹和10¹²了，和数据量有所不同。且需要注意的是这里的是小写的b，代表bps，而数据量中的B代表Byte。

例题：

2. 带宽

带宽可以理解为理论最大传输速率。

3. 吞吐量

吞吐量是指对网络、设备、端口、虚电路或其他设施，单位时间内成功地传送数据的数量（以比特、字节、分组等测量）。

选自：https://blog.csdn.net/LiLi_code/article/details/106165080

可以理解为吞吐量是两点传输的平均速度，我们平时所看到的下载速度应该是吞吐量。（而速率应该指的是瞬时速度）

4. 时延

一般分为三种：

• 发送时延
• 处理时延
• 传输时延

计算方法：

例题：

5. 时延带宽积

6. 往返时间

7. 利用率

8. 丢包率

丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。

丢包率具体可分为：

• 接口丢包率
• 结点丢包率
• 链路丢包率
• 路径丢包率
• 网络丢包率

等等。

丢包率是网络运维人员非常关心的一个网络性能指标，但对于普通用户来说往往并不关心这个指标，因为他们通常意识不到网络丢包。

分组丢失主要有两种情况:

1. 分组在传输过程中出现误码， 被结点丢弃
2. 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃，在通信量较大时就可能造成网络拥塞。

因此，丢包率反映了网络的拥塞情况：

• 无拥塞时路径丢包率为0
• 轻度拥塞时路径丢包率为1%~4%
• 严重拥塞时路径丢包率为5%~15%

五、计算机网络体系结构

1. 计算机网络常见的体系结构

常见的体系结构如下图所示：

即我们实际上采用的标准是右图的TCP/IP体系结构，其每一层使用的协议如下所示：

但在教学上为了便于理解，把网络接口层一分为二成物理层和数据链路层：

2. 每层需要解决的问题

六、相关专业术语

1. 实体

实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
对等实体：收发双方相同层次中的实体。

案例如下图所示：

2. 协议

协议是控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合。

协议的三要素：

1. 语法：定义所交换信息的格式
2. 语义：定义收发双方所要完成的操作
3. 同步：定义收发双方的时序关系

案例：TCP连接

3. 服务

• 在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务。

• 要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

• 协议是”水平的“，服务是”垂直的“

• 实体看得见相邻下层所提供的服务,但并不知道实现该服务的具体协议。也就是说，下面的协议对上面的实体是"透明"的。

• 服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型。

  • 数据链路层的服务访问点为帧的“类型“字段。
  • 网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”。
  • 运输层的服务访问点为“端口号”。

• 服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令, 这些命令称为服务原语。

• 协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元。
• 服务数据单元SDU：同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元。
• 多个SDU可以合成为一个PDU；一个SDU也可划分为几个PDU。