计算机网络基础(计算机网络基础与应用)

1 简单汇总

1 计算机网络在信息时代中的作用

2 互联网概述

1) 网络的网络

2)互联网基础结构发展的三个阶段

3 互联网的组成

1) 边缘部分

2) 核心部分

4 计算机网络的类别

1) 按照网络的作用范围进行分类

2) 按照网络的使用者进行分类

5 计算机网络性能

计算机网络的性能指标

1)速率

2) 带宽

3) 吞吐量

4) 时延

5) 时延带宽积

6) 往返时间RTT

7) 利用率

计算机网络的非性能指标

(1)费用

(2)质量

(3)标准化

(4)可靠性

(5)可扩展性和可升级性

(6)易于管理和维护

2 主要介绍

2.1计算机网络在信息时代中的作用

三大类网络：电信网络、有线电视网络、计算机网络；Internet是由数量极大的各种计算机网络互连起来的；互联网之所以能够向用户提供许多服务，就是因为互联网具有连通性和共享。连通性，就是互联网使上网的用户之间不管相距多远，都可以非常便捷、非常经济地进行各种信息交换，好像这些用户终端彼此直接连通一样；共享，资源共享的含义是多方面的，可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。

2.2互联网概述

2.2.1网络的网络

起源于美国的互联网现已发展成为世界上最大的覆盖全球的计算机网络。计算机网络（后简称为网络）：由若干结点和连接这些结点的链路组成。网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。网络之间还可以通过路由器互连起来，构成一个覆盖范围更大的计算机网络；这样的网络称为互连网；因此，互联网是网络的网络。网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络通过路由器连接在一起，与网络相连的计算机常称为主机。

2.2.2互联网基础结构发展的三个阶段

第一阶段：从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议。所有使用TCP/IP协议的计算机可以相互通信，所以1983年为互联网诞生的时间。internet（互连网）：一个通用名词，泛指多个计算机网络互连而成的计算机网络。通信协议可任意选择，不固定。Internet（互联网）：一个专用名词，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互连网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。

第二阶段：特点为建成了三级结构的互联网。80年代中期，为了满足各大学及政府机构为促进其研究工作的迫切要求，美国国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF）在全美国建立了6个超级计算机中心。1986年7月，NSF资助了一个直接连接这些中心的主干网络，并且允许研究人员对Internet进行访问，以使他们能够共享研究成果并查找信息。最初，这个NSF主干采用的是56Kbps的线路，到1988年7月，它便升级到1.5M bps线路。这个主干网络就是NSFNET。它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

第三阶段：逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。互联网服务提供者ISP（Internet Service Provider）又称为互联网服务提供商。ISP向互联网管理机构申请到IP地址+通信线路+路由器等设备，个人只要向ISP交纳规定的费用，就可以获得所需IP的使用权，并通过ISP接入到互联网。ISP分为：主干ISP，地区ISP，本地ISP互联网交换点（IXP），允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要第三个网络来转发分组。

2.3 互联网的组成

从其工作方式上，分成两大部分：

边缘部分：由互联网上的主机组成，是用户直接使用的部分，用来进行通信和资源共享

核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，是为边缘部分提供服务的，提供连通性和交换

2.3.1边缘部分：

端系统：主机

计算机之间的通信：主机A上的进程与主机B上的进程进行通信

端系统间通信方式：

1 客户-服务器方式：

概述：是最常用与传统的方式，一方请求服务，一方提供服务，通信可以是单向的，也可以是双向的

客户和服务器：指通信中涉及的两个应用进程

主要特征：客户是服务请求方，服务器是服务提供方

主要特点：

客户程序：

(1)用户调用后，在通信时主动向远地服务器发起通信(请求服务)。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址

(2)不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统

服务器程序：

(1)是一种专门提供服务的程序，可同时处理多个客户的请求

(2)系统启动后即自动调用不断运行，被动等待接受客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址

(3)一般需要强大的硬件和操作系统支

2 对等连接方式(P2P)：

概述：两台主机不区分服务器和客户，只要都运行p2p软件，就可以进行平等对等连接通信，双方都可访问对方硬盘中的共享文档。可支持大量对等用户同时工作

2.3.2核心部分

路由器的重要性：路由器是一种专用计算机，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

交换：按照某种方式动态分配传输线路的资源

三种交换方式：

(1)电路交换：

工作方式：在两用户端间建立一条专用的物理通路，保证了双方通信所需的通信资源，而这些资源在双方通信时也不会被其他用户占用

三个步骤：建立连接(占用通信资源)->通话(一直占用通信资源)->释放连接(归还通信资源)

重要特点：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源

(2)报文交换：

特点：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发给下一个结点

(3)分组交换：

工作方式：采用存储转发技术，把一个报文划分为几个分组后进行传送

报文：要发送的整块数据

分组：把较长的报文分成更小的等长数据段，再加上必要的控制信息组成的首部后，就构成一个分组；分组又称包，分组的首部又称包头

首部的重要性：包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，使每一个分组才能独立的选择传输路径，并正确交付到终点

存储转发技术：路由器收到分组后，先暂时存储，检查其首部，查找转发表，按照首部中目的地址，选择合适的接口转发出去

优点：

高效：在分组传输过程动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用

灵活：为每个分组独立选择最合适的转发路由

迅速：以分组为单位传输，不用建立和释放连接

可靠：保证可靠性的网络协议；分布式多路由器的分组交换网，有很好的生存性

三种交换的特点概述：

(1)电路交换：整个报文的比特流连续的从源点直达终点，好像在管道中传送

(2)报文交换：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发给下一个结点

(3)分组交换：单个分组传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发给下一个结点

2.3.2互联网的核心部分

网络核心部分是互联网中最复杂的部分，因为网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一台主机都能向其他主机通信。在网络核心部分起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机（但不叫主机）。路由器是实现分组交换的关键构件，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。

分组交换分组交换采用存储转发技术。表示把一个报文划分为几个分组后再进行传送。通常我们要把发送的整块数据称为一个报文。在发送报文之前，先把较长的报文划分成一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面加上一些由必要的控制信息组成的部首后，就构成了一个分组。位于网络边缘的主机和位于网络核心部分的路由器都是计算机，但它们的作用却很不一样。主机是为用户进行信息处理的，并且可以和其他的主机通过网络交换信息。路由器则是用来转发分组的，即进行分组交换的。路由器收到一个分组，先暂时存储一下，检查其部首，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器。当我们讨论互联网的核心部分中的路由器转发分组的过程时，往往把单个的网络简化成一条链路，而路由器成为核心部分的节点，如上图所示。这种简化图看起来可以更加突出重点，因为杂转发分组时最重要的就是要知道路由器之间是怎样连接起来的。

分组交换的优点高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用灵活；为每一个分组独立地选择最合适的转发路由迅速；以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组可靠；保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性

2.4计算机网络的类别

几种不同类别的计算机网络：

1.按照网络的作用范围进行分类

（1）广域网WAN：作用的范围通常为及时到几千公里，因而有时也称为远程网。

（2）城域网 MAN：作用范围一般是一个城市，其作用距离约为5~50KM。

（3）局域网 LAN：一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，在地理上局限于较小的范围。

（4）个人区域网 PAN：就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络，因此也常称为无线个人区域网WPAN。

2.按照网络的使用者进行分类

（1）公用网：指电信公司出资建造的大型网络；按电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用的网络。（2）专用网：某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络；这种网络不向外部人员开放。

（3）用来把用户接入互联网的网络这种网络就是接入网AN（Access Network），它又称为本地接入网和居民接入网。

2.5计算机网络的性能

2.5.1计算机网络的性能指标

1.速率网络技术中的速率一般是指数据的传送速率，也称数据率或者比特率,单位是bit/s(bps),当提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标定速率。

2.带宽网络带宽是指在单位时间内网络中的某信道做能通过的“最高数据率”，单位也是bit/s.

3.吞吐量吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（信道、接口）的实际数据量。举例来说，一个1Gbit/s的网络，即额定速率时1Gbit/s，这也是吞吐量的上限。吞吐量还可以用每秒传送的字节数或帧数表示。

4.时延时延是指数据从网络的一段传到网络的另一端所需要的时间。分为以下几个部分组成：

1）发送时延发送时延是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，即从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个bit发送完毕为止。又叫做，传输时延。发送时延=数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s）。

2）传播时延传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。ps：电磁波在自由空间中传播速率是光速3.0105km/s,在铜管中约为2.3*105km/s,在光纤中这个速度约为2.010^5km/s.

3）处理时延主机或者路由器在接收到数据之后需要话费一定的时间进行处理，如分析首部，提取数据，差错检验，寻找路由。

4）排队时延

定义：数据从网络的一段传送到另一端所需的时间；又称延迟或迟延

组成：

(1)发送时延：是主机或路由器发送数据帧所需要的时间

发生位置：在机器内部的发送器中，即网络适配器中，与信道长度无关

计算公式：

(2)传播时延：是电磁波在信道中传播一定距离所需要的时间

发生位置：在机器外部的传输信道媒体上，与信号的发送速率无关，只与信号传送的距离有关

计算公式：

电磁波在在不同介质中传播速率不同，在自由空间中为光速3*10^5 km/s；在铜线中为2.3*10^5 km/s；在光纤中为2.0*10^5 km/s

(3)处理时延：主机或路由器收到分组后处理分组所用的时间；如分析首部、提取数据、差错检验、转发路由查找等

(4)排队时延：分组经过路由器时，在路由器中经历输入和输出的排队等待时间

发生位置：各中转路由器中；取决于网络的通信量，通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，相当于时延无限大

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

5.时延带宽积

时延带宽积，又称为以比特为单位的链路的长度。时延带宽积 = 传播时延*带宽。

6.往返时间RTT

我们经常需要双向交互一次所需要的时间。A向B发送数据，耗费了 发送时间 = 数据长度/发送速率；B接受完立即向A发送确认，假设A只有收到确认才能继续向B发送数据，则需要等待一个RTT。这时 有效数据率 = 数据长度/(发送时间+RTT) 。

7.利用率

利用率分为信道利用率和网络利用率，信道利用率是指某信道有百分之几的时间是被利用的。网络利用率是全网络信道利用率的加权平均值。网络时延和利用率的关系是 D=D0/1-U，其中D0是网络空闲时的时延，U是利用率。因此有结论，信道或网络的利用率过高会产生非常大的延时，ISP通常控制U<50%.

2.5.2 计算机网络的非性能特征

1、费用（价格）

网络的性能与网络的价格息息相关。一般来说，网络的速率越高，其价格越贵。

2、质量

网络的质量取决于网络中所有构件的质量，以及这些构件如何组成网络。网络的质量会影响到网络的可靠性，网络管理的简易性，以及网络的一些其他性能。

但网络的性能和网络的质量不是等同的。例如：性能还不错的网络运行一段时间后出现故障，变得无法工作，说明其质量不好。网络的质量越好，价格往往也越贵。

3、标准化

网络的硬件和软件的设计即可以按照通用的国际标准，也可以遵循特定的专用的网络标准。当然采用国际标准，可以得到更好的互操作性，更易于升级换代和维修，也更容易得到技术上的支持。

4、可靠性

可靠性与网络的质量和性能有很大的关联。速率更高的网络，可靠性不一定会很差。但速率更高的网络要想可靠地运行，往往很困难，所需的费用也很高。

5、可拓展性和可升级性

网络的性能越好，其拓展（规模扩大）费用往往越高，升级难度（性能和版本的提高）也会相应增加。

6、易于管理和维护·

网络如果没有良好的管理和维护，就很难达到和保持所设计的性能。

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