第一章 计算机网络概述
第一节 计算机网络的基本概念
一、计算机网络的概念
计算机网络是利用通信设备与通信链路或者通信网络，互连位置不同、功能自治的计算机系统，并遵循一定的规则实现计算机系统之前信息交换。更为简短、概括性的定义：计算机网络是互连的、自治的计算机的集合。
二、网络协议
Internet 中互联的端系统、分组交换设备或其他网络设备在进行信息发送、接收或转发的过程中，都需要遵循一些规定或约定。即网络协议
三、协议的三要素
协议是网络通信实体之间在数据交换过程中需要遵循的规则或与约定，是计算机网络有序运行的重要保证。
任何一个协议都会有3个基本要素：语法、语义和时序，称为协议三要素
- 语法 ：定义实体之间交换信息的格式与结构，或者定义实体（比如硬件设备）之间传输信号的电平等。
- 语义：语义就是定义实体之间交换的信息中需要发送（或包含）哪些控制信息，这些信息的具体含义，以及针对不同含义的控制信息，接收信息端应如何响应。
- 时序：时序也称为同步，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。
四、计算机网络的功能
计算机网络的功能是在不同的主机之间实现快速的信息交换。通过信息交换，计算机网络可实现资源共享这一核心功能，包括硬件资源共享和软件资源共享以及信息资源共享。
五、计算机网络的分类
目前最大的计算机网络就是Internet (因特网）。按不同的分类标准可将这些网络分为不同的类型
- 按覆盖范围分类
（1）个域网 （PAN） 个域网通常是由个人设备通过无线通信技术构成小范围的网络，实现个人设备之间的数据传输。个域网通常范围覆盖在 0-10m
（2）局域网（LAN） 局域网通常部署在办公室、办公楼、厂区、校园 等局部范围区域内。采用高速有限或无线链路链接主机，实现局部范围内高速数据传输。局域网通常覆盖范围在10m - 1Km
（3）城域网（MAN）城域网是指覆盖一个城市范围的网络，覆盖范围通常在 5-50km
（4）广域网（WAM）广域网覆盖范围在几十到几千千米，通常跨越更大的地理空间，可以实现异地城域网或局域网的互联 - 按拓扑结构分类
网络拓扑是指网络中的主机、网络设备间的物理连接关系与布局。按拓扑结构，计算机网络可以分为总线型拓扑结构、环形拓扑结构、星型拓扑结构、混合拓扑结构、树形拓扑结构和网状拓扑结构等
（1）总线型拓扑结构。
总线型拓扑结构网络采用一条广播信道作为公共传输介质，称为总线，所有节点均与总线连接，结点间的通信均通过共享的总线进行。由于总线是一条广播信道，所以任一结点通过总线发送数据时，其他结点都会接收承载这些数据的信号。
优点:
① 所需要的电缆数量少
② 结构简单
③ 易于扩展
缺点：
① 通信范围受限
②故障诊断与隔离比较困难
③ 容易发生冲突
（2）环形拓扑结构。环形拓扑结构网络利用通信链路将所有结点连成一个闭合的环。环中的数据传输通常是单向（也可以双向）传输，每个结点可以从环中接收数据，并向环中进一步转发数据
优点：
① 所需电缆长度短
② 可以使用光纤
③ 易于避免冲突
缺点：
① 某结点的故障容易引起全网瘫痪
② 新结点的加入或撤出过程比较麻烦。
③ 存在等待时间问题
（3）星形拓扑结构
星形拓扑结构网络包括一个中央结点，网络中的主机通过点对点通信链路与中央结点连接。中央结点通常是集线器、交换机等设备，主机之间的通信都需要通过中央结点进行。
优点：
① 易于监控与管理
② 故障诊断与隔离容易
缺点：
① 中央结点是网络的瓶颈，一旦有故障，全网瘫痪
② 网络规模受限于中央结点的端口数量
（4）混合拓扑结构
混合拓扑结构是由两种以上简单拓扑结构网络混合连接而成的网络。绝大多数实际网络的拓扑结构都属于混合拓扑结构
优点：
① 易于扩展，可以构建不同规模网络
② 可根据需要优选网络结构
缺点：
① 网络结构复杂
② 管理与维护复杂
（5）树形拓扑结构
树形拓扑结构网络可以看作是总线型拓扑结或星形拓扑网络的拓展。目前，很多局域网都采用这种拓扑结构
优点 ：
① 易于扩展
② 故障隔离容易
缺点：
对根节点的可靠性要求高，一旦根节点故障，则可能导致网络大范围无法通信
（6）网状拓扑结构
网状拓扑结构中的结点通过多条链路与不同的结点直接连接。
优点：
① 网络可靠性高
② 一条或多条链路故障时，网络仍可连通
缺点
① 网络结构复杂
② 造价成本高
③ 选路协议复杂
3. 按交换方式分类
数据交换是指网络通过彼此互连的结点间的数据转接，实现将数据从发送结点送达目的结点的过程和技术。按网络所采用的数据交换技术，计算机网络可以分为电路交换、报文交换网络和分组交换网络
4. 按用户属性分类
（1）公用网
（2）私有网
第二节 计算机网络结构
一、网络边缘
连接到网络上的计算机、服务器、智能手机、智能传感器、智能家电等称为主机或端系统
这些端系统位于网络最边缘，因此，连接到网络上的所有端系统构成了网络边缘。
网络边缘上的端系统运行分布式网络应用，在端系统之间进行数据交换，实现应用目的。
二、接入网络
接入网络是实现网络边缘的端系统与网络核心连接与接入的网络。
常见的接入网络技术包括电话接入、非对称数字用户线路ADSL 、 混合光纤同轴电缆 HFC 接入网络、局域网和移动接入网络
三、网络核心
网络核心是通信链路互联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数据中继与转发。
第三节 数据交换技术与计算机网络性能
一、数据交换的基本概念
为了连接更大范围、更多数量的主机，可以将许多交换设备互联，构成一个数据中继与转发的中间网络
再将主机连接到距离较近的交换设备上，主机之间的数据传输通过中间网络实现中继与转发。
这个中间网络不需要关心所传输数据的内容，而只是为了这些数据从一个结点到另一个结点直至到达目的结点提供数据中继与交换的功能，称之为数据交换网络
组成交换网络的结点（即交换设备）称为交换结点，交换节点和传输介质的集合称为通信子网，即网络核心
二、数据交换技术
常见的数据交换技术包括电路交换、报文交换和分组交换
- 电路交换
在电路交换网络中，首先要通过中间交换节点为两台主机之间建立一条专用的通信线路，称为电路
再利用该电路进行通信，通信结束后再拆除电路
利用电路交换进行通信包括建立电路、传输数据和拆除电路三个阶段 - 报文交换
报文交换也称为信息交换，其工作过程为: 发送方要把发送的信息附加发送/ 接收主机的地址及其他控制信息
构成一个完整的报文，然后以报文为单位在交换网络的各个结点之间以 存储 —— 转发的方式传送，直至送达目的主机 - 分组交换
（1）分组交换基本原理。分组交换需要将传送数据（即报文）分割成较小的数据块，每个数据块附加上地址、序号等控制信息构成数据分组，每个分组独立传送到目的地，目的地将收到的分组重新组装，还原为报文。分组传输过程通常也采用 存储——转发交换方式
（2）分组交换的优点
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
（3）分组长度的确定
① 分组长度与延迟时间
分组交换网络的 传输——转发 过程可以抽象为一个排队系统，基于排队论的分析发现，当分组具有相同长度时，分组在交换过程中的延迟时间较小 。
因此 。 把报文按一定的标准长度分割为“分组” ，就能够使交换设备为单位对信息进行处理，从而缩短信息在交换过程中的延迟时间。
② 分组长度与误码率
通信链路的信道误码率是确定分组长度时另一个需要重点考虑的因素，设分组长度为L位 ，其中 h 位为分组头长度，数据长度为x 位，即有
x + h =L
若信道误码率为Pe ,则分组传输正确的概率（只考虑分组中位误码率的情况）为
Ps = (1-Pe)的 x+h次方
分组传输错误要求重发的概率为（1-Ps） ，在考虑可能多次连续传输错误的情况下，可以得到最佳分组长度 Lopt 为
最高信道利用率可表示为:
三、计算机网络的主要性能指标
- 速率和宽带
速率是指网络单位时间内传送的数据量，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
计算机网络传输的数据是以位为单位的二进制数据，速率的基本单位是bit / s （位每秒），也称为速率为比特率。
同时也会用宽带这一数据描述速率
在通信或信号处理领域中，宽带原本是指信号具有的频带宽度 ， 即信号成分的最高频率与最低频率之差，单位为Hz（赫兹）
在计算机网络中当描述
一条链路或信道的数据传输能力时，经常使用宽带一词表示链路或信道的最高数据速率，单位也是bit /s - 时延
时延是指数据从网络中的一个结点（主机或交换设备等）到达另一结点所需要的时间。
分组的每跳传输过程主要产生四类时间延迟
（1）结点处理时延
（2）排队时延
分组的传输时延：
当一个分组在输出链路发送时，从发送第一位开始，到发送完最后一位为止，所用的时间，称为传输时延，也称为发送时延 dt
假设分组的长度为 L
链路宽度为 R
（3）传输时延
（4）传播时延
信号从发送端出来，经过一定距离的物理链路到达接收端所需要的时间 称为传播时延 dp
若 物理长度为D
信号传播速度为V(m/s)
则 传播时延为 dp： D/V
- 时延带宽积
一段物理链路的传播时延与链路带宽的乘积，称为时延带宽积 记为 G 于是
G= dp *R
致最爱的猪猪
有的人，因为你对他好，所以觉得你好，他是你爱的人;有的人，因为懂得你的好，所以想要对你好，他是爱你的人;幸福的终点就是你爱的人变成爱你的人。