计算机网络概论

一、计算机网络定义与分类

计算机网络定义

计算机网络是“以相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。

特征：

1. 组建计算机网络的主要目的是实现计算机资源的共享
2. 互联的计算机系统是自治的系统
3. 联网计算机之间的通信必须遵守共同的网络协议

计算机网络的分类方法

按覆盖的地理范围划分，计算机网络可以分为：广域网、城域网、局域网和个人区域网四类。

广域网

广域网又称为远程网，所覆盖的地理范围从几十千米到更大的范围。广域网可以覆盖一个国家、地区、或横跨几个洲，形成国际性的远程计算机网络。

城域网

以IP为基础，通过计算机网络、广播电视网、电信网的三网融合，形成覆盖城市区域的网络通信平台，为语音、数据、图像、视图、视频传输与大规模的用户接入提供高速与保证质量的服务。

局域网

局域网用于将有限范围内（例如一个实验室、一栋大楼、一个校园）的各种计算机、终端与外部设备互联成网。

个人区域网

个人区域网主要是采用无线通信技术实现联网设备之间的通信。

二、计算机网络的组成与结构

ISP的层次结构

ISP的基本概念：ISP指Internet服务提供商，用户接入和使用各种网络服务都需要经过ISP来提供。

ISP的层次：

1. 第一层ISP：第一层的国际会国家服务提供商是负责建设与维护主干网的公司，它们之间通过网络接入点互联。
2. 第二层ISP：第二层一般是区域或国家级的ISP，它们的主要特征是仅与少数第一层ISP连接。第二层ISP是第一层ISP的客户。
3. 第三层或更低层的ISP：一般为地区服务提供商和本地服务提供商，它们与一个或几个第二层的ISP连接。

三、分组交换技术的基本概念

网络中的数据交换方式

数据交换方式的分类

线路交换的特点

线路交换过程示意图

存储转发交换的特点

报文：不对传输的数据块长度做任何限制，直接封装成一个包进行传输，那么封装后的包成为报文。

1. 发送的数据与目的地址、源地址、控制信息一起，按照一定的格式组成一个数据单元（报文或报文分组）再发送出去
2. 路由器可以动态选择传输路径，可以平滑通信量，线路的利用率高，可以对不同通信速率的线路进行速率转换
3. 数据单元在通过路由器时需要进行差错处理，可以提高数据传输可靠性

报文与报文分组的比较

报文存储转发交换

将报文作为一个数据传输单元

分组交换

将报文分组作为一个数据传输单元

报文交换与分组交换的比较

数据报方式

数据报是报文分组存储转发的一种形式

数据报方式工作原理

虚电路方式

虚电路方式把数据报和线路交换结合起来

虚电路方式工作原理

四、分组交换网中的延时

分组交换网延时是指一个分组从源主机发出，经过分组交换网（或链路）的传输，到达目的主机所需要的时间，因此分组交换网延时也统称为“网络延时”，网络延时包括发送延时、传播延时、排队延时和处理延时。

发送延时

主机发送一个数据分组的第一位到最后一位需要一定的时间，这个时间叫做“发送延时”。

​ 发送延时 = 发送的比特数/发送速率 = N/S

传播延时

如果发送主机与接收主机之间的传输介质长度为D，信号传输速度为V，那么信号传播距离D所需要的时间是D/V。这个时间就是数据信号的传播延时。

排队延时

当分组从一个输入端口进入路由器等待处理，以及在输出队列中等待转发所需要的时间叫做排队延时。

处理延时

主机与路由器接收一个分组，需要分析该分组的头部和数据部分，要检查源地址与目的地址，要检查校验和确定分组传输是否出错，这些处理需要的时间叫做处理延时。

五、网络体系结构与网络协议

网络协议

协议是一组控制数据交互过程的通信规则

网络协议三要素：

1. 语义—解释控制信息每个部分的意义，规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应
2. 语法—用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序
3. 时序—对事件发生顺序的详细说明

协议、层次、接口与体系结构的基本概念

协议： 协议是一种通信规则，要保证邮政通信系统的正常和有序地运行，就必须制定和执行各种通信规则

层次： 层次结构是处理计算机网络问题最基本方法，对于一些难以处理的复杂问题，通常是采用分解为若干个容易处理的、小一些的问题，“化整为零，分而治之”的方法去解决。

接口：接口是同一主机内相邻层之间交换信息的连接点。

体系结构：网络体系结构是网络层次结构模型与各层协议的集合。

OSI参考模型

OSI参考模型结构

OSI参考模型各层的主要功能

物理层：

• 物理层是OSI参考模型的最低层
• 物理层利用传输介质为通信的网络主机之间建立、管理和释放物理连接，实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务
• 物理层的数据传输单元是比特（bit）

数据链路层：

• 数据链路层的低层是物理层，相邻高层是网络层
• 数据链路层在物理层基础上，通过建立数据链路连接，采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路
• 数据链路层的数据传输单元是帧

网络层：

• 网络层相邻的低层是数据链路层，高层是传输层
• 网络层通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的传输路径，实现流量控制、拥塞控制与网络互联的功能
• 网络层的数据传输单元是分组

传输层:

• 传输层相邻的低层是网络层，高层是会话层
• 传输层为分布在不同地理位置计算机的进程通信提供可靠的端—端连接与数据传输服务
• 传输层向高层屏蔽了低层数据通信的细节
• 传输层的数据传输单元是报文

会话层：

• 会话层相邻的低层是传输层，高层是表示层
• 会话层负责维护两个会话主机之间连接的建立、管理和终止，以及数据的交换

表示层：

• 表示层相邻的低层是会话层，高层是应用层
• 表示层负责通信系统之间的数据格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复

应用层：

• 应用层是参考模型的最高层
• 应用层实现协同工作的应用程序之间的通信过程控制