【计算机网络学习笔记01】计算机网络概述

第一部分：计算机网络概述

1.计算机网络概念

一般认为,计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统,通过通信设备与线路连接起来,由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。简而言之,计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合。

2.计算机网络的功能

（1）数据通信

数据通信是计算机网络最基本和最重要的功能,用来实现联网计算机之间的各种信息的传输,并将将分散在不同地理位置的计算机联系起来,进行统一的调配、控制和管理。比如,文件传输、电子邮件等应用。

（2）资源共享

资源共享可以是软件共享、数据共享,也可以是硬件共享。使计算机网络中的资源互通有无、分工协作,从而极大地提高硬件资源、软件资源和数据资源的利用率。

（3）分布式处理

当计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时,可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统,从而利用空闲计算机资源以提高整个系统的利用率。

（4）提高可靠性

计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机。

（5）负载均衡

将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各台计算机。

除以上几大主要功能外,计算机网络还可以实现电子化办公与服务、远程教育、娱乐等功能,满足了社会的需求,方便了人们学习、工作和生活,具有巨大的经济效益。

3.计算机网络分类

（1）按分布范围分类

1）广域网（WAN）

广域网的任务是提供长距离通信,运送主机所发送的数据,其覆盖范围通常为几十千米到几千千米的区域,因而有时也称远程网。广域网是因特网的核心部分。

2）城域网（MAN）

城域网的覆盖范围可以跨越几个街区甚至整个城市,覆盖范围约为5~50km。城域网大多采用以太网技术,因此有时也常并入局域网的范围进行讨论。

3）局域网（LAN）

局域网一般用微机或工作站通过高速线路相连,覆盖范围较小,通常为几十米到几千米的区域。局域网在计算机配置的数量上没有太多的限制,少的可以只有两台,多的可达几百台。传统上,局域网使用广播技术,而广域网使用交换技术。

4)个人区域网（PAN）

个人区域网是指在个人工作的地方将消费电子设备(如平板电脑、智能手机等)用无线技术连接起来的网络,也常称为无线个人区域网(WPAN),其覆盖的区域直径约为10m

（2）按传输技术分类

1)广播式网络

所有联网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时,所有其他的计算机都会“收听”到这个分组。接收到该分组的计算机将通过检查目的地址来决定是否接收该分组。局域网基本上都采用广播式通信技术,广域网中的无线、卫星通信网络也采用广播式通信技术。

2）点对点网络

每条物理线路连接一对计算机。如果通信的两台主机之间没有直接连接的线路,那么它们之间的分组传输就要通过中间结点的接收、存储和转发,直至目的结点。

是否采用分组存储转发与路由选择机制是点对点式网络与广播式网络的重要区别,广域网基本都属于点对点网络。

（3）按拓扑结构分类

网络拓扑结构是指由网中结点(路由器、主机等)与通信线路(网线)之间的几何关系(如总线形、环形)表示的网络结构,主要指通信子网的拓扑结构。按网络的拓扑结构,主要分为总线形、星形、环形和网状形网络等。
1.总线结构

用单根传输线把计算机连接起来。总线形网络的优点是建网容易、增减结2点方便、节省线路。缺点是重负载时通信效率不高、总线任意一处对故障敏感。
2.星形结构

每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连。中央设备早期是计算机,现在一般是交换机或路由器。星形网络便于集中控制和管理,因为端用户之间的通信必须经过中央设备。缺点是成本高、中心结点对故障敏感。
3.环形结构

所有计算机接口设备连接成一个环。环形网络最典型的例子是令牌环局域网。环可以是单环,也可以是双环,环中信号是单向传输的。
4.网状形结构

一般情况下,每个结点至少有两条路径与其他结点相连,多用在广域网中。有规则型和非规则型两种。其优点是可靠性高,缺点是控制复杂、线路成本高。

（4）按使用者分类

1)公用网(Public Network),指电信公司出资建造的大型网络。“公用”的意思是指所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都可以使用这种网络,因此也称公众网。
2)专用网(Private Network),指某个部门为满足本单位特殊业务的需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务。例如铁路、电力、军队等部门的专用网。

（5）按交换技术分类

交换技术是指各台主机之间、各通信设备之间或主机与通信设备之间为交换信息所采用的数据格式和交换装置的方式。按交换技术可将网络分为如下几种。

1)电路交换网络。

在源结点和目的结点之间建立一条专用的通路用于传送数据,包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。最典型的电路交换网是传统电话网络。

2)报文交换网络。

用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息,然后封装成报文。整个报文传送到相邻结点,全部存储后,再转发给下一个结点,重复这一过程直到到达目的结点。每个报文可以单独选择到达目的结点的路径。报文交换网络也称存储-转发网络。

3)分组交换网络

也称包交换网络。其原理是将数据分成较短的固定长度的数据块,在每个数据块中加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组(包),以存储转发方式传输。

（6）按传输介质分类

传输介质可分为有线和无线两大类,因此网络可以分为有线网络和无线网络。有线网络又分为双绞线网络、同轴电缆网络等。无线网络又可分为蓝牙、微波、无线电等类型。

4.计算机网络组成

从不同的角度,可以将计算机网络的组成分为如下几类。
（1）从组成部分上看,一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议三大部分组成,缺一不可。
（2）从工作方式上看,计算机网络(这里主要指Internet)可分为边缘部分和核心部分。边缘部分由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成,用来进行通信(如传输数据、音频或视频)和资源共享;核心部分由大量的网络和连接这些网络的路由器组成,它为边缘部分提供连通性和交换服务。

5.计算机网络的性能指标

（1）速率

数据的传送速率，也称数据率或比特率。速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，速率单位是bit/s(比特每秒)b/s

（2）带宽

1. 带宽本来是指某个信号具有的频带宽度。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。
2. 在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。带宽的单位就是数据率的单位bit/s

（3）吞吐量

单位时间内通过某个网络、信道、接口的数据量。单位b/s , kb/s, Mb/s, Gb/s , Tb/s 。所有信道加一块每秒能通过的速率。

（4）时延

指数据从网络的一端传输到另一端所需要的时间，也称为延迟，单位为s。

a.发送时延：

是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。发送时延也称为传输时延。
发送时延 = 数据帧长度（b） / 信道带宽（b/s）

b.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。
传播时延 = 信道长度（m） / 电磁波在信道上的传播速率（m/s）
（电磁波在信道上的传播速率接近光速）

c.处理时延

主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，就这产生了处理时延。

d.排队时延

分组在经过网络传输时，会经过许多路由器。分组在进入路由器之前要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。提高数据的发送速率只是减少了数据的发送时延。

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（bit） = 传播时延 (s) * 带宽(b/s)
时延带宽积又称为以比特位单位的链路长度
即“某段链路现在有多少比特”。（容量）

（6）往返时间RTT

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。
RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。
RTT包括：

• 往返传播时延 = 传播时延 * 2
• 末端处理时间

有效数据率=数据长度/(发送时间+RTT)

（7）利用率

利用率包括：

• 信道利用率 ：有数据通过的时间 / （有+无）数据通过的时间
• 网络利用率 ：信道利用率加权平均值（加权平均值即将各数值乘以相应的权数，然后加总求和得到总体值，再除以总的单位数。）