计算机网络概念

计算机网络是一个将众多分散的、自治的计算机系统，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。

互联：互联互通；
自治：无主从关系，互相连通但不能彼此控制；

几个概念：

计算机网络：由若干结点和连接这些结点的链路组成。结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等，链路可以是有线链路、无线链路；主要功能：数据通信、资源共享
互连网：多个计算机网络通过路由器互相连接而成；内部可以使用任何通信协议；
互联网：译为因特网。，特质全世界最大的计算机网络，由各大ISP和国际机构组建；使用TCP/IP协议族作为通信规则

ISP：互连网服务提供商（Internet Service Provider），如移动、电信、联通

集线器、交换机用于连接同一网络内的不同结点；路由器用于连接不同的网络；

家用路由器的概念不同于路由器，家用路由器=路由器+交换机+其他功能；

计算机网络组成

从组成部分看

硬件
1. 主机，即端系统，如电脑、手机、物联网设备
2. 通信设备：如集线器、交换机、路由器
3. 通信链路：如网线、光纤、同轴电缆
软件：方便用户使用，实现资源共享。如Email、聊天软件、网盘
协议：规定计算机网络中的通信规则，由硬件、软件共同实现。如网络适配器+软件实现网络通信协议

从逻辑功能看

资源子网：计算机网络中运行应用程序，向用户提供可共享的硬件、软件和信息资源的部分。主要由连接到互连网上的主机组成；
通信子网：计算机网络中负责计算机间信息传输的部分。即把计算机和其他用户装置连在遗器的所有通信设备和介质的总称。主要由通信链路+通信设备+协议组成。

注：主机北部实现信息传输的网络适配器、底层协议属于通信子网的范畴。

从工作方式看

边缘部分：直接为用户服务（通信、资源共享），主要由连接到互连网上的主机和其软件组成；
核心部分：为边缘部分提供服务(连通性、交换服务)，由大量网络和连接这些网络的路由器组成

计算机网络的功能

数据通信：实现计算机之间数据传输。是最基本，最重要的功能；
资源共享：包括硬件、软件、数据资源；
分布式处理：将某个复杂任务分配给网络中的多台计算机处理；
提高可靠性：网络中各台计算机互为替代机；
负载均衡：网络中各台计算机共同分担繁重工作；
其他：满足社会需求和生活需求；

数据交换技术

现代计算机网络技术诞生于20世纪60年代，APRAnet项目。数据通信的发展史：5世纪起兴起邮政网络，1830s出现电报网络，1870s出现电话网络。现代计算机发展初始，需要分析电报网络和电话网络的优缺点。

电话网络

电话网络采用电路交换技术，电路交换的步骤如下：

建立连接（尝试占用通信资源）
通信（一直占用通信资源）
释放连接（归还通信资源）

电路交换的优点：通信前从主叫端到被叫端建立一条专用的物理通路，在通信的全部时间内，两个用户始终占用端到端的线路资源。数据直送，传输速率高；

电路交换的确缺点：建立/释放连接，需要额外的时间开销；通信过程中线路被双方独占，录用率低；线路分配的灵活性差；交换结点不支持“差错控制”(无法发现传输过程中发生的数据错误)；

电路交换更适用于低频次、大量地传输数据。但计算机之间的数据传输往往是“突发式”的传输，往往是高频词，少量传输数据。

电报网络

电报网络采用报文交换技术，报文交换采用存储转发思想，把传送的数据单元先存储进中间结点，再根据目的地址转发至下一结点。

报文交换的优点：

通信前无需建立连接；
数据以“报文”为单位被交换结点间“存储转发”，通信线路可以灵活分配；
在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路，相比于电路交换，线路利用率高；
交换结点支持“差错控制”;

报文交换的缺点：

报文不定长，不方便存储转发管理；
长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大；
长报文容易出错，重传代价高；

分组交换

计算机网络可以参考报文交换技术，但需要解决报文不定长的问题。所以出现了分组交换技术。把不定长的报文分成固定长度的组，包含：源地址、目的地址、分组号等。

在现代计算机网络技术中，路由器就是典型的分组交换机。

分组交换的优点：

通信前无需建立连接；
数据以“分组”为单位被交换结点间“存储转发”，通信线路可以灵活分配；
在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路，相比于电路交换，线路利用率高；
交换结点支持“差错控制”;

相较于报文交换，分组交换改进了如下问题：

分组定长，方便存储转发管理；
分组的存储转发时间开销小、缓存开销小；
分组不易出错，重传代价低；

分组交换的缺点：

相比于报文交换，分组交换的控制信息占比增加了；
相比于电路交换，依然存在存储转发时延；
报文被拆分为多个组，传输过程中可能出现失序、丢失等问题，增加处理的复杂度；

	电路交换	报文交换	分组交换
完成传输所需时间	最少(不包括建立/释放连接耗时)	最多	较少
存储转发时延	无	较高	较低
通信前是否需要建立连接	是	否	否
缓存开销	无	高	低
是否支持差错控制	不支持	支持	支持
报文数据有序到达	是	是	否
是否需要额外的控制信息	否	是	是(控制信息占比大)
线路分配灵活性	不灵活	灵活	非常灵活
线路利用率	低	高	非常高

计算机网络分类

按分布范围分类：

广域网(WAN:Wide Area Network)
城域网(MAN:Metropolitan Area Network):并入局域网范围探讨
局域网(LAN:Local Area Network):采用以太网技术
个域网(PAN:Personal Area Network)：通常是用无线技术将个人设备连接起来，因此也称为无线个域网(WPAN)

如今局域网几乎都是采用以太网技术实现，因此“以太网”已经成为“局域网”代名词。局域网通过路由器接入广域网。

按传输技术分类：

广播式网络：当一台计算机发送数据分组时，广播范围内所有计算机都会收到该分组，并通过检查分组的目的地址决定是否接收该分组。所有的无线网络都是“广播式”；
点对点网络：数据只会从发送方“点对点”发送到接收方，精准送达。比如路由器转发的数据分组；

按拓扑结构分类：

总线形结构：数据“广播式”传输，存在“总线争用”的问题；比如集线器连接的设备；
环形结构：数据“广播式”传输，通过“令牌”解决总线争用问题，令牌顺着环形依次传递，拿到令牌者可以使用总线。如流行于上个世纪的令牌环网局域网技术；
星形结构：由中央设备实现数据的“点对点”传输，不存在“总线争用”问题，如以太网交换机连接的设备；
网状结构：数据通过各中间结点逐一存储转发；属于“点到点”传输。如众多路由器构建的广域网。

按使用者分类：

公用网———向公众开放的网络
专用网——仅供某个组织内部使用的网络

按传输介质分类

有线网络，如光纤、网线；
无线网络：如5G、WiFi、卫星；

计算机网络性能指标

速率、带宽、吞吐量

信道：表示向某一方向传送信息的通道，信道通信线路。一条融信线路在逻辑上往往对应一条发送信道和一条接收信道。

速率：指连接到网络上的节点在信道上传输数据的速率。也称数据率、比特率、数据传输速率。

速率单位：bit/s、b/s、bps (每秒传输多少比特)

要注意B和b表示的不一样，1B=8b，有时候单位也会使用Bps、B/s；

要注意区分计网中的常用数量前缀和计组、操作系统中的数量前缀。

计网：千：k()、兆：M()、吉：G()、太：T()；
计组、操作系统等表示容量：K()、M()、G()、T()；

带宽是指某信道所能传送的最高数据率。单位也是bps；

在通信原理中，带宽也表示某信道允许通过的信号频带范围，单位Hz;

节点间通信实际所能到达的最高速率，由宽带、节点性能共同限制。不是带宽高了，传输速率就一定高。

吞吐量指单位时间内通过某个网络(或接口、信道)的实际数据率。单位也是b/s、B/s、MB/s;

吞吐量受带宽限制、受复杂的网络负载情况影响；

时延、时延带宽积、往返时延

时延：指数据(一个报文或分组、甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。也称延迟。

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
- 发送时延：又名传输时延，节点将数据推向信道所花的时间； $数据长度发送速率$
- 传播时延：电磁波在信道中传播一定距离所花的时间； $信道长度电磁波在信道中的传播速度$
- 处理时延：被路由器处理所花的时间，比如分析首部、查找存储转发表；
- 排队时延：数据排队进入、排队发出路由器所花的时间

要注意区分传播时延 和 传输时延(发送时延)

时延带宽积 = 传播时延带宽。单位是bit（s bit/s）

时延带宽积表达的含义是一条链路中，已经从发送端发出但是还没有到达接收端的最大比特数。表现类似容量的概念。

往返时延：表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。

往返时延 = t2 + t3 + t4 + t5. 不包括t1

信道利用率

信道利用率表示某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的。

信道利用率 = $有数据通过的时间有数据通过的时间没有数据通过的时间$

信道利用率不能太低，浪费资源；但信道利用率也不能太高，容易导致网拥塞。

分层结构

分层设计思想：将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题。分层设计并不唯一，可以根据实际需求增加或减少层次。

网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应该完成的功能的精确定义(不涉及实现)。实现是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的，实现的具体的。

计算机常见的有三种网络体系结构：OSI参考模型(法律上的标准)、TCP/IP模型(事实上的标准)、五层模型(教学用标准)。

在计算机网络的分层结构中，第n层中的活动元素(软件+硬件)通常称为第n层实体。不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体。

网络协议是控制对等实体之间进行通信协议的规则的集合，是水平的。

接口即同一节点内相邻两层实体交换信息的逻辑接口，又称为服务访问点(SAP)。服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的。

数据组成：

协议数据单元(PDU)：对等层次之间传送的数据单位。第n层的PDU记为n-PUD;
服务数据单元(SDU)：为完成上一层实体所要求的功能而传递的数据。第n层的SDU记为n-SDU;
协议控制信息(PCI)：控制协议操作的信息。第n层的PCI记为n-PCI;
三者关系：n-SDU + n-PCI = n-PUD = (n+1)SDU

协议的三要素： 1. 语法：数据与控制信息的格式。例如协议控制信息占几个字节、每个字节什么含义； 2. 语义：即需要发出何种控制信息、完成各种动作及做出何种应答； 3. 同步(或时序)：执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。例如发送方发完数据后需要立即应答，如果10s内没收到传输成功的应答，需要再次发送数据；

OSI参考模型

（口诀：物联网叔会使用）

层级	定义	功能	传输单位
物理层	实现相邻节点之间比特的传输	1.需要定义电路接口参数(如形状、尺寸、引脚数) 2.需定义传输信号的含义、电气特征	比特
数据链路层	确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错	1.差错控制：检查+纠错，或检错+丢弃+重传； 2.流量控制：协调两个节点的速率；	帧
网络层	把分组从源节点转发到目的节点	1.路由选择：构造并维护路由表，决定分组到达目的节点的最佳路径 2.分组转发：将"分组"从合适的端口转发出去; 3.拥塞控制：发现网络拥塞，并采取措施缓解拥塞 4.网际互联：实现异构网络互联 5.其他功能，包括差错控制、流量控制、连接建立与释放(确保分组有序不重复到达)、可靠传输管理(消息回应)；	分组
传输层	实现端到端的通信，即进程到进程的通信，这里的端指端口	1.复用和分用：发送端几个高层实体复用一条低层的连接，在接收端进行分用; 2.其他功能：差错控制、流量控制、连接的建立于释放、可靠传输管理	报文段
会话层	管理进程间会话	会话管理：采用检查点机制，当通信失效时从检查点继续恢复通信(断点续传)	报文
表示层	解决两台主机上信息表示不一致的问题	数据格式转换，如编码转换、压缩/解压缩、加密/解密	报文
应用层	实现特定的网络应用	功能繁多，根据应用需求设计	报文

注意：数据链路层、网络层、传输层都有差错控制，这几个不一样。数据链路层传输数据的单位是"帧"、网络层传输数据的单位是"分组"、传输层传输数据的单位是报文段。一个分组由很多帧组成，报文段可以拆分成很多组。数据链路层确保帧的差错控制，网络层确保分组之间的差错控制，传输层确保报文段之间的差错控制。

TCP/IP模型

(口诀：接网叔用)

TCP/IP模型把表示层和会话层删去了，因为这两个层次并不是所有网络应用都需要的。如果某些应用需要数据格式转换、会话管理功能，就交给应用层的特定协议去实现。
TCP/IP在低层没有采用OSI中的物理层+数据链路层的模型，因为网络硬件种类繁多，不应该有过多的限制。TCP/IP模型低层为网络接口层，实现相邻节点间的数据传输(为网络层传输"分组")。但具体怎么传输不做规定。这使得T=CP/IP网络体系结构具有更强的灵活性、适应性。
TCP/IP模型的网络层去掉了OSI模型中网络层的差错控制、流量控制、可靠传输管理功能，传输层直接把报文段传递给网络层，由网络层拆分成不同分组，传递给网络接口层，再由网络接口层拆分为多个帧传输。因此网络接口层不完全可靠，因为它收到的分组有可能有差错。。这就是TCP/IP模型网络层特点：只保证尽最大能力交付数据，不保证数据可靠。网络层是网络的核心部分，这么做的优点是降低网络层功能复杂度，负载降低，造价降低。
TCP/IP模型中传输层来负责差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理，由它来保证传输的正确性、可靠性。TCP/IP模型把保证数据正确的功能全部交给传输层负责，压力给到网络的边缘部分(主机)。

	OSI参考模型	TCP/IP模型
网络层	OIS网络层可以向上层提供: 1.有连接可靠的服务(虚电路)； 2.无连接不可靠的服务(数据报)	TCP/IP网络层仅向上提供：无连接不可靠的服务(数据报)
传输层	OSI传输层仅可向上提供有连接的可靠的服务	TCPI/IP模型可向上层提供: 1.有连接可靠的服务(TCP协议); 2.无连接不可靠的服务(UDP协议)

Fabian备忘录

一、计算机网络体系结构