第一章 计算机网络概述
第一节 计算机网络的基本概念
一、计算机网络的定义及其协议
名词 | 定义 |
|---|---|
计算机网络的定义 | 计算机网络是互连的、自治的计算机的集合 |
协议的定义 | 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约定，是计算机网络有序运行的重要保证。（HTTP、TCP、IP、ARP） |
协议的三个基本要素：
要素 | 解释 |
|---|---|
语法 | 定义实体之间交换信息的格式与结构，或者定义实体之间传输信号的电平等。 |
语义 | 定义实体之间交换的信息中需要发送哪些控制信息， 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 | 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。 |
二、计算机网络的功能
在不同主机置渐实现快速的信息交换。通过信息交换，计算机网络可实现其核心功能——资源共享
资源共享包括：
- 硬件资源共享
- 云计算
- 云存储
- 软件资源共享
- SaaS
- 信息资源共享
- 信息交换
SaaS（软件即服务）是目前互联网环境下软件共享的典型形式，也代表了软件共享的主流趋势。
三、计算机网络的分类
按照网络用户属性分类可分为：公有网和私有网
第二节 计算机网络结构
计算机规模不同，其结构复杂程度也有所不同。大规模现代计算机网络的结构包括网络边缘、接入网络与网络核心
结构名称 | 说明 |
|---|---|
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。连接到网络上的所有端系统构成了网络边缘。 |
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：电话拨号技术、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、移动接入网络。 |
网络核心 | 网络核心是由通信链路互连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。比较典型的分组交换设备是路由器和交换机等。 |
第三节 数据交换技术
- 数据交换的概念 计算机网络的根本目的是在网络边缘的主机之间实现相互的数据传输、信息交换 数据交换是实现在大规模网络核心上进行数据传输的技术基础。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 电路交换是最早出现的一种交换方式，电话网络则是最早、最大的电路交换网络。 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 3 个阶段。 优点：实时性高 缺点：信道利用率低 ①建立电路：在电路交换网络中，首先需要通过中间交换结点在两台主机之间建立一条专用的通信线路，称为电路 ②传输数据：利用建立的电路进行数据的传输； ③拆除电路：数据传输完毕后，需要拆除该电路。
- 报文交换 报文交换也称为消息交换，其工作过程为：发送方把要发送的信息附加上发送/接收主机的地址及其他控制消息，构成一个完整地报文。然后以报文为单位在交换网络的各结点之间以存储-转发的方式传送，直至送达目的主机。现代计算机网络没有采用报文交换技术的。 一个报文在每个结点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下个结点转发所需的排队延迟时间之和。
- 分组交换
与报文交换的最主要区别在于是否将报文拆分成更小的分组
分组交换是目前计算机网络广泛采用的技术。分组交换需要将待传输数据（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，每个分组独立传输到目的地，目的地将收到的分组重新组装，还原为报文。
- 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。
- 分组长度的确定 分组长度与延迟时间：在其他条件相同的情况下，分组长度越长，延迟时间越长。分组长度与误码率：最佳分组长度Lopt=hpeLopt=\sqrt{\frac{h }{p_{e}}}Lopt=peh。最高信道利用率可以表示为ηmax=(1−hPe)2\eta _{max} = \left ( 1-\sqrt{hP_{e}} \right )^{_{2}}ηmax=(1−hPe)2
第四节 计算机网络性能
- 速率和宽带
- 速率（描述网络传输速度的快慢） 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。速率的基本单位是 bit/s。
- 宽带（最高数据速率） “带宽”表示链路或信道的最高数据速率，单位也是 bit/s。
- 时延
时延是评价计算机网络性能的另一个重要的性能指标，也称为延迟。时延是指数据从网络的一个结点到达另一个结点所需的时间。
计算机网络中，通常将连接两个结点的直接链路称为一个跳步，简称跳
分组的每跳传输过程主要产生4类时间延迟：结点处理时延、排队时延、传输时延和传播时延。
- 节点处理时延 每个分组到达交换结点时进行的检错、检索转发表等时间总和，常忽略。记为 dc
- 排队时延 分组在缓存中排队等待的时间。大小不确定。记为 dq
- 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，记为 dt。设分组长度 Lbit，链路带宽（即速率）Rbit/s，则dt=L/R。
- 传播时延 设物理链路长度 Dm，信号传播速度 Vm/s，则 dp=D/V。
- 时延宽带积 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×RG = dp\times RG=dp×R
- 丢包率（评价和衡量网络性能的指标） 丢包率常被用于评价和衡量网络性能的指标，在很大程度上可以反映网络的拥塞程度。丢包率可以定义为η=N1Ns=Ns−NrNs\eta = \frac{N_{1}}{N_{s}} = \frac{N_{s}-N_{r}}{N_{s}}η=NsN1=NsNs−Nr
- 吞吐量（度量网络的实际数据传送能力） 吞吐量表示在单位时间内源主机通过网络向目的主机实际送达的数据量，单位为 bit/s 或 B/s（字节每秒），记为 Thr。吞吐量经常用于度量网络的实际数据传送（通过）能力。
第五节 计算机网络体系结构
相关术语
PDU在不同层中往往有不同的叫法，在物理层称为位流或比特流；在数据链路层称为帧；在网络层称为分組或包；在传输层称为数据段或报文段；在应用层称为报文等。
TCP/IP 参考模型、五层参考模型
第六节 计算机网络与因特网发展简史
ARPAnet 是第一个分组交换计算机网络。
