一、计算机网络概述

1.计算机网络的基本概念

计算机网络的定义、组成与功能

计算机网络的分类

计算机网络的主要性能指标

2.计算机网络的体系结构

计算机网络分层结构

计算机网络协议、接口、服务等概念

ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

一、计算机网络概述

1.计算机网络的基本概念

计算机网络的定义、组成与功能

定义：

计算机网络是一个将分散的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由相应的软件、操作系统和通信协议进行管理从而实现数据通信和资源共享的系统。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。

组成：

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

硬件：由主机（也称端系统）、通信链路（双绞线，光纤）、交换设备（路由器，交换机）和通信处理机（网卡）组成。

软件：包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的软件。（网络操作系统、FTP程序、聊天程序等）

协议：协议是计算机网络的核心，他规定了网络传输数据时所遵循的规范。

2.从工作方式上看，计算机网络可以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，他为边缘部分提供了连通性和交换服务。

3.从功能组成上看，计算机网络由通信子网和资源子网组成。

通信子网：由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成。

资源子网：实现资源共享功能的设备及软件的集合。

功能：

1.数据通信（最基本最重要的功能）

2.资源共享：可以是数据共享、软件共享或硬件共享。

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的时候，可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中其他的计算机系统。

4.负载均衡：将工作平均的分配给计算机网络中的各台计算机。

计算机网络的分类

1.按分布范围分类

广域网（WAN，Wide Area Network）：也称远程网，采用点对点技术（P2P）或者广播技术进行长距离通信，覆盖范围通常是直径为几十千米到几千千米的区域。

城域网（MAN，metropolitan Area Network）：覆盖区域的直径范围为5~50千米，大多采用以太网技术，有时也常并入局域网范围讨论。

局域网（LAN，Local Area Network）：采用广播技术，用微机或工作站通过高速线路相联，覆盖范围通常是几十米到几千米的区域。

个人区域网（PAN，Personal Area Network）：也称个人局域网（WPAN），在个人工作的地方将电子设备（如平板电脑，只能手机等）用无线技术练级起来的网络，覆盖区域直径约为10米。

2.按传输技术分类

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受该分组。

局域网基本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

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，则他们之间的分组传输就要通过中间结点进行接收、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

拓扑结构就是路由器、主机和网线之间的几何关系图。

总线形：单根传输线连接所有终端（广播式网络）。

星形：每个终端都以仅一根传输线连接中央设备，中央设备早期是计算机，现在多是交换机或路由器。

环形：所有终端设备连成一个环，最典型的例子是令牌局域网。

网状形：每个节点至少有两条路径和其他节点相联，多用于广域网中（点对点网络）。

4.按使用者分类

公用网：中国电信、中国联通。

专用网：军队内网，政府内网，华为内网。

5.按交换技术分类

电路交换网络：在源节点和目标节点之间建立一条专用的通路用于数据传输，例如打电话，电话占线的情况。

报文交换网络：用户数据加上源地址、目标地址、校验码等信息后封装成报文发给目的节点。

分组交换网络：类似报文交换网络，但是把报文切分成较短的固定长度的数据块逐个发送至目的节点。

计算机网络的主要性能指标

1.带宽（BandWidth）：表示数字信道理想情况下所能达到的的“最高数据传输速率”。

单位是比特/秒，或者口头上常说的兆（1兆=1Mbps=10^6bit/s）

2.时延（Delay）指数据（一个报文或分组）从网络的一端传送到另一端所需要的总时间，他包括：发送时延，传播时延，处理时延，排队时延。（后两者在计算题中常常忽略不计）

发送时延=分组长度/信道宽度（带宽）（即这一组数据全部进入信道上所需要的时间）

传播时延=信道长度/电磁波在信道上传播的速率（电磁波在信道上传播的速率约为2.0×10^8）

要注意的是，题目要求计算传播时延的话，指的是最后一个比特到达目的地的传播时间。

3.时延带宽积：指发送端发送的第一个比特即将到达终点的时候，发送端已经发出了多少个比特。简单来理解就是链路的容积。

时延带宽积=传播时延×信道带宽（时延带宽积=传播时延乘以带宽）

4.往返时延：发送端发出数据后到发送端接收到接收端的确认所需要的时间

往返时延=传播时延×2+末端处理时间

5.吞吐量：单位时间通过某个网络的数据量，单位：bit/s

6.速率，对比带宽即实际的数据传输速率，同时也把最高的数据传输速率成为带宽。单位bit/s(1kb/s=10^3bit/s)

7.信道利用率：指某一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/总时间

2.计算机网络的体系结构

计算机网络分层结构

为了降低两个系统中实体通信的协议设计和调试过程的复杂性，通常对计算机网络的体系结构以分层的方式进行设计建模。

他需要遵循的基本原则如下：

1.每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度。

2.各层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。

3.各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以采用最合适的技术来实现。

4.保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。

5.整个分层结构应能够促进标准化工作。

具体来说，层次结构的含义包含以下几方面：

1.第n层的实体不仅要使用第n-1层（下面一层）的服务来实现自身定义的功能，还要向第n+1层（上面一层）提供本层的服务，该服务是下面各层提供的服务总和。

2.最低层只提供服务，中间各层即是下一层的服务使用者，又是上一层的服务提供者，最高层向用户提供服务。

3.对某一层来说，只能通过相邻层的间的接口使用下一层的服务，而不能调用其它层的服务，其对上一层提供服务的实现细节对上一层透明。

4.两台主机通信的时候，对等层在逻辑上有一条直接信道，表现为不经过下层就可以把信息传送给对方。

计算机网络协议、接口、服务等概念

1.协议：协议就是规则的集合，规定了所交换数据的格式及有关的同步问题。不对等实体之间是没有协议的。协议由语法、语义和同步三部分组成：

语法规定了传输数据的格式；

语义规定了所要完成的功能，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种应答；

同步是事件实现顺序的详细说明，即规定了执行各种操作的条件、时序关系等。

协议对应了计算机层级结构不同节点的水平方向的通信。

注：只有确保了本层协议的实现才能保证向上一层提供服务。

2.接口：接口是一个节点内相邻两层交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。每层只能为紧邻的两层之间定义接口，不可以跨层定义接口。

接口对应了计算机层级结构同一节点的竖直方向的通信。

注：服务是由下层通过层间接口向上层提供的。

3.服务：服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，他是垂直的。上层使用下层所提供的服务必须与下层交换一些命令，这些命令在OSI参考模型中被称作服务原语：

请求：服务用户发给服务提供者，请求完成某项工作。

指示：服务提供者发给服务用户，指示用户做某件事。

响应：服务用户发给服务提供者，作为指示的响应。

证实：服务提供者发给服务用户，作为对请求的证实。

请求->指示->响应->证实

注：在一层的完成的全部功能并非都称为服务，只要那些能被高层实体“看得见”的功能才称为服务。

ISO/OSI参考模型

国际标准化组织（ISO，International Organization for Standardization）提出的网络体系结构模型，通常简称为OSI模型。OSI模型自下而上依次为物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。低三层统称为通信子网，高三层统称资源子网。（对应前文计算机网络功能组成分类）

1.物理层（Physical Layer）

物理层的传输单位是比特，功能是在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流。

物理层主要定义数据终端设备和数据通信设备的物理与逻辑的连接方法。因此物理层协议也称物理层接口标准。

物理层接口标准有：EIA-232C、EIA/TIA RS-449、CCITT的X.21等。

物理层的具体规定：笔记本电脑上的网线接口（规定接口参数），规定信号A代表数字0（规定通信链路上传输信号的意义和电气特征）

2.数据链路层（Data Link Layer）

数据链路层的传输单位是帧，任务是将网络层传来的IP数据报组装成帧，功能是成帧、差错控制、流量控制和传输管理等。

差错控制：通过数据链路层协议检查出差错并丢弃错误信息。

流量控制：通过协调两个节点的速率使节点A的发送速率刚好是节点B的接收速率以确保传输效率。

典型的数据链路层协议有：SDLD、HDLC、PPP、STP和帧中继等。

3.网络层（Network Layer）

网络层的传输单位是数据报，它关心的是通信子网的运行控制，主要任务是把网络层的协议数据单元（分组）从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。功能是对分组进行路由选择，差错控制，流量控制，拥塞控制，网际互联等。