1 计算机网络概述

1.1 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的信息传递的系统，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

1.2 组成

（1）从组成部分：由硬件，软件，协议三大部分组成，缺一不可

硬件：主机，通信链路，交换设备，通信处理机等

软件：实现资源共享的软件和用户使用的工具软件，多属于应用层

协议：核心，规定了网络传输数据时所遵循的规范

（2）工作方式：边缘部分和核心部分

边缘：主机

核心：大量网络和连接网络的路由器

（3）功能组成：通信子网和资源子网

通信子网：传输介质，通信设备，网络协议

资源子网：实现资源共享功能的设备及其软件的集合

1.3 功能

数据通信

资源共享：软件，数据，硬件的共享

分布式管理

提高可靠性

负载均衡

1.4 分类

按分布范围

（1）广域网WAN：长距离通信，几十km到几千km，是因特网的核心，一般使用交换技术

（2）城域网MAN：5-50km，大多采用以太网技术

（3）局域网LAN：几十米到几千米，一般使用广播技术

（4）个人区域网PAN：也称为无线个人区域网WPAN，约10m

按传输技术

（1）广播式网络：所有计算机共享一个公共通信信道

（2）点对点网络：每条物理线路连接一对计算机

按拓扑结构

主要指通信子网的拓扑结构

（1）总线型网络：建立容易，效率低，对故障敏感

（2）星形网络：便于集中管理控制，成本高，中央设备对故障敏感

（3）环形网络

（4）网状网络：多用在广域网，可靠性高，但是控制复杂，成本高

按使用者

（1）公用网：电信公司建造的大型网络

（2）专用网：某个部门为满足本单位特殊业务的需要而建造的网络

按交换技术

指各主机设备之间交换信息采用的数据格式和交换装置的方式

（1）电路交换网络：源节点和目的结点之间建立一条专用的通路用于传送数据

数据直接传送，时延小；线路利用率低，不便于差错控制

（2）报文交换网络（存储-转发网络）

优点：充分利用线路容量，实现格式转换，差错控制等

缺点：资源开销大，增加了缓冲时延，需要额外机制控制报文顺序，缓冲区难以管理

（3）分组交换网络（包交换网络）

数据分成较短的固定长度的数据块，以存储-转发的方式传输

优点：缓冲易于管理，平均时延小，网络占用的平均缓冲区更少，易于标准化，适合应用

现在网络基本是分组交换网络

按传输介质

有线

无线

1.5 性能指标

（1）带宽

表示网络的通信线路所能传送数据的能力，单位比特/秒（b/s）

（2）时延

指数据（一个报文或分组）从网络的一端到另一端所需的总时间，由发送时延，传播时延，处理时延和排队时延组成

发送时延：=发送长度/信道宽度

传播时延：=信道长度/电磁波在信道上的传播速率

处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间，例如分析分组的首部，从分组中提取数据部分，进行差错检验或者找适当的路由等

排队时延：路由器确定转发端口后，还要在输出队列中排队等候转发，就产生了排队时延

做题时排队时延和处理时延一般可以忽略不计

（3）时延带宽积

指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特，因此又称以比特为单位的链路长度，即时延带宽积=传播时延*信道宽度

也表示管道可以容纳的比特数量

（4）往返时延

指从发送端发出一个短分组，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延

（5）吞吐量

指单位时间内通过某个网络（或信道，接口）的数据量，受网络带宽或网络额定速率的限制

（6）速率

网络中的速率指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率，数据率或比特率

单位b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s（k=10³，M=10⁶，G=10⁹）

（7）信道利用率

指出某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的，即信道利用率=有数据通过的时间/(有+无)数据通过的时间

2 计算机网络体系结构与参考模型

2.1 计算机网络分层结构

把计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构

实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是一个特定的软件模块

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

在计算机网络体系结构的各个层次中，每个报文分为两部分：数据部分SDU；控制信息部分PCI；他们共同组成PDU

服务数据单元SDU：为完成童虎所要求的功能而应传送的数据

协议控制信息PCI：控制协议操作的信息

协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据单位称为该层的PDU；物理层的PDU称为比特，数据链路层的PDU称为帧，网络层的PDU称为分组，传输层的PDU称为报文段

n-SDU+n-PCI=n-PDU=(n-1)-SDU

2.2 计算机网络协议，接口，服务的概念

协议

就是规则的集合。为进行网络中的数据交换而建立的规则，标准或约定称为网络协议，它是控制两个或多个对等实体进行通信的规则的集合，是水平的

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

同步：规定了执行各种操作的条件，时序关系等

接口

是同一结点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定

典型的接口上同一结点相邻两层的实体通过服务访问点SAP进行交互，SAP是一个抽象的概念，实际上是一个逻辑接口

服务

指下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的

上层使用下层所提供的服务时必须与下层交换一些命令，这些命令在OSI参考模型中称为服务原语，OSI将原语分为：

（1）请求：用户发往服务提供者，请求完成某项工作

（2）指示：由服务提供者发往用户，指示用户做某件事

（3）响应：用户发往服务提供者，作为对指示的响应

（4）证实：服务提供者发往用户，作为对请求的证实

计算机网络提供的服务按三种方式分类：

（1）面向连接服务与无连接服务

面向连接：连接建立，数据传输，连接释放；如TCP

无连接：直接发送数据，是不可靠的服务；如IP,UDP

（2）可靠服务和不可靠服务

可靠：网络具有纠错，检错，应答机制，保证数据正确，可靠地传送到目的地

不可靠：尽量正确，可靠的传送，不能保证数据正确，可靠的传送到目的地；可由应用或用户来纠正

（3）有应答服务和无应答服务

有应答：接收方收到数据后向发送发给出相应的应答，由传输系统内部自动实现

无应答：接收方收到数据后不自动给出应答，如需应答，由高层实现

一层内完成的功能并非都称为服务，只有能够被高一层实体看得见的功能才能称为服务

2.3 ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

OSI参考模型

称为开放系统互连参考模型OSI/RM

（1）物理层

传输单位是比特，主要定义数据中断设备和数据通信设备的物理与逻辑连接方法

研究：通信链路与通信结点的连接需要一些电路接口，接口的参数如机械形状，尺寸，交换电路的数量和排列等；规定了通信链路上传输的信号的意义和电气特征

（2）数据链路层

单位是帧。把网络层传来的IP数据报组成帧，点到点的通信（即硬件地址或IP地址之间）

功能：成帧，差错控制，流量控制，传输管理等

（3）网络层

单位是数据报，关心通信子网的运行控制

功能：对分组进行路由选择，流量控制，拥塞控制，差错控制和网际互连等

（4）传输层

单位是报文段TCP或用户数据报UDP，负责主机中两个进程之间的通信（进程之间才是端到端）

功能：为端到端提供可靠的传输服务，端到端流量控制，差错控制，服务质量，数据传输管理等服务

（5）会话层

允许不同主机上各个进程之间进行会话；向表示层提供增值服务，传输数据，也称建立同步

（6）表示层

处理在两个通信系统中交换信息的表示方式

采用抽象的标准方法定义数据结构，采用标准的编码方式，数据压缩，加密，解密也是表示层可提供的数据表示变换功能

（7）应用层

是用户与网络的界面

TCP/IP模型

TCP/IP模型和OSI参考模型的比较

相似：都采取分层的体系结构；都是基于独立的协议栈的概念；都可以解决异构网络的互连，实现世界上不同厂家生产的计算机之间的通信

差别：（1）OSI精确定义了服务，协议和接口的概念，与现代面向对象的程序设计思想非常吻合；TCP/IP却没有明确区分，不符合软件工程的思想

（2）OSI在协议发明之前没有偏向任何特定的模型，通用性好，但设计者反而不知道把功能放在哪儿；TCP/IP则先出现特定的协议，所有模型都是对已有协议的描述

（3）TCP/IP设计之处就考虑到了多种异构网络的互连问题，并将网际协议IP作为一个单独的重要层次；OSI则没有

（4）OSI在网络层支持无连接和面向链接的通信，传输层仅面向连接的通信；TCP/IP认为可靠性是端到端的问题，在网络层只有一种无连接的通信模式，传输层支持无连接和面向连接