【基础计算机网络1】认识计算机网络体系结构，了解计算机网络的大致模型（上）

前言

       今天，小编我也要进入计算机网络的整个内容，虽然这个计算机网络的内容在考研部分中占比比较小，有些人不把这一部分当成重点，这种想法是错误的。我觉得考研的这四个内容都是非常重要的，我们需要进行全力以赴的对待每一个内容，以提高自身素质为主要任务。

       就这样，可能这一篇博客会比较难懂，可以看完一头雾水，没关系，等往后在学一部分，自然这篇博客就可以看懂了。本篇博客将会出现大量名词，请做好准备！

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【考纲内容】 

一、计算机网络概述

1. 计算机网络的概念、组成与功能；计算机网络的分类
2. 计算机网络的性能指标

二、计算机网络体系结构与参考模型

1. 计算机网络分层结构；计算机网络协议、接口、服务的概念
2. ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

【特别注意】 

       本章主要介绍计算机网络体系结构的基本概念，读者可以在理解的基础上适当地记忆。重点掌握网络的分层结构（包括5层和7层结构），尤其是ISO/OSI参考模型各层的功能及相关协议、接口和服务等概念。掌握有关网络的各项性能指标。特别是时延、带宽、速率和吞吐量等的计算。

一、计算机网络概述 

1.1 计算机网络的概念

       讲到计算机网络，首先映入我们眼帘的名词是：网络。那”网络“又是什么呢？网络就是”网一样的东西或网状系统“。

       那么生活中常用的网络有哪些呢？生活中常用的网络有：人体内神经网络、电信网络、有线电视网络、电网、计算机网络。现在有一个网络热词：三网融合（四网融合）。三网融合过后又有了四网融合。由此可以看出计算机网络的重要性。

【重点：计算机网络的概念】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链接起来，用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。

总结一下上面所涉及到的一些名词：

• 三网融合：在现在社会中，我们可以将视频、图片等转换为0/1的比特流，这样可以通过计算机网络将有线电视网络与电信网络巧妙地融合起来，达到在电脑上看电视，在电脑上打电话。
• 通信设备：路由器、中继器等；
• 线路：逻辑线路（有线与无线）
• 互联：通过通信链路互联互通；
• 自治：无主从关系 

1.2 计算机网络的功能

       计算机网络的功能有很多，现在有很多应用都与网络有关。但网络的主要的五个功能将在下面一一介绍：

1.2.1 数据通信

       它是计算机网络最基本和最重要的功能（一定要记住，可能会有选择题考察）。

功能	用来实现联网计算机之间各种信息的传输，并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。
举例	例如，文件传输、电子邮件等应用，离开了计算机网络将无法实现。

1.2.2 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。

功能	同一个计算机网络上的其他计算机课使用某台计算机的计算机资源的行为，可共享硬件、软件、数据。
优点	它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。

1.2.3 分布式处理

       多台计算机各自承担同一工作的不同任务。

功能	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。
举例	举个例子：Hadoop平台

1.2.4 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。就相当于，如果在工作中，有一台计算机出现故障，可以使用另一台计算机通过网络作为替代机继续进行工作。

1.2.5 负载均衡

功能	将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各台计算机
优点	这样可以使各计算机之间更加亲密

       除了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。

1.3 计算机网络的发展阶段（了解）

第一阶段：

       美国国防部高级研究计划局(ARPA)设计一个分散的指挥系统——>ARPAnet（阿帕网）——>希望实现不同网络互联——>1983年接受TCP/IP选定Internet为主要的计算机通信系统——>Internet（因特网）

       网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络连接在一起，因特网是世界上最大的互联网。

第二阶段——三级结构：

       1985年，美国国家科学基金会(NSF)围绕6个大型计算机中心建设计算机网络，即国家科学基金网(NSFNET)。

第三阶段：

       多层次ISP结构，分为主干ISP，地区ISP，本地ISP 

1.4 计算机网络的标准化工作（不是重点）

       我们知道国有国法，家有家规，车有车行，那么计算机网络也是一样，虽然这一部分在考研中不是重点，但是标准化工作对计算机网络至关重要。计算机网络的标准化对计算机网络的发展和推广起到了极为重要的作用，这就好像是一个规则一样，要遵守这个规则可以使其更加有序。要实现不同厂商的硬、软件之间的相互连通，必须遵从统一的标准。

       因特网的所有标准都以RFC(Request For Comments)的形式在因特网上发布，但并非每个RFC都是因特网标准，RFC要上升为因特网的正式标准需要经过一下4个阶段：

1. 因特网草案——这一阶段还不是RFC文档。
2. 建议标准——从这一阶段开始就是RFC文档。
3. 草案标准（已经取消了）
4. 因特网标准

现在标准的分类是：法定标准——OSI 和 事实标准——TCP/IP。

在国际中，负责制定、实施相关网络标准的标准化组织众多，主要有下面几个：

• 国际标准化组织（ISO）——OSI参考模型、HDLC等；
• 国际电信联盟（ITU）——制定了大量有关远程通信的标准；
• 国际电气电子工程师协会（IEEE）——802标准、5G、学术机构；
• Internet工程任务组（IETF）——负责因特网相关标准的制定。

1.5 计算机网络的组成

 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有硬件、软件、协议三大部分组成，缺一不可。

• 硬件：主要有主机（也称端系统）、通信链路（如双绞线、光纤）、交换设备（如路由器、交换机等）和通信处理机（如网卡）等组成。
• 软件：主要包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件（如网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等）。软件部分多属于应用层。
• 协议：是一系列规则和约定的集合，是计算机网络的核心。如同交通规则制约汽车驾驶一样，协议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（这里主要指Internet，即因特网）可分为边缘部分和核心部分。

• 边缘部分：有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。用户直接使用有两种方式：C/S方式、P2P方式。
• 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。

3）从功能组成上看，计算机网络有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，它使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信。
• 资源子网：是实现资源共享/数据处理的设备及其软件的集合，向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

1.6 计算机网络的分类

1.6.1 按分布范围分类（不能只看距离，也要看使用的是什么技术）

【重点】1.广域网（WAN）。

1. 广域网的任务是提供长距离通信，运送主机所发送的数据。
2. 广域网是因特网的核心部分。
3. 连接广域网的各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。
4. 传统上，广域网使用交换技术。

2.城域网（MAN）。

1. 城域网的覆盖范围可以跨域几个街区甚至整个城市。
2. 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讨论。

【重点】3.局域网（LAN）。

1. 局域网一般用微机或工作站通过高速线路相连。
2. 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。
3. 传统上，局域网使用广播技术。

4.个人区域网（PAN）。

1. 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，也称无线个人区域网（WPAN）。

为什么小编要在前面写上“不能只看距离，也要看使用的是什么技术”呢？

       原因如下：小明和小红是一对好邻居，有一天他们两个人在手机上聊天。虽然他们两个人的距离是很小的，在局域网范围之内，但是由于两个人在聊天时使用的是交换技术，所以两个人依然是使用广域网聊天。

1.6.2 按传输技术分类

一、广播式网络。

1. 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。
2. 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。
3. 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。

二、点对点网络。

1. 每条物理线路链接一对计算机。若通信的两台主机之间没有直接连接的线路，则它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。
2. 点对点网络采用分组存储与路由选择机制，广域网基本都属于点对点网络。

1.6.3 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（总线形、环形等）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、网状形等，如下图所示。星形、总线形和环形网络多用于局域网，网状网络多用于广域网。

1）总线形网络：用单根传输线把计算机连接起来。优点：建网容易、增/减结点方便、节省线路。缺点：重负载时通信效率不高、总线任意一处对故障敏感。

2）星形网络：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。优点：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：成本高、中央设备对故障敏感。

3）环形网络：所有计算机接口设备连接成一个环。环可以是单环，也可以是双环，环中信号是单向传输的。

4）网状网络：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。其有规则型和非规则型两种。优点：可靠性高。缺点：控制复杂，线路成本高。

1.6.4 按使用者分类

1）公用网——指电信公司出资建造的大型网络。“公用”是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，因此也称为公众网。

2）专用网——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。举个例子，铁路、电力、军队等部门的专用网。

1.6.5 按交换技术分类（以后会慢慢补充）

       交换技术是指各主机之间、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。

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。

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，重复这个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。

3）分组交换网络，也称包交换网络。

1.6.6 按传输介质分类

       传输介质可以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。

1.7 计算机网络的性能指标

       常见的性能指标大致可以分为两类：一类与速度有关，一类与时间有关。因此，带宽、速率、吞吐量在一类；时延、时延带宽积、往返时延、信道利用率在一类。

速率相关指标 

1.7.1 速率

       先来介绍速率，速率这个词可不少见，在数学、物理和化学中都有它的身影。而网络中的速率和它们不太一样，网络中的速率是指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率，也称数据传输速率、数据率或比特率，单位为b/s（比特每秒）（或bit/s，有时也写为bps）。数据率较高时，可用kb/s、Mb/s、Gb/s表示。在计算机网络中，通常把最高数据传输速率称为带宽。

1.7.2 带宽

       在速率中，我们可知带宽是最高数据传输速率。本来表示通信线路允许通过的信号频带范围，单位是赫兹。而在计算机网络中，带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的“最高数据传输速率”的同义词，单位是比特/秒。

1.7.3 吞吐量

       指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量受网络带宽或网络额定速率的限制。举个通俗易懂的例子：

时延相关指标 

1.7.4 时延

       指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的总时间，它由4个部分构成：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。

名称	描述	计算公式
发送时延	数据从主机到信道上所用的时间	分组长度/信道宽度
传播时延	数据在信道上传播所花费的时间	信道长度/电磁波在信道上传播的速率
处理时延	数据在路由器前等待前面数据处理的时间	无计算方式
排队时延	数据在路由器中处理需求的时间	无计算方式

注意：做题时，排队时延和处理时延一般可忽略不计（除非题目有要求）。对于高速链路，提高的只是数据发送速率而不是比特在链路上的传播速率。提高数据的发送速率只是为了减少数据的发送时延。 

1.7.5 时延带宽积

描述	指该管道可以容纳的比特数量
公式	传播时延 * 信道带宽

1.7.6 往返时延RTT

描述	发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后便立即发送确认），总共经历的时延
公式	RTT=传播时延x2+处理时间(有时可能直接忽略)

1.7.7 利用率

1.7.7.1 信道利用率

信道利用率=有数据通过时间/有+无数据通过时间

1.7.7.2 网络利用率

网络利用率=所有信道利用率加权求平均值

1.7.7.3 时延与利用率的关系图

利用率越高，延迟越大
 

总结

       这篇文章主要讲述了计算机网络的概述，认识了计算机网络的概念、组成、功能、分类以及性能指标，感谢大佬们的点赞和关注，我会更加努力地简化我的笔记。