【计算机网络】概述

📝本文介绍
本文为计算机网络的概述，会综合概述一下计算机网络

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📕信息时代的特征

  21世纪特征：

• 数字化
• 网络化
• 信息化

📘网络

📖计算机网络

🔖Internet

  Internet又称因特网，互联网。

• 特点
  • 连通性
  • 资源共享
• 组成
  • 边缘部分
    • 用户直接使用的。这些设备都称为主机/端系统
  • 核心部分
    • 为用户提供服务
    • 方式
      • 客户-服务器方式（C/S）
        客户端进程可以主动像服务器发起通信，所以客户端必须直到服务器的地址。
        服务器可以同时处理多个远地或本地客户的请求。启动后不停地运行着.
        所谓的客户和服务器本来都指的是计算机的进程，或者说软件。
      • 对等连接方式（P2P）
        也就是，一台机器，只要运行了P2P软件，就既可以做服务器也可以做客户端。当下载时为客户端，对方请求资源时为服务器。
    • 交换方式
      • 电路交换
        电路交换会建立一条虚拟的电路（虚电路），也就是通知从发送方到接收方之间的路由器等要预留出相应的资源来，以保证通信的连贯。当通信结束之后，通知这些核心部件，从而断开连接。所以其需要经历建立连接，通信，断开连接3步骤。
        其交换时，比特流会通过链路直达终点。并且其传输效率往往会较低。（因为传输往往是突发的，大部分时间不用于传输）
      • 分组交换
        分组交换采用存储转发的方式。把要发送的整个数据（报文）分割成一个个更小的数据段，并加上必要控制信息组成对的首部，构成一个个分组。之后把一个个分组在网络中传输，到达终点之后，再组装起来。
      • 报文交换
        由上面的分组交换，我们也可以大致猜测到。报文交换实际上就是不进行分组，直接将整个报文进行传输。使用的同样是存储转发的技术。我们可以认为其只有一个大分组，将大分组在网络中直接地传输。

🔖类别

• 按网络作用范围
  • 广域网(WAN)也称远程网，大致距离为几十到几千公里
  • 城域网（MAN）大致距离为5-50km，覆盖范围大致为1个城市
  • 局域网（LAN）大致距离为1km以内
    • 学校或企业一般拥有许多个互连的局域网，这样的网络称为校园网或企业网。
  • 个人区域网（PAN）若是使用无线技术连接起来的网络称为无线个人区域网（WPAN）。大致范围为10m左右。
• 按网络使用者
  • 公用网
    电信公司（国有或私有）出资建立的大型网络。只要愿意按照电信公司的规定交纳费用的人都可以使用这种网络。
  • 专用网
    某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的大型网络。不向本单位以外的人提供。
• 特殊的网络
  接入网，又称本地接入网或居民接入网。接入网就是本地ISP所拥有的网络。不算核心部分，也不算边缘部分。由某个端系统连接到本地ISP的第一个路由器（边缘路由器）之间的一些物理链路所组成。一般距离在几百米到几公里之间。

📖性能

速率

  比特代表的是一个二进制数字，计算机信号的发送以数字形式。这里的速率指的是数据的传送速率（数据率）。使用bps或者bit/s来衡量，一般来说1bps=1bit/s，但对于baud来说就要看编码的方式来确定。当提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率。

带宽

  有两层含义
  在通信学中，往往指某个信号具有的频带宽度。其单位为赫，千赫，兆赫等。表示某信道允许通过的信号频带范围就称为该信道的带宽或通频带。
  在计算机网路中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。因此，网络带宽表示单位时间内某信道能够通过的**“最高数据率”**。带宽的单位就是数据率的单位bit/s

吞吐量

  吞吐量表示在单位时间额你通过某个网络（或信道，接口）的实际数据量。

时延

  时延是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（链路）的一段传送到另一端所需的时间。也称延迟或迟延。总时延由以下四个时延组成：

• 发送时延
  主机或路由器发送数据帧所需要的时间。也就是从发送第一个比特到最后一个比特所需的时间。也称传播时延。

       发送时延= $\frac{数据帧长度（bit）}{发送速率（bit/s）}$

• 传播时延
    传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。（与带宽无关）
    传播时延= $\frac{信道长度（m）}{电磁波在信道上的传播速率（m/s）}$

• 处理时延
    主机或路由器在收到分组时要花费一定时间进行处理。如：分析分组的首部，提取数据部分，差错检验，寻找转发表等。

• 排队时延
    分组在经过路由器时，需要先在输入队列中排队等待处理。路由器确定转发接口之后，还要再输出队列中排队等待转发。排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量。通信量很大时，可能会队列溢出，从而丢失分组。

注意：
  所谓的高速链路，指的是提高数据的发送速率，减少发送时延。

时延带宽积

  时延带宽积=传播时延×带宽
  可以理解为，发送的第一个比特到达终点时，有多少比特发送完毕，正在链路上移动。

往返时间RTT

  计算机通常都是双向交互，很少出现单向通信的情况。所以，RTT实际上就是一次双向交互的时间。也可以称为往返时延。
  有效数据率=$\frac{数据长度}{发送时间+RTT}$

利用率

  利用率有信道利用率和网络利用率两种。

• 信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是0。
• 网络利用率是全网络的信道的利用率的加权平均值。
  D=$\frac{D_0}{1-U}$ (D:网络当前时延，D₀:网络空闲时时延，U:现在网络利用率)

📖体系结构

  分层次的体系结构（或架构）是最基本的。每一层之间的通信都有对应的协议。协议明确规定了所交换数据的格式以及有关的同步问题。网络协议由语法，语义，同步三要素组成。
  三种体系结构：

OSI七层体系结构	TCP/IP体系结构	五层体系结构
应用层	应用层	应用层
表示层
会话层
运输层	运输层	运输层
网络层	网际层IP	网络层
数据链路层	链路层（网际接口层）	数据链路层
物理层		物理层

• 应用层
  • 任务：通过应用层进程间的交互来完成特定网络应用。
  • 定义的是应用进程间通信和交互的规则
  • 数据单元：报文
• 运输层
  • 任务：两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。
  • 协议：
    • 传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol） 提供面向连接的，可靠的数据传输服务，数据传输单位是报文段。
    • 用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）提供无连接的尽最大努力的数据传输服务，数据传输单位是用户数据报
• 网络层
  • 任务：为分组交换网上的不同主机提供通信服务。会将上层报文进行分组/包。
  • 数据单元：IP数据报/数据报
• 数据链路层
  • 任务：为链路两个相邻节点提供通信服务。
  • 数据单元：帧
• 物理层
  • 考虑电压，如何识别发送方的比特信息，确定连接电缆的插头，引脚及其他物理信息。
  • 数据单元：比特

📖其他一些概念

• 协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据单位
• 实体：任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程
• 协议：控制两个对等实体（或多个）进行通信的规则的集合
• 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。
• 层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU