一. 计算机网络概述

1.1 网络、互连网(互联网)和因特网

• 网络由若干结点和连接这些结点的链路组成。
• 多个网络还可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网（或互连网）。因此，互联网是“网络的网络”。
• 因特网是世界上最大的互连网络（用户数以亿计，互连的网络数以百万计）。

1.2 因特网的组成

边缘部分

​ 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。

核心部分

​ 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）

1.3 三种交换方式

• 电路交换的优缺点

• 报文交换的优缺点

分组交换（⭐）

• 分组交换的优缺点

• 分组 将报文划分成若干个等长的数据段，然后给各数据段添加首部（包括重要的控制信息）构成分组。
• 存储转发 结点交换机（路由器）对分组进行存储转发。

1.4 计算机网络的定义和分类

计算机网络的定义

• 计算机网络的精确定义并未统一
• 计算机网络的最简单的定义是：一些互相连接的、自治的计算机的集合。
  • 互连 是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信；
  • 自治 是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用，不存在主从或者控制与被控制的关系；
  • 集合 是指至少需要两台计算机；
• 计算机网络的较好的定义是：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能和支持广泛的和日益增长的应用。
  • 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了之智能手机等智能硬件。
  • 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用（包括今后可能出现的各种应用）。

计算机网络的分类（⭐）

1.5 计算机网络的性能指标

速率

• 比特

  • 计算机中数据量的单位，也是信息论中信息量的单位。一个比特就是二进制数字中的一个1或0。

  • 常用数据量单位：

    8 bit = 1 Byte
    KB = 2^10 B
    MB = K * KB = 2^10 * 2^10 B = 2^20 B
    GB = K * MB = 2^10 * 2^20 B = 2^30 B
    TB = K * GB = 2^10 * 2^30 B = 2^40 B

• 速率

  • 连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也成为比特率或数据率。

  • 常用数据率单位：

    bit/s (b/s, bps)
    kb/s = 10^3 b/s (bps)
    Mb/s = k * kb/s = 10^3 * 10^3 b/s = 10^6 b/s (bps)
    Gb/s = k * Mb/s = 10^3 * 10^6 b/s = 10^9 b/s (bps)
    Tb/s = k * Gb/s = 10^3 * 10^9 b/s = 10^12 b/s (bps)

• 例题：

  • 

带宽（⭐）

• 在通信和信号处理领域，指信号的频带宽度，单位：Hz（赫兹）
• 在计算机网络领域，指一条信道的最高数据率（链路的入口，理想情况下注入的速率），单位：bit/s (b/s , bps)

吞吐量

• 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
• 吞吐量被经常用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
• 吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制。

时延（⭐）

• 排队时延 dq —— 分组在交换结点内被交换到输出链路，等待从输出链路发送到下一个结点的时间。（排队时延和处理时延经常统称为处理时延）

• 处理时延 dc —— 交换设备检查分组是否有查错，确定如何转发分组的时间。

• 发送时延 dt —— 分组在输出链路发送时，从发送第一位开始，到发送完最后一位需要的时间。

  • 发送时延 = 分组长度(m) / 发送速率(b/s)

• 传播时延 dp —— 信号从发送端出来，经过一段物理链路到达接收端需要的时间。

  • 传播时延 = 物理链路长度(m) / 电磁波传播速率(m/s)
    • 自由空间：3 x 10^8 m/s
    • 铜线：2.3 x 10^8 m/s
    • 光纤：2.0 x 10^8 m/s

• 例题：

  • 

  • 

  • 

  • 

时延带宽积

• 时延带宽积 = 传播时延 X 带宽
• 若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特；
• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

往返时间

• 在许多情况下，因特网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互；
• 我们有时很需要知道双向交互一次所需的时间。
• 因此，往返时间RTT（Round-Trip Time）也是一个重要的性能指标

利用率（⭐）

• 信道利用率：用于表示某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）；
• 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均；
• 利用率并非越高越好：当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也会迅速增加；
• 也不能使信道利用率太低，这会使宝贵的通道资源被白白浪费。

丢包率

• 丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率；
• 分组丢失的两个主要原因：
  • 分组误码；
  • 结点交换机缓存队列满（网络拥塞）

1.6 计算机网络体系结构（⭐）（初学没看懂）

常见的计算机网络体系结构

OSI体系结构的特点（⭐）

• 数据由上到下层层封装传递，且下层为上层提供服务
• 虚拟通信：对等层不直接进行通信
• 实通信：物理层的两个端点进行物理通信
• 中间系统：只实现物理层、数据链路层和网络层的功能
• 端到端层（高层协议）：传输层、会话层、表示层、应用层
• 结点到结点层：物理层、数据链路层、网络层
• 

计算机网络体系结构分层的必要性

计算机网络体系结构中的专业术语

• 实体 任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
• 对等实体 收发双方相同层次中的实体

• 协议 控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合。

• 协议的三要素 语法 语义 同步

  • 语法 定义所交换信息的格式
  • 语义 定义收发双方所要完成的操作
  • 同步 定义收发双方的时序关系

• 服务

  • 在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务。
  • 要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。
  • 协议是“水平的”，服务是“垂直的”
  • 实体看得见相邻下层所提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。也就是说，下面的协议对上面的实体是“透明”的。
  • 
  • 服务访问点 在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型。
    • 数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段。
    • 网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”。
    • 运输层的服务访问点为“端口号”。
  • 服务原语 上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。
  • 
  • 协议数据单元PDU 对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元。
    • 应用层：报文（message）
    • 运输层：TCP报文段（segment）或UDP用户数据报（datagram）
    • 网络层：分组（packet）或IP数据报
    • 数据链路层：帧（frame）
    • 物理层：比特流（bit stream）
  • 服务数据单元SDU 同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元。
  • 多个SDU可以合成一个PDU；一个SDU也可以划分为几个PDU。

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