计算机网络课堂笔记
学习目标
掌握 计算机网络课程的相关知识。
根据该教学视频进行学习
https://www.bilibili.com/video/BV1c4411d7jb?p=1
总共73节课
将每天学习的内容整理成笔记，整理到下方学习产出区域。
学习内容
1、 2021-10-22 p1-p3 因特网概述以及三种交换方式
2、 2021-10-29 p4-p11 计算机网络的性能指标和体系结构
学习时间
1、 周一至周日每天学习定量学习学习产出
因特网概述
网络，互联网和因特网
网络
网络（Network）由若干结点（Node）和连接这些结点的链路（Link）组成。
互联网
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（Network of Networks）”。
因特网
因特网（Internet）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）
internet与Internet的区别
internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互
连而成的网络。在这些网络之间的通信协议可以是任意的。
Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由
众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的
规则，其前身是美国的ARPANET。
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）。
三种交换方式
电路交换（Circuit Switching）
- 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换；
- 从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源；
- 电路交换的三个步骤：
- 建立连接（分配通信资源）
- 通话（一直占用通信资源）
- 释放连接（归还通信资源）
当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。
分组交换（Packet Switching）
- 发送方 构造分组 发送分组
- 路由器 缓存分组 转发分组
- 接收方 接收分组 还原报文
报文交换（Message Switching)
已经废弃，很少有人使用
电路交换、报文交换、分组交换的对比
电路交换
优点
1）通信时延小
2）有序传输
3）没有冲突
4）适用范围广
5）实时性强
6）控制简单
缺点
1）建立连接时间长
2）线路独占，使用效率低
3）灵活性差
4）难以规格化
报文交换
优点
1）无需建立连接
2）动态分配线路
3）提高线路可靠性
4）提高线路利用率
5）提供多目标服务
缺点
1）引起了转发时延
2）需要较大存储缓存空间
3）需要传输额外的信息量
分组交换
优点
1）无需建立连接
2）线路利用率高
3）简化了存储管理
4）加速传输
5）减少出错概率和重发数据量
缺点
1）引起了转发时延
2）需要传输额外的信意量
3）对于数据报服务，存在失序、丢失或重复分组的问题；对于虚电路服务，存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程
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；
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
按交换技术分类
电路交换网络
报文交换网络
分组交换网络
按使用者分类
公用网
专用网
按传输介质分类
有线网络
无线网络
按覆盖范围分类
广域网WAN
城域网MAN
局域网LAN
个域网PAN
按拓扑结构分类
总线型网络
星型网络
环型网络
网状型网络
计算机网络的性能指标
性能指标可以从不同的方面来度量计算机网络的性能。
常用的计算机网络的性能指标有以下8个：速率，带宽，吞吐量，时延，时延带宽积，往返时间，利用率，丢包率
速率
例1：有一个待发送的数据块，大小为100 MB，网卡的发送速率为100Mbps，则网卡发送完该数据块需要多长时间？
带宽
其实，“带宽”的这两种表述之间有着密切的联系。一条通信线路
的“频带宽度”越宽，其所传输数据的“最高数据率”也越高。
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
小结
- 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，也称为比特率或数据率；
基本单位：bit/s（b/s,bps)，常用单位：kb/s,Mb/s,Gb/s,Tb/s - 带宽
用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”；单位与速率单位相同。 - 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
时延带宽积
时延带宽积=传播时延 * 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
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。
丢包率具体可分为接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等。
丢包率是网络运维人员非常关心的一个网络性能指标，但对于普通用户来说往往并不关心这个指标，因为他们通常意识不到网络丢包。
分组丢失主要有两种情况：
- 分组在传输过程中出现误码，被结点丢弃；
- 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃；在通信量较大时就可能造成网络拥塞。
因此，丢包率反映了网络的拥塞情况：
无拥塞时路径丢包率为0
轻度拥塞时路径丢包率为1%~4%
严重拥塞时路径丢包率为5%~15%
小结
- 时延带宽积
传播时延和带宽的乘积；
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RTT
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。 - 利用率
信道利用率：用来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，这会使宝贵的通信资源被白白浪费。 - 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）；
计算机网络的体系结构
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用术语
实体
协议
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。
- 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可以合成为一个PDU；一个SDU也可划分为几个PDU。
