计算机网络之基础概念

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互联网组成

互联网从工作方式来看，可以划分为两大块：

• 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传输数据、音视频）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）

计算机网络类别

1. 按网络的作用范围分类：

• 广域网（WAN）：广域网的作用范围通常为几十到几千公里，有时也称为远程网，是互联网的核心部分，其任务是通过长距离运送主机所发送的数据
• 城域网（MAN）：城域网的作用范围一般是一个城市，可跨域几个街区甚至几个城市，其作用距离大概为5~50km。城域网可以为一个或几个单位所拥有，但也可以是一种公共设施，用来将多个局域网进行互连。目前许多城域网采用的是以太网技术
• 局域网（LAN）：局域网一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路连接，范围较小在1km左右
• 个人区域网（PAN）：个人区域网是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络，也称无线个人区域网

2. 按网络的使用者分类：

• 公用网：指电信公司出资建造的大型网络，所有愿意按照电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用
• 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网络，这种网络不向本单位以外的人提供服务

计算机网络性能

性能指标从不同的方面来度量计算机网络的性能，常用的有七个性能指标：

1. 速率

• 比特：比特是信息论中使用的信息量的单位，一个比特就是二进制数字中的一个1或0
• 速率：指数据的传输速率，也称为数据率或比特率，单位是bit/s或bs/bps

2. 带宽

• 在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传输数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内网络中某信道所能通过的最高数据率，这种意义的带宽的单位就是数据率的单位bit/s

3. 吞吐量

• 表示在单位时间内通过某个网络的实际数据量，吞吐量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通过网络，带宽就是吞吐量的上限值，一般情况下吞吐量小于带宽

4. 延迟：指数据从网络的一端传输到另一端所需的时间

• 发送延迟：主机或路由器发送数据帧所需要的时间

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

• 传播延迟：电磁波在信道中传播一定距离所需要花费的时间

$$传播延迟=\frac{信道长度（m）}{电磁波在信道上的传播速率（m/s）}$$

• 处理延迟：主机或路由器收到分组数据时需要花费一定的时间进行处理
• 排队延迟：分组在经过网络传输时，要经过许多路由器，但分组在进入路由器后需要先在输入队列中排队等待处理，在路由器确定了转发接口后，还需要在输出队列中排队等待转发
• 总延迟：

$$总延迟=发送延迟+传播延迟+处理延迟+排队延迟$$

5. 延迟带宽积：以比特为单位的链路长度

$$延迟带宽积=传播延迟\times 带宽$$

6. 往返时间RTT：互联网上的信息大多数是双向交互的，有时很需要直到双向交互一次所需要的时间
7. 利用率：有信道利用率和网络利用率两种

• 信道利用率：指某信道有着百分之几的时间是有数据通过的
• 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值
• 利用率过高会产生非常大的延迟，因此超过一定利用率就应该增大线路的带宽

计算机网络体系结构

• 应用层：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用，对于不同的网络应用需要不同的应用层协议，如域名系统 DNS，万维网HTTP协议，电子邮件的SMTP协议等，通常把应用层交互的数据单元称为报文
• 传输层：负责向两台主机进程之间的通信提供通用的数据传输服务，传输层主要两种协议：
  • TCP：传输控制协议，提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输单位是报文段
  • UDP：用户数据协议，提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务，不保证数据的可靠性，其数据传输单位是用户数据报
• 网络层：负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务，在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或进行传送，网络层使用IP协议，因此分组也称为IP数据报或简称数据报。网络层选择合适的路由，使源主机传输层所传下来的数据，能够通过网络中的路由器找到目的主机
• 数据链路层：两个相邻结点之间传输数据时，数据链路层将网络层叫下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传送帧，每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）
• 物理层：物理层上传输的数据单位是比特，物理层需要确定多大的电压代表”1“或”0“，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特，还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各引脚应如何连接。