计算机网络概述

计算机网络的概念

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连接起来，由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（互联互通）、自治的（无主从关系）计算机系统的集合。

计算机网络的组成

从组成部分上看，一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议三大部分组成，缺一不可。
从工作方式上看，计算机网络可分为边缘部分和核心部分。
- 边缘部分：用户直接使用
- 核心部分：为边缘部分服务
从功能组成上看，计算机网络由通信子网和资源子网组成。
- 通信子网：实现数据通信
- 资源子网：实现资源共享/数据处理

计算机网络的功能

数据通信：最基本最重要的功能，能够实现计算机之间的数据传输
资源共享：软件共享、数据共享、硬件共享
分布式处理：提高系统利用率
提高可靠性：一台坏了，可以用同网络下其他计算机代替
负载均衡：将工作任务均衡分配给网络下的计算机

计算机网络的分类

按分布范围分类：广域网WAN、城域网MAN、局域网WAN、个人区域网PAN
按传输技术分类：广播式网络、点对点网络
按拓朴结构分类：总线型、星型网络、环型网络、网状型网络
按使用者分类：公用网、专用网
按交换技术分类：电路交换、报文交换、分组交换

计算机网络的性能指标

速率

定义：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率
单位：b/s,Kb/s,Mb/s,Tb/s，如果用字节表示，则是B/s,KB/s,MB/s,TB/s
1Byte=8Bit

带宽

网络设备所支持的最高速度，单位同速率，是理想条件下最高速率

吞吐量

单位时间内通过某个网络的数据总量

时延

数据从网络的一端到另一端所需的时间，也叫延迟或迟延

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	发送的数据长度/发送速率
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
排队时延	数据在路由器前等待前面数据处理的时间	无计算方式
处理时延	数据在路由器中处理需求的时间	无计算方式

使用高速链路(提高网速)，只能减小发送时延，无法减少其他三个时延

时延带宽积

公式：时延带宽积=传播时延x带宽

以比特为单位的链路长度，意思是链路上有多少比特的数据

往返时延RTT

从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 RTT=传播时延x2+处理时间(有时可能直接忽略)

利用率

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

网络利用率

网络利用率=所有信道利用率加权求平均值

时延和利用率的关系图

利用率越高，延迟越大

计算机网络体系结构与参考模型

计算机网络分层结构

为什么要分层

为了降低协议设计和调试的复杂性，通常对计算机网络系统结构以分层方式进行建模，每层都实现一种相对独立的功能，降低系统的复杂度。

发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。
要告诉网络如何识别目的主机。
发起通信的计算机要查明目的主机是否开机，并且与网络连接正常。
发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备工作。
确保差错和意外可以解决。

分层的基本原则

各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能
每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
结构上下可分隔开。每层都采用最合适的技术来实现
保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
整个分层结构应该能促进标准化工作

计算机网络协议、接口、服务

协议：在网络中一种事先约定好的交换数据的规则，这些规则规定了所交换数据的格式及有关的同步问题。
接口：接口是同一结点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统的内部的规定。每层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口。
服务：服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用。上层使用下层的服务时必须与下层交换一些命令：请求、指示、响应、证实。

参考模型

7层OSI参考模型

物理层：物理层的传输单位是比特，物理层的功能是在物理媒体上为数据端设备透明地传输原始比特流。物理层主要定义数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）的物理与逻辑连接方法。
数据链路层：数据链路层的传输单位是帧，任务是将网络层传来的IP数据报组装称帧。数据链路层的功能可以概括为：物理寻址、成帧、差错控制、流量控制、传输管理。
网络层：网络层的传输单位是数据报，它的主要任务是把网络层的协议数据单元从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
传输层：传输层的传输单位是报文段（TCP）或用户数据报（UDP），传输层负责主机中两个进程之间的通信，功能是为端到端连接提供可靠的传输服务，为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量、数据传输管理等服务。ps：数据链路层提供的是点到点（IP到IP）之间的通信，而传输层可以直接实现端到端（不同主机间进程到进程）的通信，更加细致化。
会话层：会话层允许不同主机上各个进程之间进行会话。会话层利用传输层提供的端到端的服务，向表示层提供它的增值服务。会话层负责管理主机间的会话进程，包括建立、管理及终止进程间的会话。
表示层：表示层主要处理两个通信系统中交换信息的表示方式。因为不同机器采用的编码和数据结构等不同，所有使用表示层采用抽象的标准方法定义数据结构，并采用标准的编码形式。数据压缩、加密、解密也是表示层可提供的功能。
应用层：是用户与网络的界面，为特定类型的网络应用提供访问OSI参考模型环境的手段，最复杂，也是协议最多的一层，常用的如FTP、HTTP、SMTP等。