01 概述

第一章概述¶

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1.1 计算机网络在信息时代的作用¶

计算机网络是重要的信息服务基础设置，使用互联网的人数和时间增加；移动端覆盖率越来越高。

1.2 因特网概述¶

网络三个名词的区别¶

网络：由若干节点和连接这些节点的链路组成(Node + Link)
互联网（internet 小写）：多个网络通过路由器连接起来，构成互联网
因特网（Internet 大写，专有名词）：世界上最大的互联网，TCP/IP 规则

因特网的组成¶

互联网由边缘部分+核心部分组成

边缘部分：所有连接在因特网上的主机组成，用户直接使用（进行通信和资源共享，包括服务器，PC，智能设备）
核心部分：大量网络和链接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务（联通性+信息交互）

因特网的三个阶段（了解）：阿帕网-三级结构因特网-多层ISP结构的因特网。ISP：Internet server provider 因特网服务提供者（国内中国电信，国际ISP，国家ISP，企业ISP）

因特网的标准化（了解）：ISOC组织，类似于 ECMA 组织，制定各种标准和草案

1.3 三种交换方式：电路交换、分组交换和报文交换¶

使用场景：电路交换是固定电话，报文交换是电报，分组交换是互联网，下面详述

交换：按照某种方式，动态分配传输线路的资源

电路交换（Circuit Switching）¶

传统有线电话，通过直接连接，或者电话交换机进行电路交换。

步骤

建立连接（分配通信资源）
通话（报文传输，一直占用通信资源，不管有没有实际的语音）
释放连接（归还通信资源）

为什么计算机网络不适用电路交换：计算机数据是突发式的传输在线路上，可能短时间下载大量数据，也可能长时间不下载数据，所以使用电路交换传输计算机数据，传输效率较低。所以计算机网络使用分组交换

优点：通信时延小；有序传输，没有冲突，适用范围广，实时性强，控制简单；比特流直达重点，不需要中间存储转换

缺点：建立连接时间长；线路独占，使用效率低；灵活差，难以规格化

报文交换（Message Switching）¶

电报通过报文交换，了解

不需要建立连接，直接发送报文。报文的长度没有限制，所以需要中间交换机有足够的存储空间

优点：无需建立连接；动态分配线路；提高线路可靠性；提高线路利用率；提供多目标服务

缺点：引起了转发时延；需要较大存储缓存；需要传输额外的信息量（目标地址和原地址等）

分组交换（Packet Switching）重要¶

通常把信息的全部数据称为一个报文。先把较长的报文分成很小的长度相等的数据段，在头部加上必要的控制信息（发到什么地方，包的序号），就构成一个分组（包）

实际发送时，从源站到达目的站走不同的路径（不同的路由器），分组到达目的站的顺序不一定与原始顺序相同。实际还可能发生分组丢失（丢包），误码，重复等问题。接收方接收分组后，还原原始报文。

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

优点：无需建立连接；线路利用率高；简化了存储管理；加速传输；减少出错率和重发数据量；避免过长的报文长时间占用链路，有利于进行差错控制。

缺点：引起了转发时延；需要传输额外的信息量；对于数据报服务，存在失序、丢失或者重复分组的问题；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。

1.4 计算机网络的定义和分类-了解¶

定义：计算机网络没有通用的精确的定义。

简单定义：互连的自治的计算机集合

广义网络：由可编程的硬件（手机）互连，可以传送不同的数据，或者更广泛的应用（云计算，不仅仅传数据）

计算机网络分类

按照交换技术：电路交换网络；报文交换网络；分组交换网络
使用者分类：公共网；专用网（校园网或者企业网）
传输介质：有线网；无线网
覆盖范围（WAN LAN 主要）
广域网（WAN）：国家范围的网络，因特网的核心部分，互连MAN和LAN
城域网（MAN）：城市内部网络，互连大量企业校园LAN
局域网（LAN）：企业校园网：微机或者工作站互连
个域网（PAN）：个人笔记本手机耳机网络
拓扑结构分类：总线型；星型；环形；网状型

1.5 计算机网络的性能指标（1）-重点¶

需要计算，考研会出题

计算机网络8个性能指标：

速率
带宽
吞吐量
时延
时延带宽积
往返时间
利用率
丢包率

比特-计算机数据量单位¶

最小的是比特，bit（缩写是小b），1Byte = 8bit，大写的B是 Byte，字节

在计算机中，KB 表示 2 的10次方 B

在硬盘优盘生产厂家中，给出的硬盘容量 250G，表示 250 * 10 的9次方，这两个计算不一样

除了计算机内部的数据量是2进制，其他的厂家，速率带宽计算都是10次方，需要注意。

250 * (10 ^ 9) / (2 ^ 30) === 232.8 GB 硬盘在操作系统中显示 232.8GB

速率¶

速率是计算机网络上主机在数字信道上传送比特的速率，也成为比特率或者数据率。

自己理解：就是发送比特的速率

单位: bit/s, kb/s Mb/s 注意这里的b是小写的，是一个bit

例题：数据的大小是 100MB，网卡的发送速率是 100 Mb/s，求网卡发送的时间

精确计算：100MB / 100Mb/s = MB / Mb/s = 2 ^20 * 8b / 10 ^ 6 b/s == 8.388 s
估算：可以抵消M B/b/s == 8s

带宽¶

在模拟信号中（电话）中，通信的区段是 300Hz——3400Hz，那么带宽就是 3.1KHz（了解）

在计算机网络中，表示整个通信线路传输数据的能力。在单位时间内从网络的某一点到另一点能通过的最高数据率，单位和速率一样 b/s。带宽是最高数据率（理论上可以达到的最高速率）

吞吐量¶

吞吐量：单位时间内通过某个网络（信道，接口）的数据量。受网络的贷款或额定速率的限制。经常用于显示世界中网络的一种测量（实际到底多少数据能通过网络）。可能1Gb/s 的带宽，实际吞吐量在 700Mb/s

时延¶

发送时延：计算机中数据从网卡中发送的时延，等于分组长度（b）/发送速率(b/s)。主机发送速率 = Min(网卡发送速率，信道带宽，接口速率)

传播时延：计算机网络中，数据从一个节点传播到另一个节点的时延，等于信道长度（公里）/电磁波的传输速度（电磁波在光纤中是 2* 10 ^ 8，在铜线中是 2.3，在真空中是 3）。计算传播时延，先确定使用什么传输介质。

处理时延：路由器集线器中等待时间+转发时间，和路由器的软硬件性能有关，影响因素比较多，一般不计算。各级路由器的繁忙程度也是动态变化的。

问题：发送时延和传播时延哪个更多？

传播时延和数据量大小无关。发送时间和数据量大小有关。
如果数据块 100MB，信道带宽1Mb/s，发送时延约 800s
如果数据块 1B，信道带宽 1Mb/s，发送时延只有 8 * 10 ^ -6 s

1.5 计算机网络的性能指标（2）¶

时延带宽积¶

时延带宽积= 传播时延 x 带宽

如果发送段连续发送数据，在第一个发送的比特即将到达终点时，发送段已经发送的比特，就是时延带宽积。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 双向交互一次所需的时间。在各种链路中（有线网，无线网等），卫星链路耗时较多。

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。

利用率并不是越高越好，如果利用率增大时，时延也会迅速增加。时延计算公式：D = Do/(1 - U)。当网络利用率达到50%时，时延加倍。当利用率超过50%时，实际时延会显著增大。

利用率并不是越低越好，这样会浪费通信资源。应该根据情况动态调整输入到网络中的通信量，使得网络利用率保持在合理的范围内。

丢包率¶

丢包率：一定时间范围内，传输过程中丢失的分组数量和全部分组数量的比例。主要是运维负责，客户通常不会意识到丢包。

分组丢失（丢包）的原因：1、分组过程中出现误码，被节点丢弃；2、当通信量较大，网络拥堵，某个分组交换机已经满了，后续到达的分组可能被丢弃。主要是第二个原因。

丢包率反映了网络拥堵的情况：无拥堵0%，轻度拥堵1%-4%，重度拥堵5%-15%。

1.6 计算机网络体系结构（1）—常见的计算机网络体系结构¶

OSI 体系结构（开放系统互连参考模型）-法律上的国际标准，七层
TCP/IP体系结构-产业界国际标准，四层（OSI 的制定专家缺乏实际经验，OSI实现起来过分复杂，并且运行效率很低；OSI标准制定的周期太长，OSI层次划分不太合理）。分别是：网络接口层（物理层+数据链路层）、网际层（IP）、运输层（TCP）、应用层（HTTP）

实际学习中，学习的是 TCP/IP 的四层结构。第一层网络接口层分成物理层 + 数据链路层讲。

每一层都是不同的协议（通信标准）构成的。一个计算机上的应用，和另一个计算机上的应用之间通信，需要先从高级到低级逐步编码，然后经过计算机网络（路由器交换机），到达目标计算机，然后再自下而上的解码，实现了不同应用之间的通信。

计算机通常是四层全部都有，路由器只有网络接口层和网际层（只需要分组转发，不需要上层解析数据，所以不需要上层的协议）

最下层网络接口层（物理层和数据链路层）通常已经铺设好，不需要我们去直接考虑，所以 TCP/IP 体系结构主要考虑上面的三层（网际层，运输层，应用层）

网际层：IP 协议

运输层：TCP/UDP 协议

应用层：HTTP SMTP DNS RTP 协议

IP 协议对底层的网络接口层，可以将不同的网络接口进行互连，同时可以为上层的网络应用提供服务。所以 IP over everything, everything over IP。

这一系列协议称为 TCP/IP 协议族

1.6 计算机网络体系结构（2）—分层的必要性¶

分层类似于功能组件化，可以把复杂的功能拆成独立的小的功能，不同层对应独立的功能，便于分开权限和后期维护。计算机网络是非常复杂的系统，所以更需要分层。

主要面临的问题

物理层¶

物理层解决使用何种信号传输比特的问题

使用不同的传播媒体（网线，无线网，卫星信号）
使用不同的物理接口
使用不同的电信号表示比特

数据链路层¶

解决一个分组在一个网络或一段链路上传输的问题

如何标识网络中的不同主机（主机编码，MAC 地址）发送数据需要加上目标地址和自身地址
如何从信号中区分地址和数据（分组的格式封装）
如何处理数据碰撞（两个计算机同时发送数据，但是网线是单向的）
协调各主机争用网线（同一个电脑上有多个 APP，都会使用网络，需要协调主机占用总线）

网际层¶

解决分组在多个网络上传输（路由）的问题

如何标识各网络和各主机（网络和主机共用编址问题，例如IP地址）；
路由器如何转发分组的问题，如何进行路由选择（网络中有多个线路，一个数据包可以发送给两个路由器，那么选择发送给哪个？）

运输层¶

解决进程之间给予网络的通信问题

如何解决进程之间的网络通信问题
如何处理传输错误

应用层¶

通过应用进程间的交互，完成特定的网络应用的问题

1.6 计算机网络体系结构（3）—分层思想举例¶

浏览器发送请求在计算机网络中的实际过程

1、应用层构建 HTTP GET 请求（请求头+请求体），交给下面运输层

2、运输层在数据前面增加一个 TCP 报文段，交给下面网际层

3、网际层增加一个 IP 数据报，交给下面的数据链路层

4、数据链路层增加 ETH 表示数据的开始和结束，交给下层物理层

5、物理层加一个前导码，转换成比特流电信号发出，经过网线到达路由器

6、路由器接收后，读取 IP 数据报，转发到对应的网络中

7、对应的计算机接收到数据包，从下到上依次解码，最终获取到 HTTP GET 请求报文

1.6 计算机网络体系结构（4）—专用术语¶

实体¶

实体：任何可发送或接收信息的硬件或者软件进程

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（不同层使用不同的协议规则）

协议三要素：语法（定义所交换信息的格式，信息由哪些字段以及什么顺序构成）、语义（定义双方要完成的操作）、同步（收发双方的时序关系，例如HTTP三次握手四次挥手等）

在协议的控制下，两个对等实体件的逻辑通信使得本层能够向上层提供服务。实现本层协议，需要使用下面一层所提供的服务（下层给上层提供服务）。

协议是水平的，服务是垂直的。实体可以看得到香菱下层所提供的服务，但是不知道该服务的具体协议。下面的具体细节对上层是透明的。

服务¶

服务访问点：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（上下两层协议交换信息的逻辑接口，TCP 和 HTTP 的逻辑接口）。

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，这些命令是服务原语。

协议数据单元 PDU：对曾层次之间传送的数据包（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 可以合成一个 PDU，一个 SDU 可以划分成多个 PDU。

1.7 第1章概述章节小结¶

重点：计算机网络的体系结构；分组交换；时延计算；网络基本概念

1.8 第1章概述习题课（1）— 体系结构相关习题¶

硬件的最高层级¶

集线器 HUB 只有1层物理层
交换机 Switch 有12层物理层+数据链路层
路由器 Router 有123层物理层数据链路层网络层

OSI 七层模型，每一层的原理，对应的协议等等

7、应用层：解决通过应用进程之间的交互，来实现特定网络应用的问题

6、表示层：解决通信双方交换信息的表示问题（字符集的转换，数据格式转换）

5、会话层：解决进程之间进行会话问题（会话管理）

4、运输层：解决进程之间基于网络的通信问题（可靠数据传输，端到端的服务）

3、网络层：解决分组在多个网络之间传输（路由）的问题（路由选择）

2、数据链路层：解决分组在一个网络（链路）上传输的问题（可靠数据传输）

1、物理层：解决使用何种信号来传输比特0或1的问题

网络体系结构中不包括协议的内部实现细节

1.8 第1章概述习题课（2）— 时延相关习题¶

时延 = 发送时延+传播时延+处理时延

例题1¶

当分组等长，链路等长，带宽相同，忽略路由器处理时延，n个分组，m段链路，总时延？

总时延 = N个分组发送时延 + 1个分组发送时延 * （m - 1）+ 一段链路的传播时延 * M。因为是M段链路，那么应该有m-1个路由器，所以路由器存储转发是 1个分组发送时延 * （m - 1），m-1实际就是转发次数。

例题2¶

比较电路交换和分组交换

报文X,带宽是B。电路建立时间是S。分组中每一个数据段长度是 p。一共有K个链路，传播时延D

电路交换 = 建立电路连接时间 s + 发送时延（x/b）+ 传播时延（kd）= s + x/b + kd

分组交换 = 发送时延 + 路由器转发时延+ 传播时延（就是例题1中的公式）

= p/b * x/p + p/b * (k - 1) + kd

这样可以比较分组交换和电路交换的时间了，建立不等式即可求解，求导可以求最值

Last update: November 9, 2024