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计算计网络笔记.md

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因特网概述

网络，互联网和因特网的区别与联系※

  1. 网络是由若干结点和链接这些结点的链路组成
  2. 多个网络通过路由器互连起来，构成一个覆盖范围更大的网路，称为互联网
  3. 因特网是世界上最大的互联网络，连接在因特网上的计算机称为主机 image-20230712103755727

internet和Internet的区别

  1. 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。
  2. 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TCPP协议族作为通信的 规则，其前身是美国的ARPANET。

因特网服务提供者ISP(Internet Service Provider)

通过向ISP缴纳费用，拿到IP地址和通信线路，路由器等连网设备的使用权

同时，每个接入因特网的用户，也可以成为ISP，只需购买调制解调器或路由器这样的设备，让其他用户与之相连

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基于ISP的三层结构的因特网

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因特网的标准化工作

  1. 因特网的标准化工作对因特网的发展起到了非常重要的作用。

  2. 因特网在制定其标准上的一个很大的特点是面向公众。

    1. 因特网所有的RFC(Request For Comments)技术文档都可从因特网上免费下载；
    2. 任何人都可以随时用电子邮件发表对某个文档的意见或建议。

  3. 因特网协会ISOC是一个国际性组织，它负责对因特网进行全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用。

    1. 因特网体系结构委员会IAB,负责管理因特网有关协议的开发：

    2. 因特网工程部ETF，负责研究中短期工程问题，主要针对协议的开发和标准化

    3. 因特网研究部IRTF,从事理论方面的研究和开发一些需要长期考虑的问题。 制订因特网的正式标准要经过以下4个阶段：

      1. 因特网草案（在这个阶段还不是RFC文档）
      2. 建议标准（从这个阶段开始就成为RFC文档） 因特网体系结构委员会A由
      3. 草案标准
      4. 因特网标准

      只有一小部分RFG文档最后才能变成因特网标准

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因特网的组成※

  1. 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。

  2. 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. 路由器是实现分组交换的关键构件，任务是转发收到的分组

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； 不适合计算机传输数据，因为占用通信资源，却迟迟不使用，造成通信资源的浪费

  1. 电话交换的三个步骤
    1. 建立连接（分配通信资源）
    2. 通话（一直占用通信资源）
    3. 释放连接（归还通信资源）
  2. 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
  3. 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

分组交换(Packet Switching)※

通常把表示消息的整块数据称为一个报文

  1. 步骤

    1. 发送方 构造分组，发送分组

    2. 路由器 缓存分组，转发分组

    3. 接收方

      接收分组，还原报文

  2. 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

  3. 缺点

    1. 引起了转发时延

    2. 需要传输额外的信息量

    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

报文交换(Message Switching)

与分组交换类似，但对报文大小没有限制，也不分组，现代已很少使用该方法

  1. 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

  2. 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

计算机网络的定义和分类

定义

  1. 简单定义：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

  2. 计算机网络的较好的定义

    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。

    1. 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
    2. 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名种应用)

分类

  1. 按交换技术分类

    1. 电路交换网路
    2. 报文交换网络
    3. 分组交换网络

  2. 按使用者分类

    1. 公用网

      电信公司出资建造,给电信公司缴纳费用即可使用

    2. 专用网

      不向外人提供服务

  3. 按传输介质分类

    1. 有线网路

      包括双绞线网络,光纤网络等

    2. 无线网络

      WIFI应用普遍

  4. 按覆盖范围分类

    1. 广域网(WAN)

      可以覆盖一个国家,地区甚至几个洲

      WAN是因特网的核心部分,为核心路由器提供远距离高速连接

    2. 城域网(MAN)

      覆盖一个街区,或几个城市

      通常作为城市骨干网,互连学校,企业,机构的局域网

    3. 局域网(LAN)

      覆盖一个实验室,一幢楼,一个校园等

    4. 个域网(PAN)

      即无线个人区域网(WPAN),在各人工作的地方,将属于个人使用的电子设备 用无线技术连接起来的网络

  5. 按拓扑结构分类

    1. 总线型网络 image-20230712140101315
    2. 星型网络 image-20230712140145867
    3. 环型网络

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    1. 网状型网络 image-20230712140454142

计算机网络的性能指标

指标 评测
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
bit/s（b/s，bps)，kb/s，Mb/s，Gb/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“最高数据量”
与速率指标相同
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 网络时延由三部分组成，分别为发送时延，传播时延，处理时延
网卡的发送速率，信道带宽，交换机的接口速率共同决定了发送时延
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时延带宽积 1. 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。
2. 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
从源主机发送分组开始，直到源主机收到来自目的主机的确认分组为止
利用率 分为信道利用率，网络利用率
信道利用率：表示某信道有百分之几的时间是被利用的
网络利用率：全网络的信道利用率加权平均
信道利用率并非越高越好，高利用率会引发高时延
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

  1. 补充

    1. 时延计算公式 $$ 发送时延 = \frac{分组长度}{发送速率}\\ 传播时延 = \frac{信道长度}{电磁波传播速率}\\ 处理时延一般不计算 $$

    2. 时延带宽积 $$ 时延带宽积 = 传播时延 \times 带宽 $$

    3. 网络当前时延与信道利用率之间的关系 $$ D为网络当前时延，D_0为网络空闲时的时延，U为信道利用率\ D = \frac{D_0}{1-U} $$

    4. 丢包率计算公式 $$ 丢包率 = \frac{一定时间范围内丢失的分组数量}{总分组数量} $$

    5. 分组丢失的两种情况

      1. 分组在传输过程中出现误码，被结点丢弃
      2. 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。

    6. 丢包率反映了网络的拥塞情况

      1. 无拥塞时路径丢包率为0
      2. 轻度拥塞时路径丢包率为1%~4%
      3. 严重拥塞时路径丢包率为5%~15%

    7. n个分组，m段链路，忽略处理时延，总时延的计算 $$ 总时延 = n个分组的发送时延 + 1个分组的发送时延 \times (m-1) + 1段链路的传播时延 \times m\ （假设分组等长，各链路长度相同，带宽相同） $$

计算机网络体系结构

常见的计算机网络体系结构

  1. OSI体系结构（开放系统互连参考模型）
  2. TCP/IP体系结构

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计算机网络体系结构分层的必要性

"分层“可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

体系结构 解决问题
应用层 解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用的问题
表示层 解决通信双方交换信息的表示问题
会话层 解决进程之间进行会话问题
运输层 解决进程之间基于网络的通信问题
网络层 解决分组在多个网络上传输（路由）问题1
数据链路层 解决分组在一个网络（或一段链路）上传输的问题
物理层 解决使用何种信号来传输比特的问题

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计算机网络体系结构分层思想举例