计算机网络概述

tantanpro

715人浏览 · 2025-12-22 16:00:25

tantanpro · 2025-12-22 16:00:25 发布

一、计算机网络体系结构

计算机网络 (Computer networking)是一个将众多分散的、自治的计算机系统，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

二、计算机网络、互连网、互联网的区别

计算机网络 (简称网络)：有若干个结点 (node)和连接这些节点的链路 (link)组成。(结点可以是计算机，集线器，交换机，路由器等)
互连网 (internet)：两个或多个计算机网络通过路由器互相连接起来，形成规模更大的计算机网络
互联网 (或因特网，Internet)：由各大ISP (Internet Service Provider,即互联网服务提供商)和国际机构组建的，覆盖全球范围的互连网

集线器 (Hub)：可以把多个结点连接起来，组成一个本地共享式计算机网络。其作用范围局限于一个物理网段，所有连接设备处于同一个冲突域。
交换机 (Switch)：可以把多个结点连接起来，组成一个高性能本地计算机网络。其作用范围通常是一个广播域，能有效隔离冲突域
路由器 (router)：可以把两个或多个计算机网络互相连接起来，形成规模更大的计算机网络，也可称为“互连网”(家用路由器=路由器+交换机+其他功能)

三、计算机网络的组成

从工作方式看

边缘部分
- 工作方式：直接为用户服务(通信，资源共享)
- 主要由连接到互联网上的主机及其软件组成
核心部分
- 工作方式：为边缘部分提供服务(连通性，交换服务)
- 由大量的网络和连接这些网络的路由器组成

从组成部分来看

硬件
- 主机，即端系统 (end system) 如：手机电脑，电脑
- 通信设备如：集线器，交换机
- 通信链路如：网线，光纤
软件方便用户使用，实现资源共享。如：聊天软件，网盘软件
协议规定计算机网络中的通信规则，由软件，硬件共同实现

在计算机网络中，交换服务指的是网络节点（如交换机、路由器）在通信时，为数据选择并建立传输路径的核心功能。其核心目标是实现数据从源到目的地的高效、可靠转发

从逻辑功能看

资源子网
- 计算机网络中运行应用程序，向用户提供可共享的硬件，软件和信息资源的部分
- 主要由连接到互联网上的主机组成
通信子网
- 计算机网络中负责计算机间信息传输的部分。即把计算机和其他用户装置互连在一起的所有通信设备和介质的总称
- 主要由通信链路+通信设备+协议构成(注：主机内部实现信息传输的网络适配器，底层协议属于通信子网的范畴)

四、计算机网络的功能

数据通信 实现计算机之间数据传输。是最基本最重要的功能
资源共享 硬件，软件数据资源
分布式处理 将某个复杂任务分配给网络中多台计算机处理
提高可用性 网络中各台计算机互为替代机
负载均衡 网络中各台计算机共同分担繁重工作
其他满足社会需求，生活需求

电路交换，报文交换，分组交换

电路交换

实现方式：
建立专用的物理通信路径，在整个通信过程中独占该路径。

电路交换的优点
- 通信前从主叫端到被叫端建立一条专用的物理通路，在通信的全部时间内，两个用户始终占用端到端的线路资源。数据直送，传送效率高(适用于：低频次，大量地传送数据)
电路交换的缺点
- 建立/释放连接，需要额外的时间开销。
- 线路被通信双方占用，利用率低。
- 线路分配的灵活性差。
- 交换节点不支持“差错控制”(无法发现传输过程中的发生的数据错误)

报文交换

实现方式：
以完整报文为单位进行存储转发，每个节点接收整个报文后再转发。

报文交换的优点
- 通信前无需建立连接
- 数据以“报文”为单位被交换节点间“存储转发”，通信线路可以灵活分配
- 在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路，相比于电路交换，线路利用率高
- 交换节点支持“差错控制”(通过校验技术)
报文交换的缺点
- 报文不定长，不方便存储转发管理
- 长报文的存储时间开销大，缓存开销大
- 长报文容易出错，重传代价大

分组交换

实现方式：
将数据分割为固定或可变长度的分组，每个分组独立路由转发。

分组交换的优点
- 通信前无需建立连接
- 数据以“分组”为单位被交换节点间“存储转发”(路由器的存储转发，是指路由器在接收到一个完整的数据包（Packet）后，会先将其全部存入内部缓存，然后进行一系列检查和处理，最后再决定将其从哪个合适的端口转发出去的完整工作流程)，通信线路可以灵活分配
- 在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路，相比于电路交换，线路利用率高
- 交换节点支持“差错控制”(通过校验技术)
  相比与报文交换，分组交换改进了如下问题：
  - 分组定长，方便存储转发管理
  - 分组的存储转发时间开销小，缓存开销小
  - 分组不易出错，重传代价低
分组交换的缺点
- 相比于报文交换，控制信息占比增加
- 相比于电路交换，依然存在存储转发时延
- 报文被拆分，传输过程中可能出现失序，丢失等问题

五、计算机网络的分类

按分布范围分类

广域网(WAN,Wide Area Network)
城域网(MAN,Metropolitan Area Network)
局域网(LAN,Local Area Network)
个域网(PAN,Person Area Network)

按传输技术分类

广播时网络——网络中所有节点共享同一条公共通信信道，一个节点发出的数据能被同一网络内所有其他节点接收的网络类型。典型代表是以太网（局域网）
点对点网络——网络中每对节点之间都通过一条专用（或逻辑上专用）的通信链路进行连接和直接通信的网络类型。典型代表是 PPPoE 拨号、传统电话网

按拓扑结构分类

总线行结构——所有网络节点都连接到一条公共的传输介质（总线） 上。任一节点发送的信号沿总线双向传播，能被所有节点接收，但只有地址匹配的节点会处理。结构简单但故障难以隔离，总线单点故障可致全网瘫痪。
环形结构——所有节点通过通信链路首尾相连形成一个闭合环。数据沿环单向（或双向）逐站传递，每台设备都是一个中继器。具有确定的传输延迟，但增加或移除节点复杂，单点链路故障可中断整个环。
星行结构——所有节点均通过独立的链路连接到一个中央设备（如交换机、集线器）。任何两个节点间的通信都必须通过中央设备。易于管理与扩展，但中央设备是单点故障源，其故障会导致以其为中心的所有连接中断。
网状结构——网络中的节点之间通过多条链路进行互连，形成丰富的直接连接路径。分为全网状（每对节点间均有直达链路）和部分网状。具有极高的可靠性和冗余性，但成本高昂、结构复杂，主要用于网络核心。

按使用者分类

公用网
专用网

安装传输介质分类

有线网络
无线网络

六、计算机网络的性能指标

速率——指连接在计算机网络上的主机（或设备）在数字信道上传送数据的绝对速度。其本质是单位时间内的比特流传输量

我们知道，计算机发送的信号都是数字形式的，比特(bit) 来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。比特也是信息论中使用的信息量的单位，网络技术中的速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率(data rate)或比特率(bit rate)。速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，速率的单位是 bis （比特每秒）（或b/s，有时也写为 bps，即bit per second)。当数据率较高时，就常常在 bit/s的前面加上一个字母。例如k(kilo)-10^{3-干，M(Mega)=10}6=兆,G (Giga) = 10^9=吉,T (Tera)= 10^{12=太,P(Pea)=10}15=拍）

带宽
带宽有两种不同意义
- 指信号频率的范围宽度（如电话信号为 300Hz-3.4kHz），单位是赫兹(Hz)，用于描述模拟信道允许通过的频带范围。
- 指信道传输数据的最高速率，单位是比特每秒(bit/s)，用于衡量数字网络的传输数据能力。
在“带宽”的上述两种表述中，前者为频城称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的，也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高數据率”也越高
吞吐量——单位时间内成功传输的实际数据量，衡量系统的实际处理能力，单位为数据量/时间(如 bit/s、请求数/秒)

接入到互联网的主机的实际吞吐量，取决于互联网的具体情况。假定主机 A和服务器B接入到互联网的链路速率分别是 100 Mbi/s 和1 Gbit/s，如果互联网的各链路的容量都足够大，那么当A和B交换数据时，其吞吐量显然应当是 100 Mbit/s，这是因为，尽管服务器B能够以超过 100 Mbit/s 的速率发送数据，但主机A最高只能以 100 Mbit/s 的速率接收数据。现在假定有 100 个用户同时连接到服务器B（例如，同时观看服务器 B 发送的视類节目）。在这种情况下，服务器 B 连接到互联网的链路容量被 100 个用户平分，每个用户平均只能分到 10 Mbit/s 的带宽，这时，主机A连接到服务器B的吞吐量就只有10Mbit/s了
时延——是指数据(一个报文或分组，甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。时延是个很重要的性能指标，它有时也称为延迟或迟延。
- 发送时延(transmission delay)——是主机或路由器发送数据帧所需时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需时间，也叫作传送时延。
- 传播时延(propagation delay)——是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间
- 处理时延——主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间处理，例如分析分组的首部，从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找转发表等
- 排队时延——分组在路由器中因等待处理(输入队列)和等待转发(输出队列)而产生的不确定性延迟。其时长由网络实时流量动态决定，流量越大时延越长，极端情况下队列溢出将导致分组丢失，等效为时延无穷大。
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
时延带宽积——传播时延和带宽相乘

我们可以用上图来表示时延带宽积。这是一个代表链路的圆柱形管道，管道的长度是链路的传播时延(请注意，现在以时间作为单位来表示链路长度)，而管道的截面积是链路的带宽，因此时延带宽积就表示这个管道的体积，表示这样的链路可容纳多少个比特，例如，设某段链路的传播时延为20 ms，带宽为10 Mbit/s，算出
时延带宽积-20×10’×10×10=2× 10° bit
往返时间RTT——表示从接收方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间

往返时延RTT = 传播时延 + 处理时延 + 发送时延 + 传播时延
利用率

利用率有信道利用率和网络利用率两种

信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)

信道利用率 = 有数据通过的时间 /( 有数据通过的时间 + 没有数据通过的时间 )

信道利用率太低，浪费资源；太高，容易导致网络阻塞
网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均值

网络利用率 = 实际吞吐量 / 理论最大带宽×100%

七、计算机网络体系结构

协议与划分层次
协议——是计算机网络中通信实体之间进行数据交换时必须遵守的规则、标准或约定，这些规定明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题，网络协议主要由以下三个要素组成
- 语法，即数据与控制信息的结构或格式
- 语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
- 同步，即时间实现顺序的详细说明
划分层次的好处——各层之间是独立的，灵活性好，结构上可分割开，易于实现和维护，能促进标准化工作
通常各层所要完成的功能主要有以下一些（可以只包括一种，也可以包括多种)；
差错控制 使相应层次对等方的通信更加可靠。
流量控制 发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。
分段和重装 发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。
复用和分用 发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。
连接建立和释放 交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。
具有五层协议的体系结构
- 应用层——网络体系结构的最高层，通过运行在不同主机上的应用程序进程之间的交互来实现特定网络功能（如浏览网页、发送邮件）。其核心是应用层协议，它定义了进程间通信的规则。不同的网络应用需要不同的协议（如 DNS、HTTP、SMTP）。在该层，交互的数据单元称为报文
- 运输层——为运行在不同主机上的应用进程提供通用的端到端数据传输服务，其核心功能是复用（多个应用进程共享下层服务）和分用（将收到的数据正确交付给对应进程）
  运输层主要使用以下两种协议：
  - 传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol)—提供面向连接的、可靠的数
    据传输服务，其数据传输的单位是报文段(segment)。
  - 用户数据报协议 UDP (User Datagrum Protocol)—提供无连接的尽最大努力(best-effort)的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性)，其数据传输的单位是用户数据报。
- 网络层——为分组交换网上的不同主机提供通信服务，在发送数据时，网路层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，分组也叫做IP数据报，或简称数据报
  
  互联网是由大量不同类型的网络通过路由器连接构成的。其网络层（亦称网际层或IP 层）采用无连接的网际协议（IP）以及多种路由选择协议来实现跨网络的数据寻址与转发,因此互联网的网路层也叫作网际层或IP层
- 数据链路层——负责在相邻节点（如主机与路由器、路由器与路由器）之间的单段链路上传输数据。它将网络层下发的数据包组装成帧(framing)，帧中包含数据及必要的控制信息（如同步、地址、差错控制等），确保数据在物理链路上的可靠传输
- 物理层——定义如何在物理媒介上透明传输原始比特流，包括电气、机械和时序特性
假定主机1的应用进程 AP，向主机2的应用进程AP.传送数据，AP，先将其数据交给本主机的第5层（应用层），第5层加上必要的控制信息H,就变成了下一层的数据单元。第4层（运输层）收到这个数据单元后，加上本层的控制信息H，再交给第3层（网络层），成为第3层的数据单元。依此类推，不过到了第2层（数据链路层）后，控制信息被分成两部分，分别加到本层数据单元的首部(H)和尾部(T.)：而第1层（物理层）由于是比特流的传送，所以不再加上控制信息，请注意，传送比特流时应从首部开始传送。
当这一串的比特流离开主机1经网络的物理传输媒体传送到路由器时，就从路由器的第1层依次上升到第3层。每一层都根据控制信息进行必要的操作，然后将控制信息剥去，将该层剩下的数据单元上交给更高的一层，当分组上升到了第3层网络层时，就根据首部中的目的地址查找路由器中的转发表，找出转发分组的接口，然后往下传送到第2层，加上新的首部和尾都后，再到最下面的第1层，然后在物理传输媒体上把每一个比特发送出去。
当这一申的比特流离开路由器到达目的站主机2时，就从主机2的第1层按照上面讲过的方式，依次上升到第5层，最后，把应用进程 AP，发送的数据交给目的站的应用进程AP.
实体，协议，服务和服务访问点

实体——表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。在计算机网络的分层结构中，第n层中的软硬件通常称为第n层实体，不同机器上的同一层成为对等层，同一层的实体称为对等实体
协议——是控制两个对等实体(或多个实体)进行通信的规则的集合，是水平的
服务——在协议的控制下，两个对等实体间的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。是垂直的

协议的实现保证了能够向上一层提供服务，下面的协议对上面的实体是透明的
服务访问点 SAP (Service Access Point)——在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)的地方
- 服务数据单元 SDU(Service Data Unit)——对等层次之间传送的数据单位
- 协议数据单元 PDU(Protocol Data Unit)——为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据
- 协议控制信息 PCI(Protocol Control Information)——控制协议操作的信息
- 三者的关系为 n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n - 1)-SDU

TCP/IP的体系结构
在 TCP/IP 参考模型中，网络层（IP 层）本身提供的是无连接、不可靠的数据报传输服务。网络层仅对 IP 头部进行差错校验（通过头部校验和），但不提供数据部分的差错控制、流量控制、连接管理或可靠传输保证。

为了满足上层应用的不同需求，传输层在网络层服务之上提供了两种不同的服务模式：

TCP 协议：通过在 IP 不可靠服务的基础上增加连接管理、差错控制、流量控制、拥塞控制、重传机制等，向上层提供面向连接的、可靠的字节流服务。
UDP 协议：基本保持网络层的无连接、不可靠特性，仅增加端口寻址功能，向上层提供无连接、不可靠的数据报服务，适用于对实时性要求高、能容忍部分数据丢失的应用场景。