1、计算机网络概述

什么是计算机网络

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计算机网络是通信技术与计算机技术紧密结合的产物，是一种特殊的通信网络

计算机网络是一个互联（互联互通）、**自治（无主从关系）**的计算机集合

通信系统模型

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Internet

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全球最大的互联网络，网络之网络，ISP（Internet Service Provider）因特网服务提供商，是互联的计算设备的集合，组成：

计算设备：主机（Host）、端设备（End System）

通信链路：光纤、铜缆、无线电

分组交换：路由器（Routers）、交换机（Switches）

网络协议

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硬件是计算机网络的基础，计算机网络的数据交换必须遵守实现约定好的协议

网络协议（network protocol），简称协议，是未进行网络中的数据交换而建立的规定、标准和约定，协议规定了通信实体之间交换信息的格式、意义、顺序以及针对收到信息或发生的事件采取的动作

协议规范了网络中所有信息的发送和接收过程，常见的协议：e.g.、TCP、IP、HTTP等

• Internet协议标准：
  • RFC：Request for Comments，文档，查看权威协议描述
  • IETF：互联网工程任务组

协议的三要素

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语法（Syntax）：数据和控制信息的结构和格式

语义（Semantics）：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应，差错控制

时序（Timing）：事件顺序，速度匹配

计算机网络结构

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• 网络边缘：
  • 主机
    • 运行各种网络应用
  • 网络应用
    • 客户/服务器（client/server）应用模型：用户发送请求，接收服务器响应，如Web、FTP
    • 对等（peer-peer，P2P）应用模型：无（或不仅依赖）专用服务器，通信在对等的实体之间直接进行，如BT、Skype、QQ
• 接入网络、物理介质：
  • 有线或无线通信链路
    • 带宽（bandwidth）（bps）
    • 共享/独占
• 网络核心（核心网络）：
  • 互联的路由器（或分组转发设备）
    • 数据交换，主要解决每两个主机连接的，n平方链路问题，通过动态转接、同台分配传输资源
      • 电路交换，在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路，用于数据的传输
      • 报文交换，以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式
      • 分组交换， 基于报文交换，将报文划分为更小的数据单位：报文分组（也称为段、包、分组），分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组（携带源、目的地址和编号信息）逐个地发送出去，当一次数据传输的所有分组都到达接收方时,接收方再将所有分组重组为原来的数据

计算机网络性能

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指标

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速率

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即数据率（data rate）或称数据传输速率或比特率（bit rate），单位时间（秒）传输信息（比特）量，单位：b/s（bps）、kb/s（10^3^b/s）、Mb/s（10^6^b/s）、Gb/s（10^9^b/s）

带宽

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带宽（bandwidth）原本是指信号具有的频带宽度，即最高频率和最低频率之差，单位（HZ）

网络带宽是指数字信道所能传输的最高数据率，单位b/s（bps）

延迟/时延

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延迟=结点处理延迟（路由器检查数据、确定输出链路，通常不会超过毫秒级）+排队延迟（分组排队等待从链路传输，取决于路由器拥挤程度）+传输延迟（分组传输到链路，取决于分组长度bits和链路带宽bps）+传播延迟（在链路上传输，取决于物理链路长度和信号传播速度）】

流量强度

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• 流量强度（traffic intensity） = La/R
  • R：链路带宽（bps）
  • L：分组长度（bits）
  • a：平局分组到达速率

La/R ~ 0：平均排队延迟很小

La/R -> 1：平均排队延迟很大

La/R > 1：超出服务能力，平均排队延迟无限大

时延带宽积

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时延带宽积 = 传播时延 * 带宽，又称为以比特为单位的链路长度

丢包率

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分组转发会发生丢包，是因为分组在路由器缓存中排队，如果分组到达速率超出输出链路容量，那么该分组会被丢弃（丢包loss）

丢包率 = 丢包数 / 已发分组总数

吞吐量/率

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表示在发送端到接收端之间传送数据速率（b/s）

计算机网络体系结构

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计算机网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构，而不是硬件，计算机网络中使用分层结构（network architecture网络体系结构）来描述网络，是计算机网络各层以及其协议的集合，是抽象的

• 为什么使用分层结构
  • 结构清晰，由利于识别复杂系统的部件及其关系
  • 模块化分层有利于系统更新、维护
  • 有利于标准化

OSI参考模型

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开放系统互连（OSI）参考模型是由国际标准化组织（ISO）与1984年提出的分层网络体系结构模型，目的是支持异构网络系统的互联互通，一共是七层

数据流向

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上面四层也是端到端层

传输中几乎每一层都会添加头尾信息，即数据封装，增加控制信息（PDU），主要包括：地址（Address）、差错检测编码（Error-detecting code），协议控制（Protocol control）

各层功能

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• 物理层
  • 负责实现单个bit的传输，解决比特编码、数据率、比特同步、传输模式（单工、半双工、全双工）问题
  • 接口特性：机械特性、电器特性、功能特性、规程特性
• 数据链路层
  • 负责结点-结点（node-to-node）的数据传输，解决组帧、物理寻址、流量控制、差错控制、接入（访问）控制问题
• 网络层
  • 负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付，解决逻辑寻址、路由、分组转发问题
• 传输层
  • 负责源-目的（端-端）（进程间）完整报文的传输，解决分段与重组、SAP寻址（端口号）、连接控制、流量控制、差错控制问题
• 会话层
  • 负责对话控制（建立、维护），解决同步问题
• 表示层
  • 负责两个系统之间交换信息的语法与语义，解决数据表示转化、加密解密、压缩解压缩问题
• 应用层
  • 负责支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务），常见的应用层服务：文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、Web（HTTP）

TCP/IP参考模型

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数据流向

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