【计算机网络】第一章——计算机概述（上篇）

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收录于专栏【计算机网络】
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一、因特网概述

各种网络概念

• 网络：网络由若干结点和连接这些结点的链路组成。
• 互联网：多个网络可以通过路由器进行连接，这样就可以组成一个更大的网络，即互联网。

• 因特网：因特网是世界上最大的互联网络。

lsp

lsp（Internet Service Provider）即因特网服务提供者：可以从因特网管理机构哪里获取到成块的IP地址，同时拥有通信线路和路由器，个人或者企业支持要向lsp缴纳费用即可获取到IP地址（因特网上的主机只有拥有ip地址才能够进行通信）。

基于lsp的三层结构的互联网

可以看出因特网逐渐演变成基于lsp的多层测结构网络。

一个用户接入到因特网后，他自己就可以成为一个lsp，需要的就是一些调试解调器和路由器，这样其它用户就可以与该用户相连。一个lsp可以很方便的在因特网拓扑上添加新的层次和分支。

因特网的组成

因特网由边缘部分和核心部分组成。

• 边缘部分：由所有连接因特网的主机构成，该部分由用户直接使用（比如手机、智能手表、耳机等），用来进行通信（传输数据、音频或视频）和资源共享。
• 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，该部分为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）。

二、三种交换方式

电路交换

• 电路交换机接通电话线的方式称之为电路交换。

• 从通信的角度来说，交换就是通过某种方式动态的分配线路传输的资源。

电路交换分为三个步骤：
第一步：建立连接：这条连接保证了用户通信时所需要的通信资源。该连接在双方通信时不会被其它用户占用。
第二步：通话：该过程会一直占用第一步建立连接所分配的通信资源。
第三步：释放连接（也就是释放占用的通信资源）：通话完毕后，电路交换机会释放刚刚占用的这条专用的物理线路（换句话来说就是把刚刚占用的通信资源归还给电信网）。

但是通过电路交换来传输计算机数据的时候，效率是很低的，这是因为计算机数据往往是以突发式的方式出现在传输线路上的。比如当我们正在输入和编辑一份待传输的文件的时候，占用的通信资源并没有得到使用，此时其它用户也不能使用该通信资源。这样就会导致通信资源浪费。

计算机网络通过使用分组交换而不是电路交换。下面我们来看分组交换。

分组交换

下图是因特网的一部分：

在因特网中，最重要的分组交换机就是路由器（如R1、R2、R3等），负责将各种网络互连起来，并将接收到的分组进行转发，即进行分组交换的过程。

举个栗子：比如H1要给H2用户发送消息，我们通常将该消息的整块数据称之为一个报文。在发送报文之前先将较长的报文划分成一个个更小的等长数据段。

在每个数据段前面加上一些由必要的控制信息组成的首部后就构成了一个分组（也可以称之为包），首部也可以称之为包头。
添加首部的作用：首部中包含分组的目的地址（也就是各个路由器），方便各分组传输路径中的各分组交换机（即路由器）进行分组转发。
分组交换机接受到分组后，先将分组暂时存储下来。再检查其首部，按照首部存储的目的地址进行查表转发，找到合适的转发接口，通过该接口将分组转发给写一个分组交换机。
再该举例中，H1用户将各分组依次通过各分组交换机的存储转发之后，就会到达主机H2用户；主机H2收到这些分组后会去掉分组的首部，将各数据段组合还原出原始的报文。

分组传输过程中会出现很多种情况，我们这里列举出两种情况，如下：

• 第一种情况：各分组从源站到达目的站可以走不同的路径（也就是不同的路由器）。
• 第二种情况：分组乱序，即分组到达目的站的顺序不一定与分组从源站出发的顺序相同，对于可能出现的分组的重复、丢失、误码等问题这里不进行演示（会在后面的章节演示）。

总结上述各个角色的作用：

• 发送方：构造分组、发送分组。
• 路由器（即分组交换机）：缓存分组和转发分组（即存储转发）。
• 接收方：接送分组、还原报文。

报文交换

报文交换与分组交换类似，报文交换的交换节点也采用存储转发方式，但是报文交换对报文的大小没有限制，这要求交换结点需要有较大的缓存空间。注意：报文交换主要应用于早期的，当前使用比较少（通常被分组交换取代了）。

三种交换方式的对比

电路交换：

优点：

• 通信时延小：通信线路为通信双方用户专用，所以通信时延非常小，适合连续传输大量数据的情况。
• 有序传输：通信双方之间只有一条专用的通信线路，数据只在这一条线路上传输，不存在失序问题。
• 没有冲突：不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争夺物理信道的问题。
• 使用范围广泛：电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。
• 实时性强：得益于通信时延小的优点。
• 控制简单：电路交换的结点交换机及其控制都比较简单。

缺点：

• 电路交换的建立连接时间长。电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长了。
• 线路独占，使用效率低：电路交换一旦建立连接，物理通路就会被通信双方独占。即使通信线路空闲，也不能够供其他用户使用，所以信道利用率很低。
• 灵活性差：只要连接所建立的物理通路中的任何一点出现故障，就必须重新拨号建立新的连接（如果是十分紧急或者非常重要的通信的话那可就糟了）。
• 难以规格化：电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难进行相互通信，也难以在通信过程种进行差错控制。

报文交换：

优点：

• 无需建立连接：报文交换不需要为通信双方优先建立一条专用的通信线路，所以不存在建立连接的时延，用户可以随时发送报文。
• 动态分配线路：当发送方把报文传送给结点交换机时，结点交换机先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路将报文发送出去。
• 提高线路可靠性：如果某条传输路径发生故障，会重新选择一条路径传输数据。
• 提高线路利用率：通信双方不是固定占用一条通信线路。而是在不同的时间分段部分占用物理线路。
• 提供多目标服务：一个报文可以同时发送给多个目的地址（这在电路交换中很难实现）。

缺点：

• 引起了转发时延：因为报文在结点交换机上要经过存储转发的过程。
• 需要较大的存储缓存空间：因为报文交换对报文的大小没有限制。
• 需要传输额外的信息量：因为报文需要携带目标地址、源地址等信息。

分组交换：

优点：

• 无需建立连接：分组交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接的时延，用户可以随时发生分组。
• 线路利用率高：通信双方不是固定占用一条线路，而是在不同的时间段部分占用物理线路。
• 简化存储管理（相对于报文交换而言）：因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也是固定的，管理起来相对容易一些。
• 加速传输：由于分组交换是逐个传输的，因此后一个分组的缓存工作和前一个分组的转发工作是可以进行的。
• 减少出错概率和重发数据量：因为分组比报文小，故出错概率降低，即使分组出现错误，那么重新发送出现错误的分组即可。

缺点：

• 引起了转发时延：因为分组在结点交换机上要经过存储转发的过程。
• 需要传输额外的信息量：将原始报文分割成等长的数据块，每个数据块都需要加上等长的目的地址、源地址等控制信息，从而构成分组。
• 当分组交换采用数据报服务时，可能会出现失序、丢失、或重复分组的问题，分组到达目的结点时，需要重新还原成原始报文，所以这样比较麻烦。如果分组交换采用虚电路服务，虽然没有出现分组失序问题，但有呼叫建立、数据传输、虚拟释放三个过程。

三、计算机网络的性能分析

计算机网络的性能指标有很多：速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、利用率、丢包率。

不过在这之前我们先来回顾一下比特的内容。

回顾下比特

上图是一块计算机固态硬盘，标称容量是250GB，那为什么操作系统给出的容量确实232.8GB呢？
原因如下：厂家给出的单位GB中的G是10⁹次方，而操作系统中GB中的G是2³⁰。

速率

速率：指连接在计算机网络上的主机在数字通道上传送比特的速率，也称为比特率（或者数据率）。

例题：

带宽

带宽在模拟信号系统中的意义：信号所包含的各种不同的频率成分所占据的频率范围。
单位是Hz（kHz、MHz、GHz）。

带宽在计算机网络中的意义：用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。故网络带宽指的是单位时间内从网络的一点到另一点所能通过的最高数据率。故带宽和速率的单位是相同的。

虽然带宽在模拟电路系统中和计算机网络中所代表的意义是不同的，但是带宽在这两种表述之间有着密切的联系：一条通信线路中的频带宽度越宽，其所能传输数据的最高数据率也就越高。

吞吐量

吞吐量指的是：单位时间内通过某个网络（信道、或接口）的数据量。以便我们知道实际上由多少数据通过网络。

吞吐量受网络带宽和额定速率的限制。比如1Gb/s的以太网通常只能达到700Mb/s。

时延

网络时延包括三部分：发送/传播/处理时延。

我们来看看看源主机将分组发送到目的主机的过程中会在哪些地方产生时延。

• 发送时延：源主机将分组发送传输线路，这需要一定的时间（将这段时间称之为发送时延）。
• 传播时延：分组的电信号在线路上进行传输也需要一定时间。
• 处理时延：路由器受到分组后对分组进行存储转发需要一定时间。

源主机将分组发送给目的主机的过程中会将过多段链路和多个路由器构成。故也同样需要多个发送、传播、处理时延。

时延带宽积

顾名思义：时延带宽积就是带宽和时延的乘积（这里的时延指的是传播时延。）

• 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实验带宽积个比特。
• 

这里我们把传输线路看作是一个管道。其长度为传播时延，横截面积为带宽。那么时延带宽积就是管道的体积。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

我们知道因特网上的信息通常不是单项传播，而是双向交互的。有些情况下我们需要通信双方交互一次所需要的时间。

往返时间：从源主机发送分组开始，知道源主机受到来自目的主机确认分组为止所需要的时间。

利用率

利用率分为两种：信道利用率和网络利用率。

• 信道利用率：用来表示信道有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过通过）。

• 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均。

丢包率

本文到这里就结束了，希望友友们可以支持一下一键三连哈。嗯，就到这里吧，再见啦！！！