计算机网络学习笔记-1.1概念

时间:2024-11-12 08:50:03

文章目录

    • 计算机网络,互连网,互联网
    • 计算机网络的组成
      • 1. 计算机网络的硬件组成
        • 主要硬件组件:
        • 网络传输介质:
      • 2. 计算机网络的软件组成
        • 主要软件组成:
      • 3. 计算机网络的协议组成
        • 主要协议组成:
      • 计算机网络的组成总结
    • 资源子网和通信子网
    • 交换技术
      • 1. 电路交换
      • 2. 报文交换
      • 3. 分组交换
      • 总结与对比
    • 计算机网络的分类
      • 按分布范围分类
      • 按传输技术分类
      • 按拓扑结构分类
      • 按使用者分类
      • 按传输介质分类
    • 性能指标
      • 速率(Rate)
      • 带宽(Bandwidth)
      • 吞吐量(Throughput)
      • 时延(Latency)
      • 时延带宽积(Bandwidth-Delay Product, BDP)
      • 往返时延(Round Trip Time, RTT)
      • 信道利用率(Channel Utilization)

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)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。

计算机网络,互连网,互联网

由若干结点和链路组成的。集线器,寄了
交换机把多个结点连在一起也可以构建计算机网络
通过路由器连接多个计算机网络构成更大的互连网。
家用路由器=路由器+交换机+其他功能
全球范围的互连网就是互联网,必须用TCP/IP协议。局部互连网协议可以不同。

计算机网络的组成

在这里插入图片描述
计算机网络是由一系列硬件、软件和协议组成的系统,用于在不同的计算机和设备之间传输数据。通常从硬件组成软件组成协议组成等方面进行划分。以下是详细的说明:

1. 计算机网络的硬件组成

计算机网络的硬件组成主要包括各种网络设备和传输介质,确保数据在不同设备之间传输和交换。

主要硬件组件:
  • 计算机或终端设备:网络中的所有计算机、手机、服务器、打印机等设备都属于终端设备。它们是网络的节点,通过网络连接交换数据。

  • 网络接口卡(NIC):每个设备需要网络接口卡(Network Interface Card),它是连接设备到网络的硬件,负责将计算机数据转换为网络可以传输的格式,反之亦然。

  • 路由器(Router):路由器用于连接不同的网络,它能够转发数据包并决定数据从源设备到目标设备的路径。它工作在网络层,确保数据包按照最优路径进行转发。可以安装软件

  • 交换机(Switch):交换机用于在局域网内连接多个设备,工作在数据链路层,它可以根据MAC地址将数据帧准确地传输到目标设备。

  • 集线器(Hub):集线器是一个简单的网络设备,它将多个设备通过物理介质连接起来,通常用于局域网中,工作在物理层。集线器不做智能的数据转发,所有数据都会广播到所有连接的设备。

  • 网关(Gateway):网关是连接两个不同协议网络的设备,它能够转换不同网络之间的数据格式,使得不同协议的网络可以互相通信。它通常工作在更高层次,如应用层或传输层。

  • 调制解调器(Modem):调制解调器用于在计算机和互联网之间进行数据转换,它将数字信号转换为模拟信号(调制),或将模拟信号转换为数字信号(解调),以便通过电话线或电缆进行传输。

  • 无线接入点(AP):无线接入点用于无线设备连接到有线网络。它为无线设备提供无线信号,并连接到路由器或交换机,将无线信号转换为有线信号,反之亦然。

网络传输介质:
  • 有线传输介质:如光纤、电缆、双绞线等,通常用于局域网或长距离的互联网连接。
  • 无线传输介质:如Wi-Fi、蓝牙、4G/5G、卫星等,用于无线通信。

2. 计算机网络的软件组成

计算机网络的软件组成包括用于控制、管理和保障网络通信的软件工具和协议。

主要软件组成:
  • 操作系统:每个联网设备都需要操作系统来管理硬件资源和网络通信。操作系统提供了与网络相关的应用程序接口(API),以实现数据的传输、接收、路由等功能。例如,Windows、Linux、macOS等。

  • 网络管理软件:这些软件用于监控和管理网络设备及其性能,确保网络的正常运行。例如,网管系统如SolarWinds、Nagios等可以用来监测网络流量、带宽使用情况、设备状态等。

  • 防火墙软件:防火墙软件用于监控和控制进出网络的流量,防止未经授权的访问。防火墙可以工作在多个层次(如网络层、传输层、应用层),并根据规则过滤数据包。

  • 网络协议栈:网络协议栈是一组用于网络通信的标准协议软件,它包括了TCP/IP协议栈及其各层协议(例如TCP、UDP、IP、ARP等)。操作系统通常会内置网络协议栈,确保网络设备能够按照标准协议进行数据交换。

  • 路由协议和交换协议:用于动态计算和选择数据包的最佳路径。常见的路由协议包括RIP、OSPF、BGP等;交换协议如Ethernet用于局域网内部的数据交换。

  • 应用层软件:应用程序如网页浏览器(Chrome、Firefox等)、邮件客户端(Outlook、Thunderbird等)等,都是计算机网络的组成部分,通过这些应用程序,用户可以利用网络进行通信和数据传输。


3. 计算机网络的协议组成

协议是计算机网络中的规则和约定,定义了设备之间如何通信、数据如何传输和处理。网络协议可以分为不同的层次,通常使用分层模型(如OSI模型或TCP/IP模型)来组织协议。

主要协议组成:
  • 应用层协议:用于应用程序之间的通信。常见的应用层协议包括:

    • HTTP/HTTPS:用于网页浏览。
    • FTP:文件传输协议,用于文件上传、下载。
    • SMTP/IMAP/POP3:用于电子邮件的发送和接收。
    • DNS:域名系统,用于将域名解析为IP地址。
  • 传输层协议:确保数据的可靠传输和顺序控制。常见的传输层协议有:

    • TCP:传输控制协议,确保数据的可靠传输。
    • UDP:用户数据报协议,不保证数据可靠性,速度较快。
  • 网络层协议:负责数据包的路由和转发。常见的网络层协议有:

    • IP:互联网协议,用于为数据包分配地址和路由。
    • ICMP:互联网控制消息协议,用于发送错误报告和诊断信息。
  • 数据链路层协议:负责物理传输媒体上的数据帧传输。常见的协议有:

    • Ethernet:用于局域网内的数据传输。
    • PPP:点对点协议,用于通过串行链接进行数据传输。
  • 物理层协议:规定了设备如何通过物理媒体传输信号。包括电气标准、传输速率等。


计算机网络的组成总结

组成部分 主要内容
硬件组成 计算机、路由器、交换机、集线器、调制解调器、网关、网络接口卡、无线接入点、传输介质等
软件组成 操作系统、网络管理软件、防火墙、网络协议栈、路由协议、应用程序、网络安全工具等
协议组成 网络协议(TCP/IP协议栈)、传输层协议(TCP/UDP)、应用层协议(HTTP/FTP)、网络层协议(IP)、数据链路层协议(Ethernet)等

资源子网和通信子网

特性 通信子网 资源子网
主要功能 负责数据的传输、路由和交换,确保数据从源到目的地传递。 负责提供各种资源和服务(如计算资源、存储、打印等)。
组成设备 路由器、交换机、调制解调器、传输介质等。 服务器、工作站、存储设备、外设等。
目标 提供数据传输通道,确保数据在不同节点之间的可靠传递。 提供存储、计算和网络服务等资源,供终端设备使用。
关键协议 IP、TCP/UDP、Ethernet等。 HTTP/HTTPS、FTP、NFS、SQL等。
通信方向 提供通信路径和数据交换,保证数据能够到达目的地。 提供资源和服务,响应请求的用户或应用程序。

交换技术

1. 电路交换

定义:电路交换是一种在两个通信设备之间建立专用通路的交换方式。在通信会话期间,这条路径被独占使用,即使实际的通信数据传输量较低。电话交换机。

过程

  • 连接建立:在通信开始之前,系统会先在源节点和目标节点之间建立一条专用的电路。这条电路在通信过程中会保持连接状态。
  • 数据传输:建立连接后,数据可以在源和目标之间连续传输,路径中的所有资源(如带宽)被独占使用。
  • 连接释放:通信结束后,电路会被释放,以供其他通信会话使用。

特点

  • 实时传输:由于通路是专用的,电路交换适合语音通话等需要实时传输的应用。
  • 固定带宽:整个通信过程中带宽是固定的,不会受到其他通信的影响。
  • 低效率:如果通信两端长时间没有数据传输,带宽仍被占用,造成资源浪费。

2. 报文交换

定义:报文交换是一种将完整报文从发送端发送到接收端的交换方式。每个报文独立传输,通过网络中各个节点的存储和转发机制到达目的地。

过程

  • 报文生成:发送端生成一个完整的报文,并将其发送到网络。
  • 存储和转发:网络中的每个节点接收整个报文,存储到内存中,然后查找转发表,将报文转发到下一个节点。
  • 报文到达:报文经过多个节点后,最终到达接收端。

特点

  • 高延迟:由于每个节点需要存储和转发完整报文,传输延迟较大。
  • 灵活性高:不同报文可以选择不同的路径,网络利用率较高。
  • 可靠性高:如果某条路径发生故障,报文可以选择其他路径继续传输。

3. 分组交换

定义:分组交换是一种将数据分割成较小的“分组”进行传输的技术。每个分组独立传输,并可以通过不同路径到达接收端,最终在目的地重新组装成完整的数据。

过程

  • 分组:发送端将数据拆分成多个小分组,每个分组都带有目的地地址和序列号。
  • 转发:每个分组独立通过网络传输,路由器和交换机根据网络情况选择最佳路径。
  • 重组:接收端根据分组的序列号将它们重新组装成完整的报文或数据。

特点

  • 高效率:网络资源按需分配,多个通信会话可以共享同一条路径的带宽。
  • 低延迟:数据分组小,节点处理和转发的速度快。
  • 可靠性高:如果某条路径拥堵或故障,分组可以选择不同路径绕过。
  • 分组丢失和重传:由于不同路径会导致分组到达顺序混乱或丢失,接收端需要重新排序和可能的重传机制。可能出现失序,丢失作用。

应用场景

  • 现代互联网:TCP/IP 协议中数据包的传输就是基于分组交换的。
  • 移动通信:如 4G、5G 网络,使用分组交换来传输数据和多媒体流。

总结与对比

特性 电路交换 报文交换 分组交换
连接建立 需要预先建立专用通路 无需专用连接,逐个节点转发 无需专用连接,逐个分组独立传输
实时性 适合实时通信(如电话) 延迟较高,不适合实时通信 延迟低,适合实时和非实时应用
带宽利用 固定带宽,不灵活 高利用率,但有存储和转发延迟 动态带宽分配,高利用率
可靠性 路径中断导致通信中断 较高,节点失败时可选其他路径 较高,路径故障时分组绕过
典型应用 电话网络 早期电报系统,军事通信 互联网,现代数据通信

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计算机网络的分类

按分布范围分类

  • 广域网(WAN):覆盖范围非常广,可以跨越城市、国家甚至是全球。用于连接远距离的局域网或城域网。
  • 城域网(MAN):覆盖范围是一个城市或区域,连接多个局域网,通常由电信公司或互联网服务提供商运营。可以归为局域网-
  • 局域网(LAN):覆盖范围较小,如一个办公室、建筑物或校园。具有较高的数据传输速度,常用于公司内部通信。通过路由器接入广域网,使用以太网技术实现。
  • 个域网(PAN):覆盖范围最小,通常在几米范围内,用于个人设备之间的连接,如蓝牙和红外通信,zigbee。小米智能网关。

按传输技术分类

  • 广播式网络:网络中所有节点共享通信介质,数据包广播到网络中的所有设备,常用于局域网。
  • 点对点网络:由节点之间的点对点连接组成,数据只在发送节点和接收节点之间传输。常见于广域网。

按拓扑结构分类

  • 总线型:所有设备共享一条公共通信线路,设备之间通过总线进行通信。“广播式”传输,存在“总线争用”问题
  • 环形:设备连接成一个闭环,数据沿着环路单向或双向传输。“广播式”传输。
  • 星形:所有设备通过一个中心节点(如交换机或集线器)连接,中心节点控制数据流动。不存在“总线争用”问题
  • 网状:每个节点与其他节点直接连接,提供了冗余路径,具有高可靠性和容错性。众多路由器组成

按使用者分类

  • 公网:面向大众开放的网络,如互联网,用户可以*接入。
  • 专用网:用于特定机构或公司内部,提供高度的安全性和控制。

按传输介质分类

  • 有线网络:使用物理电缆传输数据,如以太网、光纤。
  • 无线网络:通过无线电波、红外线、微波等进行数据传输,如Wi-Fi、蓝牙、卫星通信。

性能指标

速率(Rate)

  • 定义:速率是指数据在通信链路上传输的速度,通常称为数据传输速率比特率(Bit Rate)。
  • 单位:常用单位是bps(bit per second),即每秒传输的比特数。高传输速率意味着更快的通信。例如,100 Mbps 表示每秒可以传输 100 百万比特的数据。

带宽(Bandwidth)

  • 定义:带宽是网络在单位时间内能够传输的最大数据量,是通信链路或网络的容量。它决定了数据传输的上限。
  • 单位:通常以bps(如 Mbps、Gbps)为单位。
  • 说明:带宽可以视为高速公路的车道数量。车道越多,理论上能通过的车辆(数据)就越多。注意,带宽不等于实际速率,而是理论上的最大值。

吞吐量(Throughput)

  • 定义:吞吐量是指网络在单位时间内实际传输的数据量。
  • 单位:以bps或更大的单位(如 MBps)表示。
  • 说明:吞吐量是带宽的实际利用情况。虽然某个网络可能有高带宽,但由于信号干扰、网络拥塞或其他原因,实际吞吐量可能会低于带宽。例如,一个带宽为 100 Mbps 的网络可能只有 80 Mbps 的实际吞吐量。

时延(Latency)

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  • 定义:时延是指数据从网络中的一个节点传输到另一个节点所需要的时间。它由四个部分组成:
    • 传播时延(发送时延):信号在物理介质中传播的时间,通常与传播速度(如光速)和传播距离有关。内容除以发送速率
    • 传输时延:发送数据帧所需的时间,与数据帧的大小和传输速率相关。信道长度除以传播速度
    • 处理时延:路由器或交换机处理数据包所需的时间。
    • 排队时延:数据包在路由器或交换机队列中等待传输的时间。
  • 单位:通常以**毫秒(ms)微秒(μs)**表示。
  • 解释:时延影响网络的响应速度,对实时应用(如视频通话、在线游戏)至关重要。时延越小,用户体验越好。

时延带宽积(Bandwidth-Delay Product, BDP)

  • 定义:时延带宽积是网络带宽与时延的乘积,表示在时延时间内可以填满网络路径的最大数据量。
  • 公式 时延带宽积 = 带宽 × 传播时延 \text{时延带宽积} = \text{带宽} \times \text{传播时延} 时延带宽积=带宽×传播时延
  • 单位:通常以**比特(bits)**表示。
  • 解释:时延带宽积表明了网络中“在途数据”的数量。例如,带宽为 1 Gbps、时延为 100 ms 的网络,其时延带宽积为 100 Mb,这意味着在任意时间点上,有 100 Mb 的数据在路径中传输。高时延带宽积的网络(如卫星通信)需要足够大的发送窗口以确保带宽不被浪费。用于设计最短帧长

往返时延(Round Trip Time, RTT)

  • 定义:往返时延是指数据包从发送端到达接收端并返回发送端所需的时间。
  • 单位:通常以**毫秒(ms)**为单位。
  • 说明:RTT 是网络时延的一个重要指标,直接影响传输协议(如 TCP)的性能。例如,当 RTT 很高时,TCP 的确认机制可能会影响到数据的整体传输速度。注意图中的开始时间与结束时间
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信道利用率(Channel Utilization)

  • 定义:信道利用率是指信道被实际利用的程度,表示传输信道有效传输数据的时间比例。
  • 公式 信道利用率 = 有效数据传输时间 总传输时间 \text{信道利用率} = \frac{\text{有效数据传输时间}}{\text{总传输时间}} 信道利用率=总传输时间有效数据传输时间
  • 解释:如果信道利用率接近 100%,表示信道在高效工作,但过高的利用率可能导致网络拥堵和性能下降。过低的利用率则意味着资源未被充分利用。