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君子可内敛而不可懦弱,面不公可起而论之。
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第一章 概述

本章重点#

(1)基于存储转发技术的分组交换方式。

(2)计算机网络的一些重要性能指标(带宽、时延、往返时间、利用率等)。

(3)计算机网络的体系结构及其相关术语。

1.1 信息时代的计算机网络#

1.1.1 计算机网络的各类应用#

1.1 常见的计算机网络应用

1.1 常见的计算机网络应用

1.2 计算机网络带来的负面影响

1.2 计算机网络带来的负面影响

1.2 因特网概述#

1.2.1 网络、互联网和因特网#

1. 网络#

  • 网络(Network) 是由若干节点(Node) 和连接这些节点的链路(Link) 组成的,如图 1.3 所示。网络中的节点可以是计算机(笔记本电脑,台式电脑,服务器等)、网络互联设备(集线器、交换机、路由器等)、其他具有网络功能的设备(网络打印机、网络摄像头、物联网设备等)。网络中的链路可以是有线链路,也可以是无线链路。
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2. 互联网#

  • 互联网(Internet) 是由 ** 若干网络 ** 和连接这些网络的 路由器 组成的。若忽略互联连节,则可将互联网看做一个覆盖范围更大的网络,因此也可称其为 “网络的网络(Network of Networks)”。

3. 因特网#

  • 连接在因特网上的各种通信设备(如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、服务器、网络打印机等)称为 主机(Host) ,而 路由器 是用于网络互联的专用设备,一般不称其为主机。
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  • 综上所述,我们可以将网络,互联网,因特网的区别和关系总结如下:
       若干节点和链路互连形成网络,而若干网络通过路由器互连形成互联网,因特网是当今世界上最大的互联网
  • 注意
    • internet 的意思是互联网,是一个通用名词,泛指由多个计算机网络互连而成的网络,在这些网络之间可以使用任意的通信协议作为通信规则。
    • Internet 的意思是因特网,是一个专用名词,专指当前全球最大的、最开放的、由众多网络和路由器互连而成的特定计算机网络。在这些网络之间必须使用 TCP/IP 协议族作为通信规则。

1.2.2 因特网的发展历程#

1. 因特网发展的三个阶段#

第一阶段 (1969 年)

  • 第一个分组交换网 ARPANET 成立,从单个网络 ARPANET 向互联网发展。
  • 七十年代中期,研究多种网络的互连。
  • 1983 年,TCP/IP 协议成为 ARPANET 的标准协议,标志着因特网的诞生。

第二阶段 (1985 年)

  • 1985 年,NSF 围绕六个大型计算机中心建设 NSFNET(主干网、地区网和校园网)。
  • 1990 年,ARPANET 任务完成,正式关闭。
  • 1991 年,美国政府将因特网主干网交给私人公司经营,并开始对接入因特网的单位收费。

第三阶段 (1993 年)

  • 1993 年,NSFNET 逐渐被若干个商用因特网主干网替代;政府机构不再负责因特网运营,由各种因特网服务提供商 ISP 来运营。
  • 1994 年,万维网 www 技术促使因特网迅猛发展。
  • 1995 年,NFNET 停止使用,因特网彻底商业化。

因特网服务提供商 ISP

2. 因特网的标准化工作#

因特网的标准化工作对其发展起到重要作用,其制定标准的一个重要特点是面向公众。因特网协会 ISO C 是国际性组织,负责全面管理因特网并促进其在全球范围内的发展和使用。因特网的正式标准制定经历以下四个阶段:

  1. 因特网草案(尚未成为 RFC 文档)。
  2. 建议标准(从这个阶段开始成为 IFC 文档)。
  3. 草案标准
  4. 因特网标准

3. 因特网的组成#

边缘部分
  由所有连接在因特网上的主机组成。这部分用于用户直接进行通信(传送数据、音频和视频)和资源共享。
核心部分
  包含大量网络和连接,这些网络的路由器构成核心部分,为边缘部分提供服务(提供连通性和交换)。

1.3 三种交换方式#

电路交换 (Circuit Switching)#

  • 通过电话交换机连接电话线路的方式称为电路交换。
  • 从通信资源分配角度来看,交换是动态分配传输线路资源的一种方式。
  • 电路交换包括三个步骤:
    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)。

电路交换

  • 在传送计算机数据时,电路交换的线路传输效率通常较低。

分组交换 (Packet Switching)#

  • 发送方:构造、分组、发送分组。
  • 路由器:缓冲分组、转发分组。
  • 接收方:接收分组,还原报文。

分组交换

电路交换、报文交换、分组交换的对比#

三种交换方式的对比

1.4 计算机网络的定义和分类#

1 计算机网络的定义#

  • 计算机网络的确切定义并没有统一标准。

  • 最简单的定义是:计算机网络是一组互相连接自治的计算机的集合

    • 互联:指计算机通过有线或无线方式进行数据通信。
    • 自治:指独立的计算机,拥有自己的硬件和软件,能够独立运行和使用。
  • 更精确的定义是:计算机网络主要由通用的、可编程硬件互连而成,这些硬件并非专门用于实现特定目的(如传送数据或视频信号)。这些可编程硬件可以传输多种类型的数据,支持广泛和不断增长的应用。

    • 计算机网络连接的硬件不仅限于一般计算机,还包括智能手机等智能硬件。
    • 计算机网络不仅用于传送数据,还能支持多种应用(包括未来可能出现的各种应用)。

2 计算机网络的分类#

  • 按交换技术分类:

    • 电路交换网络
    • 报文交换网络
    • 分组交换网络
  • 按使用者分类:

    • 公用网
    • 专用网
  • 按传输介质分类:

    • 有线网络
    • 无线网络
  • 按覆盖范围分类:

    • 广域网 (WAN)
    • 城域网 (MAN)
    • 局域网 (LAN)
    • 个域网 (PAN)
  • 按拓扑结构分类:

    • 总线型网络
    • 星型网络
    • 环形网络
    • 网状型网络

1.5 计算机网络的性能指标#

  • 计算机网络的性能可以从多个方面进行衡量,常用的性能指标有以下八个:

1. 速率#

  • 比特是计算机中数据量的单位,也是信息论中信息量的单位。一个比特就是一个二进制数字中的一个 1 或 0。
  • 速率是指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。

速率

2. 带宽#

  • 在模拟信号系统中,带宽表示信号中各种不同频率成分所占据的频率范围。单位:Hz(KHz, MHz, GHz)。
  • 在计算机网络中,带宽表示网络通信线路传送数据的能力,即单位时间内从一点到另一点的 “最高数据传输率”
  • 事实上,” 带宽” 的这两种表述之间有着密切的联系。一条通信线路的” 频带带宽” 越宽其所传输数据的” 最高数据率” 也越高。

3. 吞吐量#

  • 吞吐量表示单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量
  • 吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制

4. 时延#

  • 从数据开始进入网络到其到达目的地所经历的时间。

时延

  • 速率、带宽、吞吐量和时延

总结

5. 时延带宽积#

  • 时延带宽积 = 传播时延 x 带宽
  • 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。
  • 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

6. 往返时间 (RTT)#

  • 信息在因特网上双向传输时所经历的时间(Round-Trip Time),也是一个重要的性能指标。

往返时间

7. 利用率#

  • 信道利用率表示某信道被利用的时间比例;
  • 网络利用率是全网络信道利用率的加权平均。

利用率

8. 丢包率#

  • 传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率,反映网络拥塞情况。
  • 丢包率具体可分为不同类型,包括接口丢包率、节点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等。
  • 分组的丢失主要有两种情况:
    1. 分组在传输过程中出现误码,被节点丢弃:在传输过程中,分组可能因为噪声、干扰等原因而出现错误,这些错误会导致节点在接收时无法正确解码分组,因此被丢弃。
    2. 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃:如果传输速率超过了交换机的处理能力,传入的分组可能会在交换机的缓冲区排队等待处理。如果缓冲区已满,新的分组就会被丢弃。在高通信负载下,这种情况可能导致网络拥塞。
  • 丢包率能够反映网络的拥塞程度,不同丢包率对应不同的拥塞情况:
    • 无拥塞时路径丢包率为 0。
    • 轻度拥塞时路径丢包率为 1% 到 4%。
    • 严重拥塞时路径丢包率为 5% 到 15%。
  • 时延带宽积、往返时间、利用率和丢包率

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