计算机网络概述

写在前面

一般认为，计算机网路是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接在一起，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。简言之，计算机网络就是一些互联的、自治的计算机系统的集合。

一、计算机网络

在计算机的不同发展阶段，网络有不同的定义，这些定义反映了当时网络技术的发展水平。分为三类：

1. 广义观点

   广义观点认为，只要是能实现远程信息处理的系统或能进一步达到资源共享的系统，，都是计算机网络。

2. 资源共享观点

   资源共享观点认为，计算机网络是“以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。这个定义符合目前计算机网络的基本特征。

3. 用户透明性观点

   这种观点认为，存在一个能为用户自动管理资源的网络操作系统。它能够调用用户所需要的资源，而整个网络就像是一个大的计算机系统一样对用户是透明的。用户透明性观点的定义描述了一个分布式系统，它是网络未来发展追求的目标。

二、计算机网络的组成

从不同的角度，可以将计算机网路的组成分为以下几类：

1. 从组成部分上来看，一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议散发部分组成。硬件主要由主机（端系统）、通信链路（如双绞线、光纤）、交换设备（如交换机、路由器）和通信处理机（如网卡）等组成。软件主要包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件。软件部分多属于应用层。协议是计算机网络的核心。
2. 从工作方式看，计算机网络可分为边缘部分和核心部分。边缘部分由所有连接到因特网上、供用户使用的端系统组成，用来进行通信和资源共享。核心部分由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供连通性和交换服务。
3. 从功能组成上看，计算机网络由通信子网和资源子网构成。通信子网由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，它使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信。资源子网是实现资源共享功能的设备及其软件的集合，向用户提供共享其他其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

三、计算机网络的功能

计算机网路的功能很多，现如今的很多应用都与网络有关。主要有下面5个部分。

1. 数据通信

   它是计算机网络最基本也是最重要的功能，用来实现联网计算机之间的各种信息的传输，并将分散在不同地理位置的计算机联系起来，进行统一的调配、控制和管理。

2. 资源共享

   资源共享可以是软件共享、数据共享，也可以是硬件共享。使计算机网络中的资源互通有无，分工协作，从而极大地提高了硬件资源、软件资源和数据资源的利用率

3. 分布式处理

   当计算机网络中的某个计算机负荷过重时，可以将其处理的某个复杂的任务分配给网络中的其他计算机系统，从而利用空闲资源以提高整个系统的利用率

4. 提高可靠性

   计算机网络中的各台计算机通过网络互为替代机

5. 负载均衡

   将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各台计算机。

四、计算机网络的分类

1. 按分布范围分：

   1) 广域网（WAN）。任务是提供长距离通信，运送主机所发送的数据。

   2）城域网（MAN）。城域网的覆盖范围可以跨越几个街区甚至几个城市，大多采用以太网技术。

   3）局域网（LAN）。局域网一般用微机或工作站通过高速线路相连，覆盖范围较小。传统上，局域网使用广播技术，而广域网使用交换技术。

   4）个人局域网（PAN）。在个人工作的地方将消费电子设备用无线技术连接起来的网络。

2. 按传输技术分：

   1）广播式网络。所有联网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他的计算机都会“收听”到这个分组。接收到该分组的计算机将通过检查目的地址来决定是否接收该分组。

   局域网基本上都采用广播式通信技术，广域网中的无线，卫星通信网络也采用广播式通信技术。

   2）点对点网络。每条物理线路连接一对计算机。如果通信的两台计算机之间没有直接连接线路，那么它们之间的分组传输就要通过中间结点的接收、存储和转发，直至目的结点。

   是否采用分组存储转发与路由选择机制是点对点网络与广播式网络的重要区别，广域网基本都属于点对点网络。

3. 按拓扑结构分:

   网络拓扑结构是指由网中结点（路由器、主机等）与通信线路（网线）之间的几何关系表示的网络结构，主要指通信子网的拓扑结构。

   按网络的拓扑结构，主要分为星形、总线形、环形和网状形网络等。星形、总线形和环形网络多用于局域网，网状网络多用于广域网。

   1）星形网络。每个终端或计算机都以单独的线路与中央设备相连。中央设备早期是计算机，现在一般是交换机或路由器。星形网络便于集中控制和管理，因为端用户之间的通信必须通过中间设备。缺点是成本高，中心节点对故障敏感。

   2）总线形网络。用单根传输线将计算机连接起来。总线形网络的优点是建网容易，增减节点方便，节省线路。缺点是重负载时通信效率不高，总线任意一处对故障敏感。

   3）环形网络。所有计算机接口设备连接成一个环。环形网络最典型的例子是令牌环局域网。环可以是单环，也可以是双环，环中信号是单向传输的。

   4）网状网络。一般情况下，每个结点至少有两条路径与其他节点相连，多用于广域网中。有规则型和非规则型。其优点是可靠性高，缺点是控制复杂，线路成本高。

4. 按使用者分:

   1）公用网。指电信公司出资建造的大型网络。

   2）专用网。指某个部门为了满足本单位特殊业务的需要而建造的网络，这种网络不对单位以外的人开放。

5. 按交换技术分：

   1）电路交换网络。在源结点和目的结点之间建立一条专用的通路用于传送数据，包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。最典型的电路交换网络是传统电话网络。

   该类网络的主要特点是整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像是在一条管道中传送。优点是数据直接传送，时延小。缺点是线路利用率低、不能充分利用线路容量，不便于进行差错控制。

   2）报文交换网络。用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息，然后封装成报文。整个报文传送到相邻结点全部存储后，再转发到下一个结点，重复这一过程直到到达目的结点。每个报文可以单独选择到达目的结点的路径。

   报文交换网络也称存储-转发网络，主要特点是整个报文先传送到相邻结点，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点。优点是可以较为充分的利用线路容量，可以实现不同链路之间不同数据率的转换，可以实现格式转换，可以实现一对多，多对一的访问，可以实现差错控制。缺点是增大了资源开销，增加了缓冲时延，需要额外的控制机制来保证多个报文的顺序不乱序，缓冲区难以管理。

   3）分组交换网络。也称包交换网络。其原理是将数据分为较短的固定长度的数据块，在每个数据块中加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组（包），以存储-转发方式传输。

   其主要特点是单个分组传送到相邻结点，存储后查找转发表，转发到下一个结点。除具备报文交换网络的优点外，分组交换网络还具有自身的优点：缓冲易于管理；包的平均时延更小，网络占用的平均缓冲更少；易于标准化；更适合应用。现在的主流网络基本上都可视为分组交换网络。

6. 按传输介质分：

   传输介质可分为有线和无线两大类，故网络可分为有线网络和无线网络。有线网络又分为双绞线网络，同轴电缆网络等。无线网络可分为蓝牙、微波、无线电等。

五、计算机网络的的性能指标

性能指标从不同的方面来度量计算机网络的性能。

1. 速率

   速率是数据的传送速率，它也称为数据率或比特率。

2. 带宽

   本来表示某个信号具有的频带宽度，单位是赫兹（Hz），而在计算机网络分钟，带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，单位是比特/秒（b/s）

3. 吞吐量

   也称为吞吐率，表示单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

4. 时延

   时延是指一个数据（一个报文或分组，甚至比特）从网路（或链路）的一端传送到另一端所需要的时间。时延有时称为延迟或迟延。

   1）发送时延，是主机或路由器将分组发送到通信线路上所需要的时间。

   ​ 发送时延=分组长度/发送速率

   2）传播时延，是电磁波在信道中传播需要一定的距离而花费的时间。

   ​ 传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率

   3）处理时延，主机或路由器收到分组时要花费一定的时间进行处理，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适当的路由等，这就产生了处理时延。

   4）排队时延，分组在进入路由器后要先在输入队列在排队等待处理。路由器确定转发端口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。

   这样，分组从一个结点转发到另一个结点转发到另一个结点所经历的时延就是以上4种时延之和。

   ​ 总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

5. 丢包率

   即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，分组在传输过程中丢失的分组数量和总的分组数量的比率。

   分组丢失的两种情况：一是因为传输过程中出现比特级差错被结点丢弃。二是因为分组交换机队列溢出。

6. 利用率

   令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前时延，那么在适当的假定条件下，利用率可表示为：D=D0/1-U。

   信道或网络利用率过高会产生非常大的时延。

7. 时延带宽积

   指发送端连续发送数据且发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出的比特数，即时延带宽积=传播时延*信道带宽。

The End