计算机网络、互连网、互联网

计算机网络

        一个将众多分散的、自治的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统，称为“计算机网络”。

集线器：

• 可以把多个节点连接起来，组成一个计算机网络
• 存在数据冲突问题，造成卡顿情况

交换机：

• 可以把多个节点连接起来，组成一个计算机网络
• 不存在数据冲突问题
• 家庭、公司、学校通常用交换机组建内部网络

互连网

        把两个或者多个计算机网络相互连接起来，形成规模更大的计算机网络，称为“互连网”。

路由器：

• 可以把两个或多个计算机网络连接起来，组成一个互连网

家庭内部网络：

注意：计算机网络中的“路由器”与“家用路由器”有区别，家用路由器 = 路由器 + 交换机 + 其他功能

互联网（因特网）

        由各大ISP和国际机构自建的，覆盖全球范围的互连网，称为“互联网”。

注意：互联网必须使用 TCP/IP 协议通信，互连网可使用任意协议通信

计算机网络的组成

（1）从组成部分来看

（2）从工作方式来看

（3）从逻辑功能来看

计算机网络的功能

电路交换、报文交换、分组交换

优缺点分析

1、电路交换

优点：

• 通信前从主叫端到被叫端建立一条专用的物理通路，在通信的全部时间内，两个用户始终占用端到端的线路资源。数据直达，传播速率高。因此，电路交换适用于低频次、大量的传输数据。

缺点：

• 建立/释放连接，需要额外的时间开销
• 线路被通信双方独占，利用率低
• 线路分配的灵活性差
• 交换节点不支持“差错控制”（无法发现传输过程中发生的数据错误）

2、报文交换

优点：

• 通信前无需建立连接
• 数据以报文为单位被交换节点间进行存储转发，通信线路可以灵活分配
• 在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理路线
• 相比于电路交换，线路利用率高
• 交换节点支持“差错控制” （可以检验报文数据是否存在错误）

缺点：

• 报文不定长，不方便存储转发管理
• 长报文的存储转发时间开销大，缓存开销大
• 报文容易出错，重传代价高

3、分组交换 

        在报文交换的基础上进行改进，将不定长报文拆分成定长的分组，数据传输后需要对分组进行排序合并。因此，需要记录源地址（始发位置）、目的地址（接收位置）、分组号（用于排序合并）。这些内容被记录在首部，每个分组数据都会包含一个首部。

 优点：

• 通信前无需建立连接
• 数据以报文为单位被交换节点间进行存储转发，通信线路可以灵活分配
• 在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理路线
• 相比于电路交换，线路利用率高
• 交换节点支持“差错控制” （可以检验报文数据是否存在错误）

相比于报文交换，分组交换进行了如下改进：

• 分组定长，方便存储转发管理
• 分组的存储转发时间开销小，缓存开销小
• 分组不易出错，重传代价低

缺点：

• 相比于报文交换，控制信息占比增加
• 相比于电路交换，依然存在存储转发时延
• 报文被拆分为多个分组，传输过程中可能出现失序、丢失等问题，增加处理的复杂度

4、虚电路交换

 性能分析

1、电路交换

2、报文交换

3、分组交换

计算机网络的分类

（1）按分布范围分类

广域网（WAN）

也称远程网。关于网提供长距离通信，通常是几十千米到几千千米的区域，比如跨国通信。连接关于网的各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量

城域网（MAN）

覆盖范围跨越几个街区甚至整个城市，覆盖范围约 5~50km，城域网大多采用以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围进行讨论

局域网（LAN）

范围几十米到几千米的区域。一般用微机或工作站通过高速线路相连。传统上，局域网使用广播技术,而广域网使用交换技术

个人局域网（PAN）

覆盖范围大约十米左右。指在个人工作的地方将消费电子设备（如平板电脑、智能手机等）用无线技术连接起来的网络，也常称为无线个人区域网（WPAN）

 记忆口诀：丸（wan）子大侠太野蛮（man），拦（lan）住厨子要菜盘（pan），说是此盘有神力，能让他把功夫传

（2）按传输技术分类

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，所有其他计算机都会收听到这个分组。接受到该分组的计算机将通过检查目的地之来决定是否接受该分组。所有无线网络都是“广播式”

点对点网络

数据只会从发送方“点对点”发到接收方，精准送达

例如：路由器转发的数据分组

（3）按拓扑结构分类

网络拓扑结构是指网络总的结点（路由器、主机等）于通信线路（网线）之间的几何关系（如总线形、环形）表示的网路结构，主要指通信子网的拓扑结构。

总线形

数据“广播式”传输，存在“总线争用”的问题

典型代表：集线器连接的设备

环形

数据“广播式”传输，通过“令牌”解决总线争用问题，令牌顺环形依次传递，拿到令牌者可使用总线

典型代表：令牌环网

星形

由中央设备实现数据的“点对点”传输，不存在“总线争用”问题

典型代表：以太网交换机连接的设备

网状

数据通过各中间节点逐一存储转发，属于“点到点”传输

典型代表：由众多路由器构建的广域网

（4）按使用者分类

公用网

向公众开放的网络

例如：办宽带、交手机话费即可使用的互联网

专用网

仅供某个组织内部使用的网络

例如：政府、军队、电力、银行的内部网络

（5）按传输介质分类

有线网络

例如：光纤、网线等

无线网络

例如：蓝牙、5G、WIFI等

计算机网络的性能指标

速率

表示数据传输（数据以二进制进行传输，即 0 和 1）的速率

速率单位：bit/s，或 b/s，或 bps （有时也会用 B/s）（1B = 8b，B = Byte 字节，b = bit 比特）

带宽

表示在单位时间（一般指的是 1 秒钟）内能传输的数据量，即最大的数据传输量

吞吐量

表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量，即某时刻的数据传输量

时延

总时延 = 发送时延(传输时延) + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

发送时延：又名传输时延,节点将数据推向信道所花费的时间
发送时延 = 数据长度(bit) / 发送速率(bit/s)

传播时延：电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间
传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波在信道中的传播速率(m/s)

处理时延：被路由器处理所花的时间(如:分析首部、查找存储转发表)

排队时延：数据排队进入、排队发出路由器所花的时间
受网络负载、路由器性能等诸多因素影响

信道：表示向某一方向传送信息的通道（信道≠通信线路），一条通信线路在逻辑上往往对应一条发送信道和一条接收信道

例题：

1、假设主机 A 和 B 之间的链路带宽为 100Mbps，主机 A 的网卡速率为 1Gbps，主机 B 的网卡速率为 10Mbps，主机 A 给主机 B 发送数据的最高理论速率为(      ）

A. 1Mbps      B.10Mbps      C.100Mbps      D. 1Gbps

结论：节点间通信实际能达到的最高速率，由带宽节点性能共同限制。

2、H1 给 H2 发送一个数据分组。分组大小=1000B，H1 往链路 A 发送数据的速率为 100Mbps，路由器往链路 B 发送数据的速率为 80Mbps。链路 A 传播时延为 0.01ms，链路 B 传播时延为0.05ms。不考虑路由器的处理时延、排队时延，求传输整个分组的总时延。

总时延=传播时延+发送时延
发送时延A=1000B/100Mbps=1000×8bit/100×1000000bps=0.00008s=0.08ms;
发送时延 B=1000B/80Mbps=0.1ms
总时延=0.01ms+0.05ms+0.08ms+0.1ms=0.24ms

时延带宽积

一条链路中，已从发送端发出，但尚未到达接收端的最大比特数

时延带宽积 = 传播时延 × 信道带宽

例题：

1、在下图所示的分组交换网络中，主机 H1 和 H2 通过路由器互连，2段链路的带宽均为100Mbps、时延带宽积（即单向传播时延×带宽）均为 1000bit。若 H1 向 H2 发送 1 个大小为 1MB 的文件，分组长度为 1000B，则从 H1 开始发送时刻起到 H2 收到文件全部数据时刻止，所需的时间至少是(      )。

A. 80.02ms      B. 80.08ms      C.80.09ms      D. 80.10ms

总共有多少个分组=1MB/1000B=1000
传播时延=时延带宽积/带宽=0.01ms
一个分组发送时延=1000B/100Mbps=0.08ms

总时间=0.08ms×1000+0.08ms+0.01ms+0.01ms=80.10ms

2、在下图所示的采用“存储-转发”方式的分组交换网络中，所有链路的数据传输速率为 100Mb/s，分组大小为 1000B，其中分组头大小为 20B。若主机 H1 向主机 H2 发送一个大小为 980000B 的文件，则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，从 H1 发送开始到 H2 接收完为止，需要的时间至少是(      )

A.80ms      B.80.08ms      C. 80.16ms      D. 80.24ms

总共有多少个分组=980000B/(1000B-20B)=1000
一个分组发送时延=1000B/100Mbps=0.08ms

总时间=0.08ms×1000+0.08ms+0.08ms=80.16ms

往返时延（RTT）

表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间

往返时延 RTT = t2 + t3 + t4 + t5
t2：“数据”的单向传播时延
t3：接收方收到数据后的处理时延
t4：“确认”的发送时延
t5：“确认”的传播时延(通常 t5 与 t2 相等)
t1：发送方发送数据的发送时延(不计入 RTT)

信道利用率

某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的

信道利用率 = 有数据通过的时间 / (有数据通过的时间 + 没有数据通过的时间)

利用率低会浪费带宽资源

利用率太高可能导致网络拥塞

计算机网络体系结构与参考模型

OSI 七层模型，是一种用于描述计算机网络通信过程的标准化体系结构。这个模型由国际标准化组织（ISO）在20世纪80年代制定，旨在指导网络协议的设计、实现和互操作性，以便不同厂商的设备能够相互通信。

TCP/IP 协议是我们程序员接触最多的协议，实际上，TCP/IP 又被称为 TCP/IP 协议簇，它并不特指单纯的 TCP 和  IP 协议，而是容纳了许许多多的网络协议。

OSI 七层模型只是一种参考标准，而 TCP/IP 四层模型是在 OSI 模型之后，根据互联网的需求而发展起来的。

网络的体系结构(Network Architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义（不涉及实现）。实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题。

体系结构是抽象的，而实现则是具体的。

实体：在计算机网络的分层结构中，第 n 层中的活动元素（软件+硬件）通常称为第 n 层实体。
不同机器上的同一层称为对等层，同一层的实体称为对等实体。

协议：即网络协议(Network Protocol)，是控制对等实体之间进行通信的规则的集合，是水平的。

接口：即同一节点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，又称为服务访问点。

服务：服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用，它是垂直的。

协议数据单元(PDU)：对等层次之间传送的数据单位。第 n 层的 PDU 记为 n-PDU

服务数据单元(SDU)：为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据。第 n 层的 SDU 记为 n-SDU

协议控制信息(PCI)：控制协议操作的信息。第 n 层的 PCI 记为 n-PCI

三者的关系为 n-SDU + n-PCl = n-PDU = (n-1)-SDU

协议由语法、语义和同步三部分组成（协议的三要素）：

语法（需要什么样的数据）：数据与控制信息的格式。例如，协议控制信息(首部)部分占几个字节、每个字节是什么含义；协议的数据部分最多有多少字节。

语义（进行什么操作）：即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答。例如，协议中需要明确规定：发送方发完数据后，接收方是否需要“应答”，以及“应答”的种类有哪些（如：传输成功、传输失败）

同步(或时序)（按照什么顺序）：执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。例如，发送方发完数据后，接收方需要立即应答。如果发送方在10秒内未收到“传输成功”应答，则发送方会再次发送数据。

OSI 参考模型

OSI模型的低三层可以看成是通信子网，主要负责的功能是数据通信
OSI模型的高三层可以看成是资源子网，主要负责处理传输来的数据
而中间的传输层,起到的是承上启下的作用。

像我们常用的网络设备，集线器、交换机、路由器都是通过物理传输媒体（网线、光纤）来实现和主机设备的链接的。而他们也是具备功能和层次的。

 物理层任务：实现相邻节点之间比特（0或1）的传输

1. 需定义电路接口参数（如：形状、尺寸、引脚数等）
2. 需定义传输信号的含义、电气特征（如：5v表示1,1v表示0;每比特电信号持续时间0.1ms）

链路层任务：确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错

1. 差错控制：检错+纠错；或检错+丢弃+重传
2. 流量控制：协调两个结点的速率

网络层任务：把“分组”从源结点转发到目的结点

1. 路由选择：构造并维护路由表，决定分组到达目的节点的最佳路径
2. 分组转发：将“分组”从合适的端口转发出去
3. 拥塞控制：发现网络拥塞，并采取措施缓解拥塞
4. 网际互联：实现异构网络互联
5. 其他功能：差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理 

传输层任务：实现端到端通信即实现进程到进程的通信，“端”指“端口”

1. 复用和分用：发送端几个高层实体复用一条低层的连接，在接收端再进行分用
2. 其他功能：差错控制、流量控制、连接建立与释放、可靠传输管理

在网络中，重点关注的就是网络层和传输层

网络层典型的协议就是 IP 协议，传输层典型的协议就是 TCP 协议

应用层任务：实现特定的网络应用

• 功能繁多，根据应用需求设计

表示层任务：解决不同主机上信息表示不一致的问题

• 主要功能：数据格式转换（如编码转换、压缩/解压、加密/解密）

会话层任务：管理进程间会话

• 主要功能：会话管理（采用检查点机制，当通信失效时从检查点继续恢复通信）

TCP/IP 模型

TCP/IP的理念：并不是所有网络应用都需要数据格式转换、会话管理功能，如果某些应用需要数据格式转换、会话管理功能，就交给应用层的特定协议去实现。网络硬件种类聚多，不应该有过多限制，这样会影响网络硬件的更新和发展，因此在 TCP/IP 模型当中对应了网络接口层。

网络接口层的主要任务：实现相邻结点间的数据传输（为网络层传输“分组”）。但具体怎么传输不作规定，这使得 TCP/IP 网络体系结构具有更强的灵活性、适应性。

TCP/IP模型与OSI模型最大的区别

TCP 协议的特点和可靠性

TCP(Transmission Control Protocol)是一种面向连接的、可靠的传输协议，它在数据传输过程中提供了多种机制以保证数据的可靠性和有序性。以下是TCP协议的特点和可靠性方面的说明：

特点：

1. 面向连接：TCP 在数据传输前需要建立连接，通过三次握手确保发送方和接收方都准备好进行通信。连接的建立和关闭通过握手和挥手过程来完成。
2. 可靠性：TCP 通过多种机制确保数据的可靠传输，包括确认、重传、流量控制和拥塞控制等。
3. 全双工通信：TCP 允许双方同时进行发送和接收，实现全双工通信。
4. 头部开销：TCP 的头部较大，包含序列号、确认号、窗口大小等信息,可能增加网络传输开销。

可靠性：

TCP协议通过以下机制保证数据的可靠性：

1. 确认和重传：接收方收到数据后会发送确认（ACK）给发送方，如果发送方在一定时间内未收到确认，会进行数据重传。
2. 流量控制：接收方使用滑动窗口机制来告诉发送方可接收的数据量，避免过多的数据拥塞接收方的缓冲区。
3. 拥塞控制：发送方根据网络的拥塞情况来动态调整发送速率，避免造成网络拥塞。
4. 有序性：接收方根据序列号重新组装数据，保证数据在接收端按照正确的顺序呈现。
5. 超时重传：如果发送方在一定时间内未收到确认，会认为数据可能丢失，触发数据的重传。

总的来说，TCP 协议的可靠性使其适用于需要保证数据完整性和有序性的应用，如文件传输、电子邮件等。然而，由于提供了这些可靠性和控制机制，TCP 的开销相对较大，可能在一些实时性要求较高的应用中不太适用。

UDP 协议的特点和不可靠性

UDP(User Datagram Protocol)是一种无连接的、不可靠的传输协议，常用于需要快速传输数据但对数据传输的可靠性要求不高的场景。UDP协议具有以下特点和不可靠性：

特点：

1. 无连接性：UDP 是无连接的协议，意味着在数据传输之前不需要建立连接。每个 UDP 数据包（也称为数据报）都是独立的，没有先后关系。
2. 简单和轻量：UDP 相对于 TCP 来说更加简单，没有 TCP 的握手、确认、重传等机制。这使得UDP的头部开销较小，适合在网络带宽受限的情况下使用。
3. 高性能：由于缺乏 TCP 的复杂机制，UDP 具有更低的延迟，适用于实时性要求较高的应用，如实时音视频传输、在线游戏等。
4. 广播和多播支持：UDP 支持广播和多播，允许向多个主机发送数据。

不可靠性：

UDP协议的不可靠性主要表现在以下几个方面：

1. 丢包风险：UDP 在数据传输过程中不会检测丢失的数据包或重新发送丢失的数据包，因此数据包可能会丢失。
2. 不保证数据顺序：数据包可能以不同的顺序到达目的地，因此需要在应用层处理数据的顺序。
3. 无确认和重传：UDP 不会对数据包的接收进行确认，也不会重新发送丢失的数据包。如果数据包丢失，应用程序需要自行处理。
4. 不提供流量控制和拥塞控制：UDP 不会自动限制发送速率，这可能导致数据过载和网络拥塞。

虽然 UDP 在某些情况下具有优势，但由于其不可靠性，它不适用于所有类型的应用。在需要数据可靠传输的情况下，如文件传输、重要数据传输等，更适合选择 TCP 协议。