[408复习]计算机网络(一) – 计算机网络概述

写在前面的话

博主是一个好高骛远的人,目前(2017年9月)在一所不知名普通一本大学就读软件工程专业。由于心比天高,想从普通一本考一个985大学(嗯……双一流也可以)。于是我开始总结自己复习的知识。这个系列是考研408大纲中计算机网络复习的第一章,今后我还会继续更新。希望能成为一个随身手册一样随时翻阅。

本系列内容均来自《计算机网络(第六版)》谢希仁著 及 《2018年计算机网络考研复习指导》 王道论坛组 编。只是将它们整理的知识再度整理加深印象,也方便博主自己随时复习之用。

考纲内容

一、计算机网络体系结构
(一)计算机网络概述
1.计算机网络的概念、组成与功能
2.计算机网络的分类
3.计算机网络的标准化工作及相关组织
(二)计算机网络体系结构与参考模型
1.计算机网络分层结构
2.计算机网络协议、接口、服务等概念
3.ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型

1.1 计算机网络概述

1.1.1 计算机网络的概念

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

1.广义观点

只要是能实现远程信息处理的系统或进一步能达到资源共享的系统,都是计算机网络。

2.资源共享观点

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。

包含三层含义:①目的:资源共享;②组成单元:分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”③网络中的计算机必须遵循的统一规则——网络协议。

3.用户透明性观点

存在着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,而整个网络就像一个大的计算机系统一样对用户是透明的。

1.1.2 计算机网络的组成

1)从组成成分上看,一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议三大组成部分,缺一不可。

硬件主要由主机(端系统)、通信链路(如双绞线、光纤)、交换设备(如路由器、交换机等)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、方便用户使用的各种工具软件,如网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等。多属于应用层;

协议是计算机网络的核心,规定了网络传输数据时所遵循的规范。

2)从工作方式上看,计算机网络(这里主要指 Internet)可分为边缘部分和核心部分。

边缘部分由所有连接在因特网上、供用户直接使用的主机组成,用来进行通信(如传输数据、音频或视频)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,它为边缘部分提供连通性和交换服务。

因特网的核心部分与边缘部分

3)从功能组成上看,计算机网络由通信子网和资源子网组成。

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,向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

1.1.3 计算机网络的功能

1.数据通信

它是计算机网络最基本和最重要的功能,实现联网计算机之间的各种信息的传输,并实现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

可以是软件共享、数据共享,也可以是硬件共享。极大地提高硬件资源、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系统负荷过重时,可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统,从而利用空闲计算机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可以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。

1.1.4 计算机网络的分类

1.按分布范围分类

1) 广域网(WAN)。广域网的任务是提供长距离通信。覆盖范围通常为几十到几千千米的区域。它是因特网的核心部分,连接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。

2)城域网(MAN)。城域网的覆盖范围约为5~50km。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,一般是指几十米到几千米的区域。传统上,局域网使用广播技术,而广域网则使用交换技术。

4)个人区域网(PAN)。个人区域网是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,常成为WPAN无线个人区域网,其范围大约在10m

2.按传输技术分类

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。接受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、广域网中的无线、卫星通信网络都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。如果两台主机之间没有直接连接的线路,那么就需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,广域网本都属于点对点网络。

3.按拓扑结构分类

网络拓扑结构是指通过网中结点(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,主要是指通信子网的拓扑结构。

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。

优点:便于集中控制和管理;

缺点:成本高、中心结点对故障敏感。

2)总线形网络。用单根传输线把计算机连接起来。

优点:建网容易、增减结点方便、节省线路;

缺点:重负载时通信效率不高、总线任一处对故障敏感。

3)环形网络。所有计算机接口设备连接成一个环。

典型例子:令牌环局域网。

环可以是单环,也可以是双环,信号是单向传输的。

4)网状形网络。一般情况下,每个结点至少有两条路径与其他结点相连,多用在广域网中,有规则型和非规则型两种。

优点:可靠性高;

缺点:控制复杂、线路成本高。

4.按使用者分类

1)公用网。它是指电信公司出资建造的大型网络。

2)专用网。它是某个部门为本单位的特殊业务的需要而建造的网络。

5.按交换技术分类

交换技术是指主机之间、通信设备之间或主机与通信设备之间为交换信息所采用的数据格式和交换装置的方式。

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。如传统电话网络。

特点:整个报文的比特流连续地从源点直达终点。

优点:数据直接传送、延迟小;

缺点: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。将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,全部存储下来后,再转发给下一个结点,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。

它也称为存储-转发网络。

特点:整个报文先传送到相邻结点,全部存储下来后查找转发表,转发到下一个结点。

优点:

① 可以较为充分利用线路容量;
② 可以实现不同链路之间不同数据率的转换;
③ 可以实现格式转换;
④ 可以实现一对多、多对一的访问;
⑤ 可以实现差错控制。

缺点:

① 增加了资源开销;
② 增加缓冲延迟;
③ 增加了额外的控制机制来保证报文顺序不会乱序;
④ 缓冲区难以管理,因为不确定报文的大小。

3)分组交换网络

分组交换网络也称为包交换网络。原理:将数据分成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-转发方式存储。

特点:单个分组传送到相邻结点,存储下来后查找转发表,转发到下一个结点。

优点:除了具备报文交换的优点外,

① 缓冲区易于管理;
② 包的平均延迟更小,网络中占用的平均缓冲区更少;
③ 更易于标准化;
④ 更适合应用。

6.按传输介质分类

传输介质可以分为有线和无线两大类,故可以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。

无线网络又可分为蓝牙、微波、无线电等类型。

1.1.5 计算机网络的标准化工作及相关组织

1)因特网草案
2)建议标准
3)草案标准
4)因特网标准

国际标准化组织(ISO):制定的主要网络标准或规范。有OSI参考模型、HDLC等。
国际电信联盟(ITU):前身是国际电话电报咨询委员会(CCITT),其下属机构ITU-T制定了大量有关远程通信的标准。
国际电气电子工程师协会(IEEE):世界上最大的专业技术团体,由计算机和工程学专业人士组成,最著名的研究成果是802标准。

1.1.6 计算机网络的性能指标

1)带宽。本来表示通信线路允许通过的信号频带范围,单位是赫兹(Hz)。而在计算机网络中,带宽表示网络的通信线路所能传送数据的能力,是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语,单位是“比特每秒(b/s)”。

2)时延。它是指数据(一个报文或分组)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需要的总的时间,它由四个部分组成:发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。

发送时延:结点将分组的所有比特推(传输)向链路所需的时间,也就是从发送分组的第一个比特算起,到该分组的最后一个比特发送完毕的事件,因此也称为传输时延

计算公式如下:  发送时延=分组长度/信道宽度。

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,一个比特从链路一端到另一端传播所需的时间。

计算公式如下:  传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率。

处理时延:数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。

排队时延:分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。

(一般在做题时,排队时延和处理时延都忽略不计;高速链路提高的仅是数据发送速率而不是比特在链路上的传播速度)

总时延为以上四种时延之和:

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延。

3)时延带宽积:若发送端连续发送数据,在发送的第一个比特即将到达终点时,表示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。

4)往返时延:表示从发送端发送数据开始,到发送端收到来自接收端的确认,总共经历的时延。

在互联网中,往返时延还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。

5)吞吐量:表示在单位时间内通过某个网络(或信道、借口)的数据量,吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

6)速率:网络中的速率是指连接在计算机网络上的主机在数字信道上的速率,也成为数据率或比特率,单位是b/s。在计算机网络中,通常把最高数据率称为“带宽”。

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