计算机网络——概述

--------------------------------------------------------------------

1. 分组交换，电路交换，报文交换

2. 计算机网络基础

　　2.1 计算机网络定义

　　2.2 计算机网络拓扑

　　2.3计算机网络分类

3. TCP/TP及其体系结构

　　3.1 TCP/IP 5层结构

　　3.2 数据传输过程

　　3.3 数据传输方法： CS P2P

　　3.4 数据传输性能：速率，带宽，时延

----------------------------------------------------------------------

1. 分组交换

分组交换网由若干个结点交换机和连接这些交换机的链路组成。分组交换是采用存储转发技术。

把欲发送的报文（要发送的数据整体）分成一个个的"分组"（数据段，又称包），在网络中一段一段传送。分组的目的是因为在网络中一次传输的数据受到限制。传输时每个数据段的前面加上首部（包头），首部包含发送者地址（源地址）和接收者地址（目的地址）等信息，以便在经过交换机可以据此选择传输路径。

【例】通过下列网络H1àH5传输数据。





1）.电路交换



工作过程：

(1) 拨号建立连接：确定H1-A-B-E-H5通信线路

(2) 占用H1-A-B-E-H5通信线路数据传输

(3) 连接释放

2）分组交换







工作过程：

把报文分成较小的数据段。

第1块数据段加首部H1àA(a)

第2块数据段加首部H1àA，第1块AàB(b)

重复

H5去掉首部，把数据段合并起来。

三种交换方法比较：

2 计算机网络基础

2.1 计算机网络定义

一个比较通用的定义是：利用通信线路将地理上分散的、具有独立功能的计算机系统和通信设备按不同的形式连接起来，以功能完善的网络软件及协议实现资源共享和信息传递的系统。

最重要的功能：连通性和资源共享

资源：硬件、软件、数据

需要的设备和材料：网卡、传输介质、连接设备

2.2 计算机网络拓扑结构

拓扑结构：将节点用通信链路在物理上连接在一起的布线结构。

拓扑结构的类型：总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑和网状拓扑。

总线型拓扑

所有设备连接在一条线，通过约定的规则（协议）争用信道方式进行传输信息。传输介质一般为同轴电缆。



树型拓扑是总线型拓扑的变型。



环型拓扑

所有设备连接在一个环上，按照特定方向通过像接力赛方式传输信息。掌握接力棒（称为令牌）进行传输。传输介质一般为光缆。



目前，主要用于网络主干网络。

星型拓扑

所有设备连接在一个集线器上，集线器起转接作用。传输介质一般为双绞线、光缆、空气等。



网状拓扑

连接通信线路的设备一般为交换机，传输信息可以有多种不同路径。传输介质早期为电话线，后来为光缆。



目前，主要用于网络主干网络。

2.3 计算机网络的分类

虽然网络类型的划分标准各种各样，但是从地理范围划分是一种大家都认可的通用网络划分标准。按这种标准可以把各种网络类型划分为局域网、城域网、广域网和个域网。

3 TCP/IP及其体系结构

3.1 TCP/IP 5层体系结构

应用层：对需要传输的数据进行包装，约定应用进程之间沟通顺序。因为不同的应用需要表达的内容不同，所以一种应用就需要制定一种规则，并给它起个名称。例如：

FTP 文件传输;　　HTTP 网页浏览;　　SMTP 电子邮件;　　DNS 有名称查IP地址

运输层：为两个主机应用进程提供通信服务。通信服务包括两种类型：

可靠的交付服务（TCP）：确保对方收到，而且收到的内容完整和正确的。为了可靠传输，在传输数据前需要建立连接，所以又称是面向连接。

尽量交付服务（UDP）：确保及时发出，不能保证对方一定收到。一次能够接收应用层的数据不能太大。在传输数据不需要建立连接，所以又称是无连接。

网络层(IP)：把上层需要传输的数据进行分组（称为IP数据报），帮助选择下一站传输的主机。

数据链路层：组织一次传输的数据（称为帧），在一段一段链路上传输。

物理层：透明地传输比特流。计算机的数据（1,0）变成信号。发送方如何发送接收方才能接收。使用连接接头、信号的关系。

【例】H1通过AP1应用程序与H2通过AP2应用程序进行交流信息。

应用层包装：报文

应用层数据：Dat

应用层标识：H5

应用层包装后的数据：ADat=H5+Dat

运输层包装：报文

首部(H4)

ADat

首部(H4)至少包括：

H1的AP1应用进程号

H2的AP2应用进程号

应用进程就是应用程序运行时操作系统识别的编号。

TDat=首部(H4)+ADat

网络层包装：IP数据报

首部(H3)

TDat

　　首部(H3)至少包括：

　　　　H1的IP地址

　　　　H2的IP地址

　　　　Tcp/udp号

NDat=首部(H3)+TDat

数据链路层包装：帧

首部(H2)

NDat

尾部(T2)

　　首部(H2)至少包括：

　　　　H1的网卡号

　　　　R1的左网卡号

　　　　数据大时，还包括分块的序号等。

　　　　IP数据报协议号

　　尾部(T2)：校验码。通过它确定接收的帧是否正确。

　　LDat(=首部(H2)+NDat+尾部(T2)

物理层：0/1数据流

　　　　帧(LDat)à0/1数据流à传输介质上的信号。

3.2数据传输过程

1) 数据传输过程

(1) 发送主机与接收主机(端到端)之间传输



(2) 一个一个网络传输



因为路由器主要功能是选择路径。而选择路径需要目的IP地址，而目的IP地址包装在网络层的IP数据报中。

2) 同层协议和层间交流

同层使用相同协议进行交流

协议包括三个要素：

语法：数据与控制信息的格式（结构）

语义：描述格式表达的意义

同步：传输信息的先后顺序。

【例】运输层TCP协议。



　　语法：TCP报文包括首部和数据部分。数据部分是应用层需要传输的内容，首部是TCP协议自己定义的内容。

　　语义：首部不同写法代表的意义。

　　同步：因为TCP是可靠的传输协议，数据需要建立连接、数据传输和释放连接三个阶段实现。具体过程如下：

　　在数据传输前发送方需要首先向接收方发报文，接收方愿意接收需要向发送方回复报文。发送方收到回复报文后，开始发送传输数据报文，接收方收到数据报文，需要给发送方确认。数据传输结束，发送方发报文告知接收方，接收需要向发送方回复报文。　　

层间通过约定进行交流

层间交流方法：

(1) 下层为上层提供服务：调用相应的程序（模块）使用服务，需要的数据通过参数传入。

【例】运输层TCP协议提供的服务。

在Visual C++中，TCP协议在操作系统的WinsockAPI中实现，MFCSocket把它包装成类。这样，应用层需要传输内容和参数存放在类的属性中，传输

(2) 下层找上层：通过本层提供的头部有信息选择调用的程序（模块）。

【例】运输层TCP数据上传方法。

TCP头中包含发送者应用进程号和接收者的应用进程号，通过接收者的应用进程号找到应用进程，把TCP的数据交给它。

3.3 数据传输方法

1) 客户服务器方式

客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户服务器方式（C/S）所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。客户 A 向服务器 B 发出请求服务，服务器 B 向客户 A 提供服务。



2) 对等连接方式

对等连接(peer-to-peer，简写为 P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P 软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

3.4 数据传输性能描述

1) 速率

Bit 来源于 binary digit，比特（bit）是计算机中数据量的单位，意思是一个"二进制数字"，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。速率（或比特率）是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s(bps)，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等

2)带宽

"带宽"(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在"带宽"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"，或 b/s (bit/s)。

更常用的带宽单位是

千比每秒，即 kb/s （103 b/s）

兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）

吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）

太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）

注意：在计算机界，K = 210 = 1024，M = 220, G = 230, T = 240

3) 时延

　　数据经历的总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

传输时延（发送时延 ）：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。



传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。



处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。

排队时延：结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。