计算机网络第一章——计算机网络体系结构

重难点

1. 相关专业术语
2. 理解电路交换、报文交换与分组交换
3. 计算机网络的性能指标
4. OSI参考模型和TCP/IP模型
5. 一张图理解整个过程

考点

1. 发送时延计算

计算机网络体系结构中的专业术语

基本概念

• 网络、互联网、因特网的区别和联系。
  答：若干节点(node)和链路(link)互连形成网络。
  
  若干网络通过路由器互连形成互联网。
  
  因特网是当前全球最大的、开放的、由众多网络和路由器互连而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信规则。
  
  因特网已经发展成为基于ISP的多层级结构的互连网络。

ISP 就是 ​互联网服务提供商。​全称：​​ Internet Service Provider
​核心功能：​​
​1. 提供互联网接入：​​ 这是 ISP 最主要的功能。他们拥有并运营庞大的网络基础设施（光纤、电缆、电话线、蜂窝基站、卫星连接等），通过这些设施将用户（你、我、企业、机构）连接到全球互联网（因特网）的骨干网。
​2. 分配 IP 地址：​​ 当你的设备连接 ISP 的服务时，ISP 会（通常通过 DHCP）给你的设备分配一个 ​公网 IP 地址​ 或至少让你的设备能够通过 ISP 的网络进行地址转换（NAT）访问公网。这个地址是你在互联网上的“门牌号”。
​3. 提供域名解析：​​ ISP 通常运行 DNS 服务器，帮助你的设备将你在浏览器输入的域名（如 www.baidu.com）转换成对应的 IP 地址。

从工作方式看，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到互联网上的供用户直接使用的主机(host)组成，用来进行通信和资源共享；核心部分由大量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。

• 计算机网络的定义
  最简单的定义：一些互联的、自治的计算机集合。
  目前较好的定义：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
  

电路交换、报文交换与分组交换

1. 电路交换

最典型的电路交换是传统电话网，电路交换分为三步：建立连接、数据传输和释放连接。

在电路交换的整个通信阶段，比特流连续地从源点直达终点，就好像在一个管道中传送。
电路交换技术的优点如下：
1）通信时延小。因为通信线路为通信双方专用，数据直达，所以传输时延非常小。
电路交换技术的缺点如下：
1）建立连接时间长。电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长。
2）线路利用率低。物理通路被通信双方独占，即使线路空闲，也不能供其他用户使用。

2. 报文交换

报文交换进行数据交换的单位是报文，用户数据加上源地址、目的地址等信息后，封装成报文(message)。报文交换采用存储转发技术，整个报文先传送到相邻的结点，全部存储后查找转发表，转发到下一个结点，如此重复，直至到达目的结点。
报文交换技术的优点如下：
1）线路利用率高。报文在哪段链路上传送时才占用这段链路的通信资源。
报文交换技术的缺点如下：
1）转发时延高。交换节点要将报文整体接受完后，才能查找转发表转发到下一个结点。
2）缓存开销大。报文的大小没有限制，这就要求交换结点拥有较大的缓存空间。

报文交换是分组交换的前身，报文交换比分组交换带来的转发时延要长很多，需要交换结点具有的缓存空间也大很多。

3. 分组交换

分组交换也采用存储转发技术，但解决了报文交换中报文过长的问题。
源节点在发送之前，先把较长的报文划分成若干较小的等长数据段，在每个数据段前面添加首部（由必要控制信息，如源地址、目的地址和编号信息等组成）构成分组(Packet）。
源节点将分组发送到分组交换网中，分组交换网中的分组交换机收到一个分组后，先将其缓存，然后从其首部中提取目的地址，据此查找自己的转发表，再后将分组转发给下一个分组交换机。经过多个分组交换机的存储转发后，分组最终到达目的结点。

计算机网络的八大性能指标

• 速率 speed：也就是数据传送速率，基本单位是：bit/s，可以简记为b/s，常用的还有：千比特每秒(kb/s)、兆比特每秒(Mb/s)、吉比特每秒(Gb/s)以及太比特每秒(Tb/s)。
  
• 带宽 bandwidth：在模拟信号系统中本意指的是频率范围，单位是Hz；但在计算机网络中表示数字信道所能传送的最高数据传输速率，单位也是比特每秒(b/s)。
• 吞吐量 throughput：单位时间内通过某个网络接口的实际数据量，受网络带宽的限制。
• 时延 delay：指数据(分组或报文)从网络的一段传送到另一端所需的总时间，它由四部分构成：

  • 发送时延，也称传输时延：结点将分组的所有比特推向链路所需的时间。
    

  • 传播时延：电磁波在传输介质中传播一定距离所花的时间。
    

  • 处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要处理所花的时间。例如：分析分组的首部、从分组中提取数据、差错检验或查找合适的路由等。

  • 排队时延：分组再进入路由器后要现在输入队列中排队等待处理。路由器确定转发端口后，还要再输出队列中排队等待转发。

  • 处理时延和排队时延通常可忽略不计，除非题目另有说明。

• 时延带宽积：是传播时延和带宽的乘积。
  
• 往返时间 round-trip time RTT：是指从发送端发送数据开始到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止，总共耗费的时间。
  
• 信道利用率：用以指出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 = 有数据通过时间/(有+无)数据通过时间
  需要指出的是：信道利用率并非越高越好，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也会迅速增加；也不能使信道利用率太低，这会使得宝贵的通信资源被白白浪费。
• 丢包率：在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
  

分组交换网中时延的计算

只通过一个路由器，分组数量为1且计算排队时延和处理时延时：

总时延 = 2 ×发送时延 + 2×传播时延 + 排队时延 + 处理时延

只通过一个路由器，分组数量大于1而且排队时延和处理时延忽略不计时：

总时延=分组数量×发送时延+传播时延 + 路由器数量×（发送时延+传播时延）

通过多个路由器，分组数量大于1而且排队时延和处理时延忽略不计时：

总时延 = 分组数量×发送时延 + 传播时延 + 路由器数量×（发送时延＋传播时延）
例题：

首先分析题目：从H1到H2，求的是需要的最少时间，所以要走最短的那条路，也就是通过两个路由器。
再分析，分组大小为1000B，分组头大小为20B，所以分组中数据部分大小是1000-20=980B
需要发送的文件的大小是980000B，可以划分为1000个等长的数据段，也就是H1需要发送1000个分组。
而且题目中说了，不考虑分组拆装时间和传播延迟
发送时延 = 1000 × 8 / 100 × 10^6 = 0.08ms
根据公式，在不考虑排队时延和处理时延的情况下：
$$总时延=分组数量\times 发送时延+传播时延+路由器数量\times （发送时延＋传播时延）$$
本题中又不考虑传播时延，只考虑发送时延，所以总用时为：
（分组数量+路由器数量）×发送时延 = 1002 × 0.08ms = 80.16ms，所以选C。

ISO/OSI参考模型、TCP/IP模型和五层原理体系结构

OSI参考模型(Open System Interconnection Reference Model)

OSI参考模型有七层：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层
All People Seem To Need Data Processing. 所有人似乎都需要数据处理。

TCP/IP参考模型

TCP/IP参考模型有四层：网络接口层、网际层、运输层、应用层。

原理参考模型

五层：物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层。

一张图理解全部过程

因特网中用于网络互连的路由器就其所需完成的网络互连这一基本任务而言，只包含TCP/IP协议族网络接口层和网际层即可。因此我们一般认为，路由器的网络体系结构的最高层为网际层。
TCP/IP协议的网络接口层并没有规定什么具体的内容，这样做的目的是可以互连全世界各种不同的网络接口，例如：有线的以太网接口、无线局域网的WiFi接口、而不限定仅使用一种或者几种网络接口。因此TCP/IP体系结构在本质上只有上面的三层。

IP协议是TCP/IP体系结构网际层的核心协议。传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP是TCP/IP体系结构运输层的两个重要协议。 TCP/IP体系结构的应用层包含了大量的应用层协议，例如超文本传送协议HTTP、简单邮件传送协议SMTP、域名系统DNS以及实时运输协议RTP等。
IP协议可以将不同的网络接口进行互连，并向其上的TCP协议、UDP协议提供网络互连服务。TCP协议在享受IP协议提供的网络互连服务的基础上可向应用层的某些协议提供可靠传输的服务。UDP协议在享受IP协议提供的网络互连服务的基础上可向应用层的某些协议提供不可靠传输的服务。**IP协议作为TCP/IP体系结构中的核心协议，一方面负责互连不同的网络接口，也就是IP over everything；另一方面为各种网络应用提供服务，也就是Everything over IP。**由于TCP/IP体系结构中包含有大量的协议，而IP协议和TCP协议是其中非常重要的两个协议，因此用TCP和IP这两个协议，来表示整个协议大家族，常称为TCP/IP协议族。