计算机网络体系结构¶

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计算机网络概述¶

概念¶

计算机网络没有一个精确而统一的定义。

我们可以说计算机网络是一个将众多分散的、独立的计算机系统通过通信线路连接起来，由功能完善的软件实现数据交换和资源共享的系统。

internet 与 Internet

internet（互联网，或互连网）是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。这些网络之间可以使用任意的通信协议作为通信规则，不一定要使用 TCP/IP 协议。
Internet（因特网）是一个专有名词，指的是全球最大的互连网。它使用 TCP/IP 协议作为通信规则。

组成¶

从不同的角度来看，计算机网络的组成可以分为以下几种：

从组成成分来看，计算机网络主要由硬件、软件和协议三大部分组成
从工作方式来看，计算机网络（这里指 Internet）可分为边缘部分和核心部分
- 边缘部分：所有连接到互联网上的供用户直接使用的主机，用来进行通信和资源共享
- 核心部分：由各种通信线路和交换设备组成的网络骨干，用来实现主机之间的互连
从功能组成来看，计算机网络由通信子网和资源子网组成

电路交换、报文交换和分组交换¶

电路交换¶

电路交换分三步：连接建立、数据传输、连接释放，即分配通信资源、占用通信资源、归还通信资源。

在电路交换的通信过程中，物理通信路径始终被用户独占，直到通信结束后才被释放。单计算机之间的数据传送是突发式的，线路的占用率很低，资源利用率不高。

报文交换¶

数据以报文为单位进行交换和传输，用户数据加上源地址、目的地址等信息后封装成报文。保温在网络中使用存储转发技术，先把整个报文传送到相邻节点，全部存储后查找转发表，再转发到下一节点，直到到达目的节点。每个保温都可单独选择到达目的节点的路径。

分组交换¶

分组交换和报文交换一样采用存储转发技术，但数据单位是分组。分组交换将用户数据分成若干个长度较小的分组，每个分组都包含源地址、目的地址等信息。每个分组独立传送，可能经过不同的路径到达目的节点，最后由目的节点按序重组为完整的数据。

分组交换的优缺点

优点：

没有建立连接和释放连接的过程
分组传输过程中有较高的通信线路利用率
交换机节点可以为每一个分组独立选择传输路径

缺点：

分组的首部会带来额外的传输开销
分组在传输过程中可能发生拥塞，导致分组丢失
分组可能乱序到达目的节点，需要重新排序

三种交换方式的比较

计算机网络的分类¶

按分布范围：
- 广域网（WAN）
- 城域网（MAN）
- 局域网（LAN）
- 个人局域网（PAN）
按传输技术：
- 广播式网络
- 点对点网络
按交换方式：
- 电路交换网络
- 报文交换网络
- 分组交换网络
按拓扑结构：
- 总线型网络
- 星型网络
- 环型网络
- 网状网络
按使用者：
- 公用网
- 专用网
按传输介质：
- 有线网络
- 无线网络

计算机网络的性能指标¶

常用的性能指标有八个：

速率（speed）：数据的传送速率，也成为数据率（data rate）或比特率（bit rate）

基本单位是比特/秒（bit/s，也可写成 bps）。常用单位有 kbps（千比特/秒）、Mbps（兆比特/秒）、Gbps（吉比特/秒）等。
数据量单位和速率单位的区别
- 数据量单位中的 K、M、G、T 分别表示 $2^{10}$、$2^{20}$、$2^{30}、$2^{40}$
- 速率单位中的 k、M、G、T 分别表示 $10^{3}$、$10^{6}$、$10^{9}、$10^{12}$
在计算时需要明确区分
带宽（bandwidth）：信道所能传送的最高速率，带宽的单位和速率相同
吞吐量（throughput）：单位时间内通过某一通信信道的实际数据量，受网络带宽的限制
时延（delay）：数据从网络的一端传送到另一端所耗费的时间，也称为延迟或迟延。

时延由以下四部分组成：
- 发送时延（transmission delay）：也称传输时延，将数据完成地发送出去所需的时间
  
  发送时延 = 数据包长度 / 发送速率
- 传播时延（propagation delay）：信号在信道中从发送端传播到接收端所需的时间
  
  传播时延 = 信道长度 / 信号传播速度
- 处理时延（processing delay）：路由器或交换机处理数据包所需的时间
- 排队时延（queuing delay）：数据包在路由器或交换机的缓冲区等待传输所需的时间
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

Tip

若无特殊说明，处理时延和排队时延通常可以忽略不计（同时也是最难估计的两部分时延）
时延带宽积：时延和带宽的乘积，表示在网络中“在途”的数据量，可以表示发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发送了多少比特的数据

时延带宽积 = 传播时延 × 信道带宽
往返时延（round-trip time, RTT）：数据从发送端到接收端再返回发送端所需的时间）
利用率（utilization）：包括链路利用率和网络利用率
- 链路利用率：某条链路有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）
- 网络利用率：网络中所有链路的利用率的加权平均
当某条链路的利用率增大时，分组在交换节点中的排队时延就会随之增大，该链路引起的总时延也会增大

令 $D_0$ 表示网络空闲时的时延，$D$ 表示网络利用率为 $U$ 时的时延，则有： $$ D = \frac{D_0}{1-U} $$
丢包率（packet loss rate）：在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数与发送的分组数之比

丢包有以下两种情况：
- 分组在传输过程中出现误码，被传输路径中的节点交换机（例如路由器）或目的主机检测出误码而丢弃。
- 节点交换机根据丢弃策略主动丢弃分组。