一、因特网概述
· 网络(Network)由节点(Node)、连接节点的链路(Link)组成。
多个网络可以通过路由器连接起来,组成互联网(网络的网络)。因特网是世界上最大的互联网,用户数以亿计,互连的网络数以百万计。
· 局域网、互联网、因特网(TCP/IP,起源于arpanet)
·internet与Internet的区别:
internet泛指互联网,通信协议任意;Internet专指因特网,TCP/IP协议,前身美国ARPANET。
· 因特网服务提供者ISP(Internet Service Provider)
普通用户是通过ISP接入因特网的。
ISP从因特网管理机构申请到成块的IP地址,同时拥有通信线路、路由器等联网设备。个人或机构缴纳费用,就可以从ISP得到IP地址(有地址就能通信)。我国主要ISP:中国电信、联通、移动。
· 基于ISP的三层结构因特网
第一层ISP:主干网,国际性区域,互相之间直接互连。
第二层:第二层ISP或大公司。区域性或国家性覆盖规模,与少数第一层ISP连接。
第三层:本地ISP。第二层ISP的用户,只拥有本地范围的网络(一般的校园网、企业网,住宅或无线移动用户)。
相隔较远的两台主机通信,可能要经过多个ISP。一个用户接入互联网,也可以成为ISP,只需要购买调制解调器或路由器等设备。ISP可以很方便地在因特网拓扑上增加层次和分支。
· 因特网的标准化工作
因特华制定标准面向公众,所有的RFC(request for comments)都可以免费下载。
因特网协会ISOC,负责对因特网管理。
只有小部分RFC能够成为因特网标准。
· 因特网组成
边缘部分(主机、服务器、智能手机、物联网检测仪等各种设备)
核心部分(大量网络和路由器,提供连通性和交换)
二、三种交换方式
· 电路交换(Circuit Switching)
电话交换机(类似有多个开关的开关器)。
交换(switching):按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
三步:建立连接(分配通信资源)、通话(一直占用通信资源)、释放连接(归还通信资源)。
如果因特网用电路交换,那么聊天打字时通信资源就浪费了(效率太低),所以因特网采用分组交换。
· 分组交换(Packet Switching)
把消息称为报文。把较长报文划分成一些等长的数据段。每个段前面加上首部(控制信息),就变成了一个分组(包)。首部也称包头。
分组交换机(路由器)收到分组后,先暂时存储,再检查首部。按照首部中的目的地址进行查表转发,找到合适转发接口,然后转发到下一个分组交换机。
接收者收到分组后,去掉首部,组合成原始报文。
报文交换(Message Switching)类似分组交换,分组交换机也要缓存和转发,只是对报文的大小没有限制。通常用于电报。
· 三种对比
电路交换:通信时延小、有序传输、没有冲突、适用范围广、实时性强、控制简单;建立连接时间长、线路独占效率低、灵活性差、难以规格化;
报文交换:无需建立连接、动态分配线路、提高线路可靠性、提高线路利用率、提供多目标性服务;引起转发时延、需要较大存储缓存空间、需要传输额外信息量;
分组交换:无需建立连接、线路利用率高、简化存储管理、加速传输、减少出错概率和重发数据量;引起了转发时延,传输额外信息量,数据报服务存在失序、丢失、重复分组,虚电路服务有呼叫建立、数据传输、虚电路释放三个过程。
三、计算机网络的定义和分类
· 定义
计算机网络的精确定义并未统一
最简单定义:一些互相连接的,自治的计算机的集合。(互连:计算机通过有线或无线进行数据通信,自治:独立的计算机,能单独运行;集合:至少两台计算机)
较好定义:通用的、可编程的硬件互连而成。这些硬件并非专门实现某一功能,而是能传送多种不同类型数据,支持广泛和日益增长的应用。
· 分类
交换技术分类:电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络。
使用者分类:公用网、专用网。
传输介质分类:有线网络、无线网络。
覆盖范围分类:广域网WAN(几十到几千公里,覆盖国家或大洲)、城域网MAN(5-50公里,互连大量企业机构校园网,近年成为现代城市信息服务基础设施,有趋势将传统电信、有线电视和互联网服务相融)、局域网LAN(微型计算机或工作站相连,10m带宽以上,1公里左右;如今一个学校或企业大多有几个互连的局域网,通常称为校园网或企业网)、个域网PAN(个人设备用无线技术连接起来的网络,也称无线个人区域网WPAN,范围约10米;若中央处理机距离近,例如一米内,就成为多处理机系统,而非计算机网络)。
拓扑结构分类:总线型网络(单根传输线连接:建网容易、增减节点方便、节省线路;重负载通信效率低、一处故障全宕机)、星型网络(每个计算机都以单独线路与中央设备相连,中央设备由早期计算机变为集线器、再变为交换机或路由器;便于网络集中控制管理;缺点是成本高、中央设备对故障敏感)、环型网络(所有计算机网络接口连接成环,可以是单或双环,环中信号单向传输)、网状型网络(一般每个节点至少两条路径与其他节点相连,多用于广域网,可靠性高但控制复杂、线路成本高)。四种拓扑可以互连成更复杂网络。
四、计算机网络性能指标
· 常用指标:速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、利用率、丢包率。
· 速率
比特:数据量单位、信息论中信息量单位。1比特就是而今之中的1或0。
数据量单位:字节Byte(8bit)。1B=8b。KB(2△10B)、MB(2△20B)、GB、TB。厂家标注的是10△9次方B,所以电脑显示会小。
速率:传送比特的速率,比特率或数据率。
数据率单位:bit/s(b/s,bps);kb/s(10△3bps);Mb/s(10△6bps)、Gb/s、Tb/s。
· 带宽
1、带宽在模拟信号中的意义:
信号所包含各种不同频率成分所占据的频率范围。
单位:Hz(kHz、MHz、GHz)。(电话带宽3.1kHz,300Hz~3.4kHz,话音主要成分的频率范围)
2、带宽在计算机网络中的意义:
网络通信线路所能传送数据的能力,单位时间点到点通过的“最高数据率”。单位b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s。
——两种表述有密切联系,一条通信线路“频带宽度”越宽,“最高数据率”也越高。
· 吞吐量
单位时间通过某个网络(或信道、接口)的数据量。受网络的带宽或额定速率的限制。
· 时延
网络时延:
发送时延(分组长度/发送速率,要看电脑的网卡发送速率、线路信道带宽、交换机接口速率);
传播时延(信道长度m/电磁波传播速率m/s。 自由空间3X10△8m/s;铜线2.3X10△8;光纤2.0X10△8);
处理时延(排队+处理,不方便计算)。
· 时延带宽积
= 传播时延 X 带宽
可以想象成通信管道的体积。
发送连续数据时,第一个比特到达终点时,发送端已经发送了时延带宽积个比特。
又被称为以比特为单位的链路长度。
· 往返时间
因特华不仅单方向传输,而且双向交互。有时需要知道双向交互一次所需的时间。所以,往返时间RTT(Round-Trip Time)也是重要的性能指标。
· 利用率
信道利用率:用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)。
网络利用率:全网络的信道利用率的加权平均。
利用率越高,时延迅速增加。信道利用率并非越高越好。
· 丢包率
丢包率即分组丢失率,指一定时间范围内,传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
两种主要情况:误码、网络拥塞。丢包率反映了网络拥塞情况。严重丢包为5-15%。
五、计算机网络体系结构
1、常见的计算机网络体系结构
· OSI体系结构 (开放系统互连参考模型)
物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层
法律上的国际标准。
· TCP/IP体系结构
网络接口层、网际层、运输层、应用层
事实上的国际标准。
路由器一般只包含网络接口层和网际层。
TCP/IP的网络接口层并没规定具体内容,这样方便互连全世界网络接口。
网际层核心协议:IP协议。
运输层核心协议:TCP、UDP协议。
应用层协议:HTTP、SMTP、DNS、RTP。
IP协议将不同网络接口互连,向其上的TCP、UDP协议提供网络互连服务。
· 原理体系结构
物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层
(适用于教学)
2、分层必要性
能将庞大复杂问题,转化为较小问题。
物理层:传输媒体(介质,严格来说不再体系结构中),物理接口,信号;
数据链路层:标识主机(MAC地址)、区分地址和数据、协调主线争用;
网络层:标识各网络以及网络中的各主机(网络和主机共同编址,如IP地址;例如网络N1中的设备,都是192.168.1.X),
如何转发分组,如何进行路由选择;
运输层:解决进程间基于网络通信的问题。
出现传输错误,如何处理。
应用层:万维网应用HTTP协议,电子邮件SMTP协议,文件传送FTP协议
通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。
3、计算机网络体系结构分层思想举例
4、计算机网络体系结构中的专用术语
最具代表性的三个:实体、协议、服务
· 实体:任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
对等实体:收发双方相同层次中的实体。如双方网卡、应用进程。
· 协议(称为逻辑通信,因为其实并不存在)
控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合。
协议的三要素:语法 语义 同步
语法:定义所交换信息的格式。
语义:定义收发双方所要完成的操作。
同步:定义收发双方的时序关系(三次握手)。
· 服务
在协议的控制下,两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务。
(协议是水平的,服务是垂直的。实体看得见相邻下层所提供的服务,但并不知道实现该服务的具体协议,也就是“透明”的。)
- 服务访问点:在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口,用于区分不同的服务类型。(数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段。网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”。运输层的服务访问点为“端口号”)
- 服务原语:上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令,这些命令称为服务原语。
- 协议数据单元PDU:对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元。
- 服务数据单元SDU:同一系统内,层与层之间交换的数据包称为服务数据单元。多个SDU可以合成为一个PDU;一个SDU也可划分为几个PDU。
习题(一)体系结构
1、【2009年 题33】在OSI参考模型中,自下而上第一个提供端到端服务的层次是:
传输层 (解决进程之间基于网络的通信问题,端到端即进程间 )
2、【2011年 题33】 TCP/IP参考模型的网络层提供的是:
无连接不可靠的数据报服务
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4、【2015年 题33】通过POP3协议接收邮件时,使用的传输层服务类型是:有连接可靠的数据运输服务。
5、最高功能层:集线器1,交换机2,路由器3
6、TCP/IP应用层协议中,可以使用传输层无连接服务的是:DNS(调用了UDP提供的无连接服务)。
7、TCP/IP协议族的核心协议是:IP。
习题(二)时延相关
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