计算机网络04741知识点

第一章计算机网络概述第一节计算机网络基本概念1.计算机网络的定义：（1）计算机网络是互连的、自治的计算机的集合。

（2）目前最大的、应用最广泛的计算机网络是Internet或称因特网。

2.协议的定义：（1）协议是网络通信实体之间在数据交换过程中需要遵循的规则或约定，是计算机网络有序运行的重要保证。

（2）计算机网络中存在很多协议，例如：HTTP、TCP、IP、ARP等。

3.协议三要素：语法、语义和时序。

（1）语法：定义实体之间交换信息的格式与结构，或者定义实体之间传输信号的电平等。

（2）语义：定义实体之间进行数据传输时，除了要发送的信息外，还要发送哪些控制信息，以保证交换信息的正确性。

（3）时序：也称为同步，定义实体之间交换信息的顺序以及如何匹配或适应彼此的速度。

4.计算机网络的功能：（1）在不同主机之间实现快速的信息交换。

通过信息交换，计算机网络可实现其核心功能—资源共享。

（2）资源共享包括：硬件资源共享、软件资源共享和信息资源共享。

（3）SaaS（软件即服务）是目前互联网环境下软件共享的典型形式，也代表了软件共享的主流趋势。

5.计算机网络的分类：（1）按覆盖范围分类（从小到大）：①个域网；②局域网；③城域网；④广域网。

（2）按拓扑结构分类：网络拓扑是指网路中的主机、网络设备间的物理连接关系与布局。

①星形拓扑结构：该网络包括一个中央结点，主机之间的通信都需要通过中央结点进行。

该结构类型网络多见于局域网、个域网中。

主要优点：易于监控与管理，故障诊断与隔离容易。

主要缺点：中央结点是网络的瓶颈，一旦故障，全网瘫痪，网络规模受限于中央结点的端口数量。

②总线型拓扑结构：该结构类型网络常见于早期的局域网中。

主要优点：结构简单，所需电缆数量少，易于扩展；主要缺点：通信范围受限，故障诊断与隔离较困难，易于产生冲突。

③环形拓扑结构：该结构网络多见于早期的局域网、园区网和城域网中。

主要优点：所需电缆短，可以使用光纤，易于避免冲突；主要缺点：某结点的故障容易引起全网瘫痪，新结点的加入或撤出过程比较麻烦，存在等待时间问题。

④网状拓扑结构：该结构网络比较多见于广域网、核心网络等。

主要优点：网络可靠性高，一条或多条链路故障时，网络仍然可联通。

主要缺点：网络结构复杂，造价成本高，选路协议复杂。

⑤树形拓扑结构：目前很多局域网采用该结构网络。

主要优点：易于扩展，故障隔离容易。

主要缺点：对根结点的可靠性要求高，一旦根结点故障，则可能导致网络大范围无法通信。

⑥混合拓扑结构：绝大多数实际网络的拓扑都属于该结构网络。

主要优点：易于扩展，可以构建不同规模网络，并可根据需要优选网络结构；主要缺点：网络结构复杂，管理与维护复杂。

（3）按交换方式分类：按网络所采用的数据交换技术，计算机网络可以分为电路交换网络、报文交换网络和分组交换网络。

（4）按网络用户属性分类：①公用网；②私用网。

第二节计算机网络结构1、计算机规模不同，其构造复杂程度也不同，大规模现代计算机网络的结构包括网络边缘、接入网络与核心网络。

2、网络边缘：为用户提供了网络应用服务。

3、接入网络：接入网络是实现网络边缘的端系统与网络核心连接与接入的网络。

4、网络核心：核心网络是由通信链路互连的分组交换设备构成的网络，作用是实现网络边缘中主机之间的数据中继与转发。

比较经典的分组交换设备是路由器和交换机等。

第三节数据交换技术1、数据交换的概念：计算机网络的根本目的是在网络边缘的主机之间实现相互的数据传输、信息交换。

（1）常见的数据交换技术包括电路交换、报文交换和分组交换。

（2）基于不同交换技术构建的网络分别称之为电路交换网络、报文交换网络和分组交换网络。

2、电路交换：（1）电路交换是最早出现的一种交换方式，电话网络是最早、最大的电路交换网络。

（2）利用电路交换进行通信包括建立电路、传输数据和拆除电路3个阶段。

①建立电路：在电路交换网络中，首先需要通过中间交换结点在两台主机之间建立一条专用的通信线路，称为电路。

②传输数据：利用建立的电路进行数据的传输。

③拆除电路：数据传输完毕后，需要拆除该电路。

3、报文交换：（1）发送方要把发送的信息附加上接受主机的地址等控制信息，构成一个完整的报文。

然后以报文为单位在交换网络的各结点之间以存储-转发的方式发送，直到发送给接受主机。

（2）交换网络中的结点会先接受报文，若此时该节点没有要发送的另一个报文，则直接向下一个节点发送该报文；否则就先将该报文进行缓冲存储，轮到该报文时在发送，即“排队”。

交换节点的这种接受-暂存-转发的工作方式，就称为“存储-转发”交换方式。

（3）当节点收到的报文过多而存储空间不够或者输出链路被占用不能及时转发时，就不得不丢弃报文，这是报文交换的缺点。

现代计算机网络没有采用报文交换技术的。

（4）一个报文在每个节点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下一个节点转发所需的排队延迟时间之和。

4、分组交换：分组交换是目前计算机网络广泛采用的技术。

分组交换是报文交换的改进版，它与报文交换的最主要区别在于是否将报文拆分成更小的分组。

（1）分组交换的基本原理：将一个完整的报文拆分成若干小组，然后依次将这些小的分组发送出去。

每个小分组的长度有限，这使得每个节点所需的存储能力降低。

（2）分组交换的优点：①交换设备存储容量要求低；②交换速度快；③可靠传输效率高；④更加公平。

第四节计算机网络性能1、速率与带宽：（1）速率是计算机网络中最重要的性能指标之一，它是指网络单位时间内传送的数据量，用以描述网络传输数据的快慢，也称为数据传输速率或数据速率。

有时也会用“带宽”这一术语描述速率。

（2）计算机网络传输的数据是以“位”为信息单位的二进制数据，速率的基本单位是bit/s （位/秒），有时也称速率为比特率。

2、时延：时延是评价计算机网络性能的另一个重要的性能指标，也称为延迟。

时延是指数据从网络的一个节点到达另一个节点所需的时间。

（1）计算机网络中，通常将连接两个节点的直接链路称为一个“跳步”，简称“跳”。

（2）分组的每跳传输过程中主要产生4类时间延迟：结点处理时延、排队时延、传输时延和传播时延。

①节点处理时延：分组到达节点时，交换设备需要对分组进行相关的处理，比如检查分组是否出错等，花费的这部分时间称为节点处理时延，记为d c。

②排队时延：从分组被存储开始，到轮到该分组被传输为止，这段时间称为排队时延，记为d q。

排队时延的大小取决于网络的拥塞程度，网络拥塞越严重，平均排队时延就越长，反之越短。

③传输时延：当轮到分组被传输到下一个节点时，从传输该分组第一位开始，到传输完该分组最后一位为止，这段传输数据所花费的时间称为传输时延，记为d t。

假设分组长度为Lbit，链路带宽为Rbit，则d t = L/R④传播时延：若两节点之间的物理链路长度为Dm，信号传输速度为Vm/s，则传播时延d p=D/V。

综上，一个分组经过一跳，所需时间为d h = d c + d q + d t + d p 。

3、时延带宽积：传播时延与带宽的乘积。

G=dp x R时延带宽积的单位是位，它表示一段传输链路可以容纳的数据位数。

4、丢包率：当网络拥塞特别严重时，新到达的分组无法再背交换节点存储，此时交换节点会丢弃分组，造成“丢包”现象。

5、吞吐量：表示在单位时间内，源主机通过网络向目标主机发送数据的实际速率，单位为bit/s，记为Thr。

吞吐量受网络链路带宽、网络连接复杂性、网络协议、网络拥塞程度等因素影响。

Thr = min(R1,R2…Rn)第五节计算机网络体系结构1、计算机网络分层体系结构：（1）复杂的计算机网络需要很多协议的协助以实现计算机所有的复杂功能，在制定这些网络协议时的思路是将复杂的网络通信功能划分为由若干协议分别去完成，然后将这些协议按一定方式组织起来，以实现网络通信的所有功能。

（2）最典型的划分方式就是采用分层的方式来组织协议，分层的核心思路是上一层的功能建立在下一层功能的基础上，并且在每一层内均要遵守一定的通信规则，即协议。

（3）计算机网络所划分的层次以及各层协议的集合称为计算机网络体系结构。

这种分层体系结构通常是按功能划分的，并不是按实现方式划分的。

（4）体系结构应当具有足够的信息，以便软件设计人员为每层编写实现该层协议的有关程序，即协议软件。

（5）典型的层次化体系结构有OSI参考模型和TPC/IP参考模型两种。

2、OSI参考模型：（1）OSI参考模型采用分层机构化技术，由底层到高层分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

每一层都有特定的功能，并且上一层利用下一层的功能所提供的服务，完成本层功能。

（2）第N层接收到第N+1层的协议数据单元（PDU）后，按照第N层的协议对其进行封装，构成第N层的PDU，再传给下一层，以此类推，最后，数据链路层PDU（通常称为数据帧）传递给最底层的物理层。

（3）1~3层主要是完成数据交换和数据传输，称为网络底层；5~7层主要是完成信息处理服务的功能，称为网络高层；低层与高层之间由第4层传输层衔接。

①物理层：主要功能是在传输介质上实现无结构比特流输出。

该层协议规定了4个特性：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。

②数据链路层：主要功能是实现在相邻结点之间数据可靠而有效的传输。

③网络层：主要功能是数据转发与路由。

④传输层：主要功能包括复用/分解（区分发送和接收主机上的进程）、端到端的可靠数据传输、连接控制、流量控制和拥塞控制机制等。

⑤会话层：指用户与用户之间的连接，通过两台计算机间建立、管理和终止通信来完成对话。

⑥表示层：处理应用实体之间交换数据的语法、解决格式和数据表示的差别。

⑦应用层：该层提供的服务非常丰富，包括文件传输，电子邮件等。

3、OSI参考模型有关术语：（1）数据单元：①在层的实体之间传送的比特组称为数据单元。

在对等之间传输数据单元是按照本层协议进行的，这时的数据单元称为协议数据单元（PDU）。

②PDU在不同层中往往有不同的叫法，在物理层称为位流或比特流；在数据链路层称为帧，在网络层称为分组或包；在传输层称为数据段或报文段；在应用层称为报文。

（2）面向连接的服务和无连接的服务：在分层的体系结构中，下层向上层提供服务通常有两种形式：面向连接的服务和无连接的服务。

①面向连接的服务以电话系统最为典型，要进行“建立链路、传输数据和拆除电路”三步；②无连接的服务没有建立链路和拆除链路的过程，又称为数据报服务。

4、TCP/IP参考模型：TCP/IP参考模型包括4层：应用层、传输层、网络互联层和网络接口层。

（1）应用层：TCP/IP参考模型将OSI参考模型中会话层和表示层的功能合并到了应用层来实现。

每一个应用层协议一般会使用两个传输层协议之一进行数据传输：面向连接的传输控制协议TCP和无连接的用户数据报协议UDP。