第一章:概述一.相关定义计算机网络(Computer networking)是一个将众多分散的、自治的计算机系统通过通信设备与线路连接起来由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。计算机网络(简称网络): 由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等链路可以是有线链路、无线链路1. 计算机网络(1).集线器(Hub)集线器会冲突可以把多个结点连接起来组成一个计算机网络普通民用领域已很少用集线器集线器”工作在物理层将在第二章学习(2).交换机(Switch)交换机不会冲突可以把多个结点连接起来组成一个计算机网络家庭、公司、学校通常用交换机组建内部网络2. 互连网(1).路由器(router)可以把两个或多个计算机网络互相连接起来形成规模更大的计算机网络也可称为“互连网Tips: 计算机网络课程中的路由器和家用路由器有一些区别。家用路由器路由器交换机其他功能3. 互联网(1).ISP(Internet Service Provider)互联网服务提供商(中国移动/联通/电信)由各大ISP和国际机构通过高级路由器形成覆盖全球范围的互连网即互联网tip: 互联网必须使用TPC/IP协议通信互连网可以使用任意协议通信二.计算机网络的组成和功能1. 计算机网络的组成(1).分类①.组成②.工作方式③.逻辑功能2. 计算机网络的功能三.三种交换方式1. 电话网络(电路交换)(1).定义(2).优缺点优点在通信的全部时间内两个用户始终占用端到端的线路资源。数据直送传输速率高缺点建立、释放连接需要额外的时间开销线路被通信双方独占利用率低线路分配的灵活性差无法发现传输过程中的数据错误(不支持“差错控制”)2. 电报网络(报文交换)(1).定义(2).优缺点优点通信前无需建立连接数据以“报文”为单位被交换节点间“存储转发”通信线路可以灵活分配在通信时间内两个用户无需独占一整条物理线路线路利用率较高交换节点支持“差错控制”缺点报文不定长不支持存储转发管理长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大长报文容易出错重传代价高3. 现代计算机网络(分组交换)(1).定义分组号: 用于判断分组数据到达接收方后如何排序(2).优缺点优点(同报文交换)通信前无需建立连接数据以“分组”为单位被交换节点间“存储转发”通信线路可以灵活分配在通信时间内两个用户无需独占一整条物理线路线路利用率较高交换节点支持“差错控制”对报文交换缺点的改进分组定长方便存储转发管理分组的存储转发时间开销小、缓存开销小分组不易出错重传代价低缺点相比于报文交换控制信息占比增加相比于电路交换依然存在存储转发时延报文被拆分为多个分组传输过程中可能出现失序、丢失等问题增加处理的复杂度四.三种交换方式性能分析1. 电路交换2. 报文交换3. 分组交换4. 总结五.计算机网络分类1. 按分布范围分类注: 局域网通过路由器接入广域网常说的 WLAN 即 Wireless Local Area Network2. 按传输技术分类(1).广播式网络当一台计算机发送数据分组时广播范围内所有计算机都会收到该分组并通过检查分组的目的地址决定是否接收该分组Eg: 所有无线网络都是广播式(2).点对点网络数据只会从发送方“点对点”发到接收方精准送达Eg: 路由器转发的数据分组3.按拓扑结构分类(逻辑)(1).总线形结构数据广播式传输存在“总线争用”问题;典型代表: 集线器连接的设备(2).环形结构数据“广播式”传输通过“令牌”解决总线争用问题令牌顺环形依次传递拿到令牌者可使用总线典型代表: 令牌环网(流行于2000年以前的局域网技术)(3).星形结构由中央设备实现数据的“点对点”传输不存在“总线争用”问题典型代表: 以太网交换机连接的设备(4).网状结构数据通过各中间节点逐一存储转发属于“点到点”传输典型代表: 由众多路由器构建的广域网4. 总结六.计算机网络的性能指标1. 速率(1).定义指连接到网络上的节点在信道上传输数据的速率也称数据率或比特率、数据传输速率(2).单位bps(或记为 b/s、bit/s;可加上数量前缀k、M、G、T, 10^3递增)。注意: 有时也会用B/s(1B 8b, BByte 字节, bbit 比特)(3).信道(Channel)表示向某一方向传送信息的通道(信道 ! 通信线路)一条通信线路在逻辑上往往对应一条发送信道和一条接收信道2. 带宽(bandwidth)(1).定义某信道所能传送的最高数据率注:节点间通信实际能达到的最高速率由带宽、节点性能共同限制。(2).单位bps(或记为 b/s、bit/s;可加上数量前缀k、M、G、T, 10^3递增)。(3).通信原理里的带宽定义带宽(bandwidth): 表示某信道允许通过的信号频带范围;单位: Hz(读作“赫/赫兹”可加上数量前缀k、M、G、T, 10^3递增)。3. 吞吐量(1).定义指单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际数据量吞吐量受带宽限制、受复杂的网络负载情况影响(2).单位bps(或记为 b/s、bit/s;可加上数量前缀k、M、G、T, 10^3递增)。4.时延/延迟(Delay)(1).定义指数据(一个报文或分组甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延。(2).例题5. 时延带宽积(1).定义(2).例题6. 往返时延(RTT)(1).定义从发送方发送完数据到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。注: 为简化问题此图并未分析发送方和接收方之间的其他节点ps: 游戏延迟反应的就是手机-服务器的RTT7. 信道利用率(1).定义某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的七.计算机网络的分层结构1. 三种计算机网络体系结构2. 网络体系结构的概念网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合, 就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义(不涉及实现)实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的而实现则是具体的3. 各层之间的关系(1).实体定义实体: 在计算机网络的分层结构中第n层中的活动元素(软件硬件)通常称为第n层实体。不同机器上的同一层称为对等层同一层的实体称为对等实体。(2).协议定义协议: 即网络协议(Network Protocol)是控制对等实体之间进行通信的规则的集合是水平的。(3).接口定义接口: 即同一节点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口又称为服务访问点(Service AccessPoint, SAP)。(4).服务定义服务: 服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用它是垂直的。4. PDU、SDU、PCI的概念协议数据单元(PDU): 对等层次之间传送的数据单位。第n层的 PDU记为n-PDU协议控制信息(PCI-报头): 控制协议操作的信息。第 n层的 PCI记为 n-PCI。服务数据单元(SDU-报文): 为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据。第n层的 SDU记为n-SDU。三者的关系为 n-PDU n-SDU n-PCI (n - 1)-SDU5. 协议的三要素(1).语法**数据与控制信息的格式。**例如协议控制信息(首部)部分占几个字节、每个字节是什么含义: 协议的数据部分最多由多少字节。(2).语义**即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答。**例如协议中需要明确规定发送方完数据后接收方是否需要“应答”以及应答的种类有哪些如传输成功、传输失败)。(3).同步(时序)**执行各种操作的条件、时序关系等即时间实现顺序的详细说明。**例如发送方发完数据后接收方需要立即应答。如果发送方在10秒内未收到“传输成功”应答则发送方会再次发送数据。八.OSI参考模型1. OSI参考模型2. 物理层物理层任务实现相邻节点之间比特0或1的传输①需定义电路接口参数如形状、尺寸、引脚数等)②需定义传输信号的含义、电气特征如5V表示11V表示0每比特电信号持续时间0.1ms3. 链路层链路层任务确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错。包含以下功能差错控制检错纠错(以帧为单位)流量控制协调两个节点的速率4. 网络层网络层任务把“分组”从源结点转发到目的结点。包含以下功能①路由选择构造并维护路由表决定分组到达目的节点的最佳路径②分组转发将“分组”从合适的端口转发出去④拥塞控制发现网络拥塞并采取措施缓解拥塞网际互联实现异构网络互联⑤其他功能(以分组为单位)差错控制、流量控制、连接建立与释放(确保分组有序,不重复到达)、可靠传输管理(接收方需返回,分组确认消息)5. 传输层传输层任务实现端到端通信(即实现进程到进程的通信“端”指端口)①复用和分用发送端几个高层实体复用一条低层的连接在接收端再进行分用。②其他功能(以分组为单位)差错控制、流量控制、连接建立与释放(确保报文段有序,不重复到达)、可靠传输管理(接收方需返回,报文段确认消息)6. 5~7层7. 各层数据传输单位九.TCP/IP模型1. 应用层2. 网络接口层3. 网络层4. 传输层5. 路由器功能6. OSI vs TCP/IP
计算机网络理论：1.概述
第一章:概述一.相关定义计算机网络(Computer networking)是一个将众多分散的、自治的计算机系统通过通信设备与线路连接起来由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。计算机网络(简称网络): 由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等链路可以是有线链路、无线链路1. 计算机网络(1).集线器(Hub)集线器会冲突可以把多个结点连接起来组成一个计算机网络普通民用领域已很少用集线器集线器”工作在物理层将在第二章学习(2).交换机(Switch)交换机不会冲突可以把多个结点连接起来组成一个计算机网络家庭、公司、学校通常用交换机组建内部网络2. 互连网(1).路由器(router)可以把两个或多个计算机网络互相连接起来形成规模更大的计算机网络也可称为“互连网Tips: 计算机网络课程中的路由器和家用路由器有一些区别。家用路由器路由器交换机其他功能3. 互联网(1).ISP(Internet Service Provider)互联网服务提供商(中国移动/联通/电信)由各大ISP和国际机构通过高级路由器形成覆盖全球范围的互连网即互联网tip: 互联网必须使用TPC/IP协议通信互连网可以使用任意协议通信二.计算机网络的组成和功能1. 计算机网络的组成(1).分类①.组成②.工作方式③.逻辑功能2. 计算机网络的功能三.三种交换方式1. 电话网络(电路交换)(1).定义(2).优缺点优点在通信的全部时间内两个用户始终占用端到端的线路资源。数据直送传输速率高缺点建立、释放连接需要额外的时间开销线路被通信双方独占利用率低线路分配的灵活性差无法发现传输过程中的数据错误(不支持“差错控制”)2. 电报网络(报文交换)(1).定义(2).优缺点优点通信前无需建立连接数据以“报文”为单位被交换节点间“存储转发”通信线路可以灵活分配在通信时间内两个用户无需独占一整条物理线路线路利用率较高交换节点支持“差错控制”缺点报文不定长不支持存储转发管理长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大长报文容易出错重传代价高3. 现代计算机网络(分组交换)(1).定义分组号: 用于判断分组数据到达接收方后如何排序(2).优缺点优点(同报文交换)通信前无需建立连接数据以“分组”为单位被交换节点间“存储转发”通信线路可以灵活分配在通信时间内两个用户无需独占一整条物理线路线路利用率较高交换节点支持“差错控制”对报文交换缺点的改进分组定长方便存储转发管理分组的存储转发时间开销小、缓存开销小分组不易出错重传代价低缺点相比于报文交换控制信息占比增加相比于电路交换依然存在存储转发时延报文被拆分为多个分组传输过程中可能出现失序、丢失等问题增加处理的复杂度四.三种交换方式性能分析1. 电路交换2. 报文交换3. 分组交换4. 总结五.计算机网络分类1. 按分布范围分类注: 局域网通过路由器接入广域网常说的 WLAN 即 Wireless Local Area Network2. 按传输技术分类(1).广播式网络当一台计算机发送数据分组时广播范围内所有计算机都会收到该分组并通过检查分组的目的地址决定是否接收该分组Eg: 所有无线网络都是广播式(2).点对点网络数据只会从发送方“点对点”发到接收方精准送达Eg: 路由器转发的数据分组3.按拓扑结构分类(逻辑)(1).总线形结构数据广播式传输存在“总线争用”问题;典型代表: 集线器连接的设备(2).环形结构数据“广播式”传输通过“令牌”解决总线争用问题令牌顺环形依次传递拿到令牌者可使用总线典型代表: 令牌环网(流行于2000年以前的局域网技术)(3).星形结构由中央设备实现数据的“点对点”传输不存在“总线争用”问题典型代表: 以太网交换机连接的设备(4).网状结构数据通过各中间节点逐一存储转发属于“点到点”传输典型代表: 由众多路由器构建的广域网4. 总结六.计算机网络的性能指标1. 速率(1).定义指连接到网络上的节点在信道上传输数据的速率也称数据率或比特率、数据传输速率(2).单位bps(或记为 b/s、bit/s;可加上数量前缀k、M、G、T, 10^3递增)。注意: 有时也会用B/s(1B 8b, BByte 字节, bbit 比特)(3).信道(Channel)表示向某一方向传送信息的通道(信道 ! 通信线路)一条通信线路在逻辑上往往对应一条发送信道和一条接收信道2. 带宽(bandwidth)(1).定义某信道所能传送的最高数据率注:节点间通信实际能达到的最高速率由带宽、节点性能共同限制。(2).单位bps(或记为 b/s、bit/s;可加上数量前缀k、M、G、T, 10^3递增)。(3).通信原理里的带宽定义带宽(bandwidth): 表示某信道允许通过的信号频带范围;单位: Hz(读作“赫/赫兹”可加上数量前缀k、M、G、T, 10^3递增)。3. 吞吐量(1).定义指单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际数据量吞吐量受带宽限制、受复杂的网络负载情况影响(2).单位bps(或记为 b/s、bit/s;可加上数量前缀k、M、G、T, 10^3递增)。4.时延/延迟(Delay)(1).定义指数据(一个报文或分组甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延。(2).例题5. 时延带宽积(1).定义(2).例题6. 往返时延(RTT)(1).定义从发送方发送完数据到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。注: 为简化问题此图并未分析发送方和接收方之间的其他节点ps: 游戏延迟反应的就是手机-服务器的RTT7. 信道利用率(1).定义某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的七.计算机网络的分层结构1. 三种计算机网络体系结构2. 网络体系结构的概念网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合, 就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义(不涉及实现)实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。体系结构是抽象的而实现则是具体的3. 各层之间的关系(1).实体定义实体: 在计算机网络的分层结构中第n层中的活动元素(软件硬件)通常称为第n层实体。不同机器上的同一层称为对等层同一层的实体称为对等实体。(2).协议定义协议: 即网络协议(Network Protocol)是控制对等实体之间进行通信的规则的集合是水平的。(3).接口定义接口: 即同一节点内相邻两层的实体交换信息的逻辑接口又称为服务访问点(Service AccessPoint, SAP)。(4).服务定义服务: 服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用它是垂直的。4. PDU、SDU、PCI的概念协议数据单元(PDU): 对等层次之间传送的数据单位。第n层的 PDU记为n-PDU协议控制信息(PCI-报头): 控制协议操作的信息。第 n层的 PCI记为 n-PCI。服务数据单元(SDU-报文): 为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据。第n层的 SDU记为n-SDU。三者的关系为 n-PDU n-SDU n-PCI (n - 1)-SDU5. 协议的三要素(1).语法**数据与控制信息的格式。**例如协议控制信息(首部)部分占几个字节、每个字节是什么含义: 协议的数据部分最多由多少字节。(2).语义**即需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答。**例如协议中需要明确规定发送方完数据后接收方是否需要“应答”以及应答的种类有哪些如传输成功、传输失败)。(3).同步(时序)**执行各种操作的条件、时序关系等即时间实现顺序的详细说明。**例如发送方发完数据后接收方需要立即应答。如果发送方在10秒内未收到“传输成功”应答则发送方会再次发送数据。八.OSI参考模型1. OSI参考模型2. 物理层物理层任务实现相邻节点之间比特0或1的传输①需定义电路接口参数如形状、尺寸、引脚数等)②需定义传输信号的含义、电气特征如5V表示11V表示0每比特电信号持续时间0.1ms3. 链路层链路层任务确保相邻节点之间的链路逻辑上无差错。包含以下功能差错控制检错纠错(以帧为单位)流量控制协调两个节点的速率4. 网络层网络层任务把“分组”从源结点转发到目的结点。包含以下功能①路由选择构造并维护路由表决定分组到达目的节点的最佳路径②分组转发将“分组”从合适的端口转发出去④拥塞控制发现网络拥塞并采取措施缓解拥塞网际互联实现异构网络互联⑤其他功能(以分组为单位)差错控制、流量控制、连接建立与释放(确保分组有序,不重复到达)、可靠传输管理(接收方需返回,分组确认消息)5. 传输层传输层任务实现端到端通信(即实现进程到进程的通信“端”指端口)①复用和分用发送端几个高层实体复用一条低层的连接在接收端再进行分用。②其他功能(以分组为单位)差错控制、流量控制、连接建立与释放(确保报文段有序,不重复到达)、可靠传输管理(接收方需返回,报文段确认消息)6. 5~7层7. 各层数据传输单位九.TCP/IP模型1. 应用层2. 网络接口层3. 网络层4. 传输层5. 路由器功能6. OSI vs TCP/IP
