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计算机网络


计算机网络的概念

计算机网络是指自主计算机的互连集合
  1. 自主是指每个计算机都是自治独立的,一台计算机的运行不依赖另外一台计算机。
  2. 互连是指计算机之间能够通信,交换数据。
计算机网络是网络硬件和网络协议的统一体

计算机网络的功能与应用

  1. 数据通信
  2. 资源共享
  3. 信息服务
  4. 分布式计算

计算机网络的产生和发展

20世纪50至60年代-计算机网络产生
  • 第一个计算机网络:ARPANET
20世纪70至80年代-因特网和局域网发展时期
  • 局域网技术的出现
  • ARPANET和NSFNET的发展
  • 网络体系结构的形成和网络互连技术的发展
20世纪90年代-因特网大发展时期
  • WWW
  • 美国:信息高速公路
  • 欧共体:欧洲信息空间(EIS)计划
  • 新加坡:智能岛
  • 中国:1994年4月正式通过64Kb/s的专线接入因特网;三金工程
20世纪-网络和信息化的社会
  • 三网融合
  • 下一代互联网技术:IPV6,NGI,CERNET2
  • 物联网

计算机网络的组成和结构

计算机网络结构图

计算机网络可以看成由三部分组成:

  • 端系统:包括主机、服务器、手机等。端系统产生、接收和处理数据。
  • 交换设备:包括路由器、交换机等。交换设备将端系统产生的数据从源端转发到目的端。
  • 通信线路:包括光纤、铜缆、无线电等。通信线路将端系统、交换设备互相连接起来。

ISP层级结构图

完成网络通信的认为,除了硬件设施外,还需要软件来控制消息的传递。在端系统和交换设备上都运行了特定的软件,这些软件称为网络协议。网络协议控制着网络中信息的传递,是计算机网络的核心内容。

数据交换技术

数据交换技术分为三类:电路交换、报文交换、分组交换。计算机网络采用都是分组交换技术,这是由计算机网络的通信特点和要求决定的。计算机网络的产生具有军事背景,因此要求网络具有较强的灵活性和适应能力,在部分受到破环后通信能够正常进行;同时计算机之间的通信还具有突发性,可能一段事件内都没有数据,而突然在短时间内会有大量数据发送。

电路交换

电路交换是在电话系统中使用的核心交换技术。电话系统中有许多交换机,这些交换机是分层次的,与用户直接相连的是本地交换机,本地交换机与上一级交换机相连,这样层层相连,构成一个庞大的电话网络。用户电话和本地交换机之间的线路称为用户线,交换机之间的线路称为干线。

特点:

  • 面向连接的特性
  • 通信资源的独占性

电路交换不适合计算机网络通信

  • 突发性
  • 灵活性
报文交换

报文交换起源于电报系统,传输的单位称为报文。报文包括正文和地址信息,报文可长可短,报文交换采用的是存储转发机制,不需要事先建立连接。

优点:

  • 报文交换不需要事先建立连接,可以直接发送数据,比较灵活。
  • 每个报文分段占用线路,报文交换机也不用为报文预留资源,资源利用率比较高。

缺点:

  • 时延要比电路交换大。
  • 要完整地接收传来的整个报文,因此要求交换机有较大的缓存区。
  • 报文长度没有限制,对于大的报文,延时和缓存占用会更大。
分组交换
  • 分组交换原理

分组交换技术起源于ARPANET网络,与报文交换类型,也采用存储转发机制,存储交换是分组交换的核心。与报文交换不同,分组交换会将一个大的报文分解成若干个小的数据块,每个数据块会添加一个首部,组成一个分组。分组是分组交换技术的传输单元。分组的首部中含有控制信息(包括目的地的信息)。在数据前添加首部就如同把一封信装入信封,有了信封的地址,信息能被送到目的地。

数据前面添加首部,首部中含有主机的地址等控制信息。数据和首部共同组成分组。分组进入交换设备,在交换设备内缓存、排队,交换设备根据首部内地址信息,查找转发表转发分组称为存储转发。

在分组交换网络中,有许多分组交换机,它们之间有高速的链路连接,主要作用是转发分组。每个主机都能连接到一台分组交换机上。

分组交换特点:

  • 分组分段的占用通信链路,通信资源利用率高。
  • 每个分组独立传输,灵活性好,网络适应能力强。

分组交换技术适合计算机网络


三种交换技术的比较

分组交换技术分类

分组交换在具体技术实现上,可以分为数据报虚电路两种方式。

数据报

数据报是因特网所采用的交换技术。

  • 如果主机有数据发送,就生成分组直接交给交换设备转发。
  • 每个分组的首部都包含目的地完整的地址,每个分组被独立的转发,到达同一台主机的分组可能会走不同的路。
  • Internet采用的是数据报方式。
  • 数据报技术可以自适应网络变化,分组可能会走不同的路到达目的地。

虚电路

  • 在虚电路方式中,发送数据前,发送方首先要呼叫接收方,呼叫的目的是为了确定一条从发送方到接收方的路。
  • 主机和途径的交换设备都会记录这条路的信息,这条路叫做虚电路,使用虚电路号来表示。
  • 虚电路建立完毕后,此后所有的分组都要走这条路,分组首部写入虚电路号,不需要写目的地的完整地址。
  • 数据传输完毕后,还需要拆除虚电路。
虚电路 数据报
基本思路 交换网络比较复杂,由网络处理传输中的大多数问题 交换网络尽量简单,由主机处理传输中的大多数问题
连接建立 需要建立连接 不需要建立连接
目的地址 建立连接时使用,以后分组使用虚电路号 每个分组都要使用目的地的完整地址
灵活性 出故障后,虚电路需要重建 分组可以绕开故障点,灵活性好
分组的按序达到 能够保证按序到达 不能保证按序到达

计算机网络的主要性能指标

计算机网络的性能指标包括带宽、时延、吞吐量、时延带宽积、往返时间等。

带宽
  • 带宽原本是通信领域的概念,是指某个信号所具有的频带宽度,单位为赫兹(Hz),任何一个信号可以看成是由不同频率的正弦信号叠加组成的,这些正弦信号中,最高频率和最低频率的差称为信号的带宽。
  • 计算机网络中借用了带宽的概念。用带宽表示数据的发送速率,单位为比特每秒(b/s),意思是一秒钟能够发送的比特数,因此带宽又被称为比特率。更常用的带宽单位为kb/s(10^3b/s),Mb/s(10^6b/s),Gb/s(10^9/bs)。
时延

时延是指一个分组从一台主机经过分组交换网络到达目的地主机所需的时间。

四种时延

  • 发送时延

发送时延是分组从主机或分组交换机内部到线路上所花的时间。

发送时延=分组长度/线路带宽。带宽越大,发送时延越小。

  • 传播时延

传播时延是分组在线路上传播所用的时间

传播时延=线路长度/信号在线路上的传播速度。线路越长,传播时延越大。

如果线路为光纤,信号的传播速度为30万公里/秒;如果为铜线,信号的传播速度约为20万公里每秒(光速的三分之二)。

  • 处理时延

分组进入分组交换机,分组交换机要进行差错检测,读取分组首部信息,计算决定分组的下一站,这部分所花费的时间是处理时延。处理时延与分组交换机的性能有关。不能作定量的计算。

  • 排队时延

在分组交换机内部,分组会按照到达的先后顺序进行转发,如果前面有分组还没有处理完,后面分组就要排队。在队列中等待的时间称为排队时延。排队时延与网络状况,队列长度,交换的处理能力都相关,也无法做定量的计算。

时延带宽积

时延带宽积是指传播时延和线路带宽的乘积

时延带宽积=传播时延*速度

时延带宽积表示当线路充满比特时,线路上的比特数目。

收发两端之间的传输距离为 10km,信号在媒体上传播速率为 2*108m/s。试计算若数据块

长度为 1500bit,带宽为 100Mb/s 的情况下,它的传播时延和发送时延。

答:传播时延=10km/2x10^8m/s=5x10^-5s

​ 发送时延=1500bit/100Mb/s=1.5x10^-5s

计算机网络的分类

传输技术分类

  • 广播式网络
  • 点对点式网络

网络规模分类

  • 局域网
  • 城域网
  • 广域网

网络所有者分类

  • 共有网
  • 私有网

计算机网络的拓扑结构

计算机网络的拓扑结构用来描述网络中结点与通信的连接关系,反映计算机网络的总体框架和结构。常见的计算机网络拓扑结构有:星型,环型,总线型,树型,网状型。

  • 星型拓扑

在星型拓扑中,每个结点都通过通信线路与一个中心结点相连,中心结点控制全网的通信,任何两个结点的通信都需要经过中心结点。星型拓扑结构简单,易于管理和扩展,但是如果中心节点出现问题,则整个网络的通信就会瘫痪。

星型拓扑

  • 环型拓扑

在环型拓扑中,各个结点通过通信线路连接成一个封闭的环路,一个结点发出的信息会沿着换流动,到达每一个结点。环型拓扑结构简单,传输延时确定。

环型拓扑

  • 总线型拓扑

在总线型拓扑中,所有的结点共享一条通信线路,一个结点发出的信息沿总线传播,可以被所有的结点接收到。当有两个结点同时发送数据时,就会发生冲突,因此需要对通信链路的使用权进行协调。如果总线发生故障,则所有的通信都不能进行。

总线型拓扑

  • 树型拓扑

树型拓扑就像一个树根朝上的树,各个结点分层次地接入网络。树型拓扑比较容易扩展,故障也容易分离处理,但是如果根节点出现故障,则会影响整个网络的通信。

树型拓扑

  • 网状型拓扑

在网状型拓扑结构中,结点之间的连接是没有规律的,结点间的连线构成一张网。网状拓扑的特点是可靠性好,存在冗余路径,当一条线路损坏时整个网络仍然可以工作。单是网状型拓扑比较复杂,需要采用路由选择算法才能正确的传输数据。

网状型拓扑

网络标准化

  • ITU:国际电信联盟
  • ISO:国际标准化组织
  • IEEE:电气和电子工程师协会
  • 国际互联网协会
  • 因特网体系结构委员会
  • 因特网工程任务组:RFC文档

总结


文章作者: HaiLin Zhou
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