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1.1 计算机网络概述

计算机网络的定义

计算机网络是将分散的、具有独立功能的计算机系统，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。

计算机网络的功能

1. 数据通信

这是计算机网络最基本的功能，实现计算机之间的数据传输。

2. 资源共享

  • 硬件资源共享：打印机、存储设备等
  • 软件资源共享：应用程序、数据库等
  • 数据资源共享：文件、数据等

3. 分布式处理

将大型任务分解，由网络中的多台计算机协同完成。

4. 提高可靠性

通过网络中的多台计算机互为备份，提高系统可靠性。

5. 负载均衡

将工作任务均衡地分配到网络中的各台计算机上。

计算机网络的组成

1. 从组成部分看

  • 硬件：主机、通信链路、交换设备、通信处理机等
  • 软件：网络操作系统、网络协议、网络应用程序等
  • 协议：通信规则和约定

2. 从工作方式看

  • 边缘部分：用户直接使用的主机，用于通信和资源共享
  • 核心部分：为边缘部分提供服务，实现数据交换

3. 从功能组成看

  • 通信子网：实现数据通信功能
  • 资源子网：实现资源共享功能

计算机网络的分类

1. 按覆盖范围分类

广域网（WAN）

  • 覆盖范围：几十到几千公里
  • 连接对象：不同城市、国家的计算机
  • 示例：Internet

城域网（MAN）

  • 覆盖范围：一个城市
  • 连接对象：一个城市内的计算机
  • 示例：有线电视网

局域网（LAN）

  • 覆盖范围：几米到几公里
  • 连接对象：一个建筑物或校园内的计算机
  • 示例：以太网、WiFi

个人区域网（PAN）

  • 覆盖范围：几米
  • 连接对象：个人设备
  • 示例：蓝牙

2. 按传输技术分类

  • 广播式网络：所有主机共享一个通信信道
  • 点对点网络：每条线路连接一对主机

3. 按拓扑结构分类

  • 总线型：所有主机连接到一条总线上
  • 星型：所有主机连接到中心节点
  • 环型：主机连接成环状
  • 网状型：主机之间有多条路径

4. 按使用者分类

  • 公用网：电信公司建设，面向公众
  • 专用网：某个部门建设，为特定用户服务

计算机网络的性能指标

1. 速率（比特率）

数据的传输速率，单位是 bit/s（bps）。

常用单位：

  • 1 Kbps = 10310^3 bps
  • 1 Mbps = 10610^6 bps
  • 1 Gbps = 10910^9 bps
  • 1 Tbps = 101210^{12} bps

2. 带宽

网络的最高数据传输速率，单位是 bit/s。

注意
在计算机网络中，带宽指的是数字信道的最高数据传输速率，而不是模拟信号的频率范围。

3. 吞吐量

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≤带宽吞吐量 \leq 带宽

4. 时延

数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。

总时延包括：

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

发送时延

主机或路由器发送数据帧所需的时间。

发送时延=数据帧长度（bit）发送速率（bit/s）发送时延 = \frac{数据帧长度（bit）}{发送速率（bit/s）}

传播时延

电磁波在信道中传播所需的时间。

传播时延=信道长度（m）电磁波传播速率（m/s）传播时延 = \frac{信道长度（m）}{电磁波传播速率（m/s）}

考点提示
电磁波在自由空间的传播速率约为 3×1083 \times 10^8 m/s（光速）。

处理时延

主机或路由器处理分组所需的时间。

排队时延

分组在路由器输入队列中等待处理的时间。

5. 时延带宽积

时延带宽积=传播时延×带宽时延带宽积 = 传播时延 \times 带宽

表示某段链路现在有多少比特。

6. 往返时间（RTT）

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方确认所经历的时间。

7. 利用率

  • 信道利用率：信道有百分之几的时间是被利用的
  • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均
时延=空闲时延1−利用率时延 = \frac{空闲时延}{1 - 利用率}

注意
利用率过高会导致时延急剧增加，因此不应追求 100% 的利用率。

计算机网络体系结构

OSI 参考模型（七层）

从下到上：

  1. 物理层：传输比特流
  2. 数据链路层：传输帧，差错控制
  3. 网络层：路由选择，分组转发
  4. 传输层：端到端通信，可靠传输
  5. 会话层：建立、管理、终止会话
  6. 表示层：数据格式转换、加密
  7. 应用层：为应用程序提供服务

TCP/IP 参考模型（四层）

从下到上：

  1. 网络接口层：对应 OSI 的物理层和数据链路层
  2. 网际层（IP 层）：对应 OSI 的网络层
  3. 传输层：对应 OSI 的传输层
  4. 应用层：对应 OSI 的会话层、表示层、应用层

五层参考模型

这是为了学习方便而综合 OSI 和 TCP/IP 的优点：

  1. 物理层
  2. 数据链路层
  3. 网络层
  4. 传输层
  5. 应用层

数据交换方式

1. 电路交换

在通信前建立专用的物理通路，通信结束后释放。

特点：

  • 独占资源
  • 实时性好
  • 线路利用率低

示例：传统电话网络

2. 报文交换

以报文为单位进行存储转发。

特点：

  • 无需建立连接
  • 存储转发
  • 时延较大

3. 分组交换

将报文分割成较小的分组进行传输。

特点：

  • 高效利用带宽
  • 灵活性好
  • 时延小于报文交换

分类：

  • 数据报方式：每个分组独立路由
  • 虚电路方式：建立虚拟连接

本节小结

  • 计算机网络实现了资源共享和信息传递
  • 计算机网络可按覆盖范围、传输技术、拓扑结构等分类
  • 网络性能指标包括速率、带宽、时延、吞吐量等
  • 计算机网络体系结构分为 OSI 七层模型和 TCP/IP 四层模型
  • 数据交换方式有电路交换、报文交换和分组交换

下一节： 1.2 计算机网络体系结构