概述

网络计算机定义与分类

计算机网络的定义

计算机网络(Computer network)的简单定义 计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合 1. 相互连接 2. 可以独立工作 3. 不止一台

网络的功能 1. 连通性 2. 资源共享

计算机网络与分布式系统(Distributed system)

  • 在分布式系统中，一组独立的计算机展现给用户的是一个统一的整体，就好像是一个系统似的，常通过覆盖一层专用软件，如: Hadoop

  • 计算机网络不具有这种统一性

  • 分布式系统建立在网

  • 络之上

计算机网络的分类

按照作用范围分类(或覆盖范围)

  • 广域网 WAN (Wide Area Network)

    • 作用范围几十到几千公里

  • 局域网 LAN (Local Area Network)

    • 通常局限在一个建筑物或一个单位内

  • 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)

    • 作用范围通常是一个城市

    • 常采用局域网技术建立

  • 个人区域网 PAN (Personal Area Network)

    • 在个人工作区域实现各种电子设备互联的网络，采用无线技术(如蓝牙)，因此又称为 WPAN(Wireless PAN)，作用范围大约在10m左右

计算机网络与Internet发展概述

计算机发展的几个阶段

  1. 主机-终端时代 (20世纪50-60年代)

    • 计算机以大型机的形式存在

    • 终端通过专用线路或通信网络连接搭配主机上，实现多用户远程共享主机计算资源

    • 终端只负责从键盘发送数据和接受数据到屏幕，实际的处理和计算全都在大型主机上进行

  2. 主机互连时代 (20世纪60-70年代)

    • 需求：不同地区之间的主机需要共享、传输数据

    • 1969年，ARPARENT 建立

  3. 网络时代 (20世纪70年代之后)

    • 1978年，TCP/IP协议诞生

    • 1983年，ARPANET采用TCP/IP协议

    • 加州大学伯克利分校推出内含TCP/IP的BSD UNIX

    • 80年代起，以IBM PC为代表的微机大量普及，微机之间的互连需求推动了局域网技术的发展

    • 随后局域网间互连需求又推动了Internet的快速发展

      • 网络的发展以通信技术为基础，反过来又带动通信技术发展，例如：光纤通信使得宽带网络互连成为可能，网络带来的数据传输需求又带动光纤通信的传输速率不断提高

Internet发展概述

  1. 第一阶段：ARPANET->网际互联发展

  2. 第二阶段：建成三级结构的Internet

  3. 第三阶段：形成多层次ISP结构的Internet

    • IP地址、域名管理等均交由专门企业运营 (开始商用)

注意：Internet 特指现在的互联网(又称为因特网)，internet 指多个网络互连形成的网络

计算机网络的性能

性能指标

  • 速率

    • 传送数据的速率，即数据速率(data rate)或比特率(bit rate)

    • 单位：b/s，也写为bps (bit per second)，kb/s、Mb/s、Gb/s、…

    • 注意： b 是 bit 位，B 是 Byte 字节，1字节=8位

  • 带宽(bandwidth)

    • 两种含义

      1. 原本指某个信号具有的频带宽度，如电话线上信号带宽为3.1kHz(300—3.4kHz)；通信线路允许通过的信号频带范围称为线路带宽

      2. 计算机网络中，指通信线路传送数据的能力，即最高数据率

  • 吞吐量(throughput)

    • 单位时间内通过网络的数据量(能传输多少数据)

    • 常用作实际网络的测量指标

  • 时延(delay, latency)

    • 指数据从网络(或链路)一端传送到另一端所需的时间，又称为延迟

    • 网络时延由多个部分组成

      • 发送时延 => $发送时延=\frac{数据块长度(b)}{发送速率(b/s)}$

      • 传播时延 => $传播时延=\frac{信道长度(m)}{电磁波在信道上的传播速率(m/s)}$

      • 处理时延

      • 排队时延

  • 时延带宽积

    • 又称为以比特为单位的链路长度

  • 往返时间(RTT—Round-Trip Time)

    • 又称为环路时延、回路时延

    • 从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的应答所经历的时间

    • 注意:

      1. 往返时间不是单向的时延*2，因为来回走的通路可能不同

      2. 往返时间更容易获取，因为单向的时延需要通过卫星同步两台主机的时钟

      3. 往返时间更有实际意义，因为真实通讯中大多是相互应答

  • 利用率

    • 用来评价一个信道或者一条线路的利用效率

    • 包括信道利用率和网络利用率

    • 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)

    • 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值

非性能指标

  • 费用

  • 质量

  • 标准化

  • 可靠性

  • 可扩展性和可升级性

  • 易于管理和维护

计算机网络体系结构

网络体系结构概述

  • 计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合

    OSI体系结构 --------------- 

            | 7 应用层     | Application layer     
        ---------------    
        | 6 表示层     | Presentation layer   
        ---------------  
        | 5 会话层     | Session layer    
        ---------------  
        | 4 传输层     | Transport layer  
        ---------------  
        | 3 网络层     | Network layer   
        ---------------  
        | 2 数据链路层 | Data link layer  
        ---------------  
        | 1 物理层     | Physical layer   
        ---------------

  • 分层原因：实现信息在网络中传输非常复杂，分层是将复杂问题简单化、局部化的有效方法

    • 传输介质：有线(铜线、光纤)、无线

    • 连接到网络中的计算机硬软件平台各不相同

    • 通信双方距离可长可短(可能需经过多条链路)

    • 需保证信息传输的可靠性、顺序性

    • 需满足各种应用的需要：文件传输、电子邮件、实时多媒体、…

  • 典型的网络体系结构

    • 1974年，IBM SNA(System Network Architecture)

    • 1977年，ISO开始制订OSI(Open System Interconnection Reference Model)，1983年形成标准

      • 影响最为广泛

    • TCP/IP

七层或五层协议的体系结构

  • OSI 体系结构 --- 7层

  • TCP/IP 体系结构 --- 4层 --- 当前使用特别广泛，是Internet的核心

    1. 会话层和表示层合并在应用层中

    2. 网络层称为网际层(Internet layer)

    3. 数据链路层和物理层合并为一个网络接口层(Host2Network layer)，只需要设计不同的接口就能满足不同的传输介质的需求(e.g. 为铜线设计一个铜线专用接口，为光纤设计一个光纤专用接口)

    4. 在底层的物理层不是特别完整，只负责定义接口，而物理层的细节没有涉及 (*)

  • 五层协议结构 --- 5层

    • 将 OSI 的七层和 TCP/IP 的四层进行结合

    • 只采用了 TCP/IP 的 1. 会话层和表示层合并在应用层中

    • 每一层的 $H_n$ 是每一层加的头(Header)

    • 协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)：对等层次之间传送的数据单位(即文件大小多少为1个单位进行传输)

    • 有些文献将多个层次的协议称为协议栈(protocol stack)

实体、协议、服务和服务访问点

  • 实体(entity)：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，在网络结构中不规定某一层是由软件实现还是硬件实现

  • 协议(protocol)：控制两个对等实体进行通信的规则的集合，如定义文件传输的单位大小，字节编码等规则

  • 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务(service)；要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务

  • 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点SAP(Service Access Point)

  • 协议对上层的服务用户是透明的，服务用户只能看到下层提供的服务 (*)

  • 协议的设计不但要考虑正常情况，还要考虑各种异常情况，较为复杂

  • 网络协议的经典问题：两军问题(蓝白军问题)

    • 蓝军中间的白军使得信息的交换不可靠

    • 在现实中也是假设大部分的信息是可靠的，但也存在着误码率等因素

    • 在日常的环境下，如果信道的可靠性降得比较低，就不能保证信息的传输

TCP/IP 的体系结构

网络标准化

概述

  • 标准化对于计算机网络至关重要，为了实现不同厂商的软硬件互联，大家必须遵守统一的标准

  • 标准分类

    • 法定标准：由权威机构制定的正式的、合法的标准，如：国字号

    • – 事实标准：某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准。如TCP/IP，大家都按照他的标准去适配生产。

标准化组织

  • ITU-T

    • 国际电信联盟电信委员会(International Telecommunication Union)，前身是国际电报电话咨询委员会(CCITT)

    • 各国按条约建立的机构，主要成员是各国的邮电部，主要负责制定电信行业的标准。

  • ISO

    • 国际标准化组织(International Standard Organization)

    • 义务性组织，主要成员是各大公司技术人员、大学教授、政府官员。

    • 负责各行业的标准制定，主要贡献：ISO/OSI RM

  • IEEE

    • 电子、电气学工程师学会(The Institute of Electrical and Electronics Engineers)

    • 专业性组织，学术团体，主要贡献：IEEE 802系列局域网标准。

  • IETF

    • Internet工程任务组(Internet Engineering Task Force)

    • 负责Internet相关标准的制定

    • 标准形式：RFC xxxx，RFC指Request for Comment，可以免费下载

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