計算機網絡概述

目錄

因特網
計算機網絡性能指標
網絡中通信
三種交換方式
網絡分層協議模型

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因特網

組成:

• 邊緣部分
  • 由所有連接在因特網上的主機組成
  • 供用戶直接使用，用來進行數據交換(傳送數據、音頻或視頻)和資源共享
• 核心部分
  • 功能:
    • 向網絡邊緣中的大量主機提供連通性，使邊緣部分中的任何一個主機都能夠向其他主機通信(即傳送或接收各種形式的數據).
  • 關鍵組成部分:
    • 路由器(router),路由器是實現分組交換(packet switching)的關鍵構件,任務是轉發收到的分組,這是網絡核心部分最重要的功能
  • 由ISP (Internet Service Provider)因特網服務提供者提供

三級計算機網絡:

• 主干網
• 地區網
• 校園網/企業網

計算機網絡向用戶提供的最重要的功能:

• 連通性:　　使上網用戶之間可以交換信息
• 共享:　　即資源共享(信息共享 軟件共享 硬件共享)

網絡體系結構:

結構:

特點:

• • 容錯能力
  • 可擴展性
  • 安全
    • 網絡中采取的安全措施包括:
      • 防止未經授權地披露或竊取信息
      • 防止未經授權地修改信息
      • 防止拒絕服務實現這些目標的方法包括
    • 確保機密性:
      • 用戶認證
      • 數據加密
    • 維護通信完整性:
      • 數字簽名
    • 確保可用性:
      • 防火牆
      • 冗余網絡基礎架構
      • 防止單點失效的硬件

網絡划分:

• 按范圍划分:
  • 廣域網 WAN (Wide Area Network)
  • 局域網 LAN (Local Area Network)
  • 城域網 MAN (Metropolitan Area Network)
  • 個人區域網 PAN (Personal Area Network)
• 按使用者划分:
  • 公用網 (public network)
  • 專用網 (private network)

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計算機網絡性能指標

速率(rate)

定義 連接計算機網絡的主機在數字信道上傳送數據的速率,單位是比特bit)

帶寬(bandwidth)

作用 網絡的同學線路所能傳送數據的能力
定義 本來是指信號具有的頻帶寬度,單位是赫(或千赫,兆赫,吉赫等),現在是指數字信道所能傳送的"最高數據率",單位是"比特每秒"或 b/s (bit/s)

 

吞吐量(throughput)

定義 表示在單位時間內通過某個網絡(或信道,接口)的數據量
注意 吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制

 

時延(delay)

分類:

• • 傳輸時延(發送時延)
    • 發送數據時,數據塊從結點進入傳輸媒體所需要的時間也就是從發送數據幀的第一個比特算起,到該幀的最后一個比特發送完畢所需的時間
  • 傳播時延
    • 電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間
  • 處理時延
    • 交換結點為存儲轉發而進行一些必要的處理所花費的時間
  • 排隊時延
    • 定義:
    • 結點緩存隊列中分組排隊所經歷的時延
    • 決定因素:
    • 排隊時延的長短往往取決於網絡中當時的通信量
    • 分類:
    • 輸入隊列中排隊等待處理
    • 輸出隊列中排隊等待處理

總時延:

總時延= 發送時延+傳播時延+處理時延+處理時延

注意:

對於高速網絡鏈路,我們提高的僅僅是數據的發送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率.提高鏈路帶寬減小了數據的發送時延

圖解:

 

時延帶寬積

時延帶寬積 = 帶寬 × 傳播時延

 

往返時間RTT(round-Trip Time)

從發送數據開始到接收到對方的確認的時間值

 

利用率

• 信道利用率 某信道有百分之幾的時間是被利用的(有數據通過,完全空閑的信道的利用率是零,信道利用率並非越高越好)
• 網絡利用率 則是全網絡的信道利用率的加權平均值

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網絡中通信

網絡中兩種通信方式:

客戶/服務器方式_C/S (Client/Server方式)

• • 定義:
    • 描述的是進程之間服務和被服務的關系
  • 客戶端:
    • 通信時主動向遠地服務器發起通信(主動)
    • 不需要特殊的硬件和很復雜的操作系統(簡單)
    • 客戶端程序的地址為可變的(IP不固定)
  • 服務器端:
    • 被動地等待通信請求可同時處理多個遠地或本地客戶的請求(被動)
    • 需要強大的硬件和高級的操作系統支持.(復雜)
    • 服務器端程序的地址為固定的(IP固定)

對等方式P2P(Peer-to-Peer方式)

• • 連接方式:
    • 兩個主機都運行對等連接軟件（P2P 軟件）,它們就可以進行平等的,對等連接通信
  • 特點:
    • 通信時並不區分哪一個是服務請求方還是服務提供方,雙方都可以下載對方已經存儲在硬盤中的共享文檔

瀏覽器/服務器_B/S(Browser/Server方式)

• • 說明:
    • 它是隨着Internet技術的興起，對C/S模式應用的擴展.在這種結構下，用戶工作界面是通過IE瀏覽器來實現的
  • 客戶端(也具備C/S客戶端的三個特點):　　　　瀏覽器(一般無須任何用戶程序)
  • 服務器端(也具備C/S客戶端的三個特點):　　　Web服務器
  • 優點:
    • 具有分布性特點，可以隨時隨地進行查詢、瀏覽等業務處理。
    • 業務擴展簡單方便，通過增加網頁即可增加服務器功能。
    • 維護簡單方便，只需要改變網頁，即可實現所有用戶的同步更新。
    • 開發簡單，共享性強
  • 缺點:
    • 個性化特點明顯降低，無法實現具有個性化的功能要求。
    • 操作是以鼠標為最基本的操作方式，無法滿足快速操作的要求。
    • 頁面動態刷新，響應速度明顯降低。
    • 無法實現分頁顯示，給數據庫訪問造成較大的壓力。
    • 功能弱化，難以實現傳統模式下的特殊功能要求。

影響網絡通信的成功與否的內部因素包括:

• 消息的大小
• 消息的復雜程度
• 消息的重要程度

通信要素:

• 三個共同的要素:
  • 消息來源
  • 通道
  • 消息的目的地址
• 傳達消息方法:
  • 分段 – 將通信划分為多個片段.
  • 多路復用 – 交替發送經過介質的片段

網絡組成及連接:

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三種交換方式

電路交換

特點:

• • 面向連接的
  • 傳送計算機數據效率低(由於計算機數據具有突發性,這導致通信線路的利用率很低)

電路交換的三個階段:

• • 建立連接
  • 通信
  • 釋放連接

電路交換的"交換"含義:

轉接(把一條電話線轉接到另一條電話線,使它們連通起來)

報文交換

報文特點:

• • 發送端 把數據段前面添加上首部構成報文.發送出去
  • 接收端 收到報文后剝去首部取得報文

報文首部:

• • 報文的首部都含有地址等控制信息
  • 分報文換網中的結點交換機根據收到的報文首部中地址信息,把報文轉發到下一個結點交換機.直到達最終目的地

路由器處理報文的過程:

• • 把收到的報文先放入緩存（暫時存儲）
  • 查找轉發表,找出到某個目的地址應從哪個端口轉發
  • 把報文送到適當的端口轉發出去

分組交換

分組特點:

• • 發送端 把較長的報文划分成較短的,固定長度的數據段.每一個數據段前面添加上首部構成分組.以"分組"作為數據傳輸單元.依次把各分組發送到接收端
  • 接收端 收到分組后剝去首部,最后還原成原來的報文

分組首部:

• • 每一個分組的首部都含有地址等控制信息
  • 分組交換網中的結點交換機根據收到的分組的首部中的地址信息,把分組轉發到下一個結點交換機.直到達最終目的地

路由器處理分組的過程:

• • 把收到的分組先放入緩存（暫時存儲）
  • 查找轉發表,找出到某個目的地址應從哪個端口轉發
  • 把分組送到適當的端口轉發出去

因特網核心部分采用分組交換的優點:

• • 高效 動態分配傳輸帶寬,對通信鏈路是逐段占用
  • 靈活 以分組為傳送單位和查找路由
  • 迅速 不必先建立連接就能向其他主機發送分組
  • 可靠 保證可靠性的網絡協議

分組交換帶來的問題:

• • 分組在各結點存儲轉發時需要排隊,這就會造成一定的時延
  • 分組必須攜帶的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的開銷

三種轉發的比較

 

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網絡分層協議模型

根據 TCP/IP協議簇的協議來命名 PDU:

• 應用層　　　　數據 一般術語　　　　泛指應用層使用的 PDU 
• 傳輸層　　　　數據段　　　　　　　 傳輸層 PDU
• 網絡層　　　　數據包　　　　　　　 網絡層 PDU
• 鏈路層　　　　幀　　　　　　　　　 網絡接入層 PDU
• 物理層　　　　比特(位)　　　　　　 通過介質實際傳輸數據時使用的 PDU

 

OSI 七成協議模型

• 應用層　　例如HTTP、SMTP、SNMP、FTP、Telnet、SIP、SSH、NFS、RTSP、XMPP、Whois、ENRP
• 表示層 　　例如XDR、ASN.1、SMB、AFP、NCP
• 會話層 　　例如ASAP、TLS、SSH、ISO 8327 / CCITT X.225、RPC、NetBIOS、ASP、Winsock、BSD sockets
• 傳輸層 　　例如TCP、UDP、RTP、SCTP、SPX、ATP、IL
• 網絡層 　　例如IP、ICMP、IGMP、IPX、BGP、OSPF、RIP、IGRP、EIGRP、ARP、RARP、X.25
• 數據鏈路層 例如以太網、令牌環、HDLC、幀中繼、ISDN、ATM、IEEE 802.11、FDDI、PPP
• 物理層 　　例如線路、無線電、光纖

 

分層的好處:

• 各層之間是獨立的
• 靈活性好
• 結構上可分割開
• 易於實現和維護
• 能促進標准化工作

相關概念:

• 實體(entity) 　　任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程
• 協議 　　　　　　控制兩個對等實體進行通信的規則的集合( 協議是"水平的",是控制對等實體之間通信的規則.下面的協議對上面的服務用戶是透明的 )
• 服務服務是"垂直的",是由下層向上層或上層向下層通過層間接口提供的

協議模型:

包裝數據包的過程 

TCP 傳給 IP 的數據單元稱作 TCP 報文段或簡稱為 TCP段(TCP segment) ，傳給網絡接口層的數據單元稱作 IP 數據報(IP datagram).通過以太網傳輸的比特流稱作幀(Frame)

分用即解包的過程

不同層直接協議關系

不同的BSD版及其重要的TCP-IP特性