计算机网络的发展与组成

计算机网络产生的两点原因：

• 计算机技术与通信技术的高度发展和融合
• 社会需求

观察计算机网络的产生和发展的两个角度：

• 数据传输的角度
• 网络的组成与功能

网络传输的角度
电路交换->报文交换->分组交换

• 电路交换：速度快，实时性好；可靠性较差，很难满足一些像军事部门这样的重要领域的需要。
• 报文交换：可靠性好，延迟无法确定（实时性差），报文一旦出错就需要重传。
• 分组交换：数据传输对通信线路是分段占用的，通信资源的利用率高；采用存储转发方式；可靠性高；实时性不佳,延时不确定。

计算机网络不同于传统通信网络的显著特征：

• 采用存储转发技术
• 采用分组交换技术

从网络的组成和功能看网络的发展：单机系统->多机系统->计算机通信网->计算机网络

计算机网络的定义：

计算机网络是将计算机,外围设备,通信设备等通过通信线路连接起来的,在软件系统的控制下实现信息和软硬件资源共享的通信系统。

计算机网络的特征：

• 组成的异构性,平等性,自治性和松散性
• 资源的共享性
• 采用分组交换和存储转发技术

计算机网络的功能：

• 数据通信
• 资源共享
• 负载均衡和分布式处理
• 远程控制
• 提高系统的可靠性
• 为新型计算机体系结构的研究提供了一条崭新途径 (集群, MPP等)

计算机网络的组成

计算机网络由节点以及连接节点的链路所组成的

• 节点：通常把计算机网络中的计算机,通信设备等称 为节点.
• 链路：连接这些节点的通信线路称为链路.

计算机网络的拓扑结构

定义：把计算机网络中的网络设备看作节点,而将连接各个节点间的链路看作边,从而所组成的几何图形就称为计算机网络的拓扑结构.

作用：它表示网络中各个节点以及相互之间的连接和几何位置关系.确定网络的拓扑结构是设计计算机网络的关键步骤,它对网络的维护,管理和扩充升级具有重要的影响.

计算机网络的分类

• 局域网LAN
• 城域网MAN
• 广域网WAN

计算机网络协议与体系结构

网络协议
定义：把计算机网络进行数据通信所遵守的规则,标准和约定称为网络协议,它包括语法,语义和时序三个要素.

• 语法就是传输数据的结构和格式
• 语义就是所交换数据各个部分的具体含义
• 时序是对事件出现顺序的详细说明

名词解释

• 协议栈：通信协议的处理过程相当于对一个栈进行操作,故常称之为协议栈(Protocol stack)
• 实体：通常将某一层内用于完成某一特定功能的协议进程称为实体.
• 对等层：网络体系结构中两个相对应的协议层称为对等层.
• 对等实体；它是指发送节点和接收节点处于相同层次上的对应协议进程.

采用层次结构的优点

• 各层功能相对独立,相邻层间仅通过接口发生联系；只要接口不变,层内部的功能如何实现或更改均不影响其它 层；这样每个层增加或修改一些功能都非常方便.
• 各个层均给相邻的上层提供服务,而上层需要时仅需调用这些服务,无须了解下层的实现方式,从而对高层协议 屏蔽了低层协议实现的具体细节,使每层的设计不需考虑过多的问题,仅局限于本层内部,使得设计更为简单.
• 由于各层的相对独立性,使得协议软件的设计,调试和维护都非常方便.

OSI/RM协议各层的功能

• 应用层.接收并响应用户的各种请求,为用户提供所需要的各种服务,如文件传输,电子邮件,WWW等.
• 表示层.完成被传输数据的抽象表示和解释,包括数据格式转换,加密/解密,压缩和解压等.
• 会话层.协调应用程序之间连接的建立和终止；为数据交换提供同步机制,确保数据交换在会话关闭之前完成.
• 运输层.为源主机和目的主机提供可靠,有效的数据传输,这种传输与具体的物理网络无关,即运输层独立于物理网络.
• 网络层.为通信子网的最高层,对运输层以上的高层协议屏蔽了通信子网的差异,完成全局寻址,路由选择,多路复用,数据分组和重装,差错检测,流量控制等功能.为把数据传输到目的主机进行寻址.
• 数据链路层.该层位于物理层和网络层之间,用于在相邻节点间建立数据链路,控制在相邻节点间传输数据；该层通过流量控制,差错控制,同步等措施保证数据在相邻节点间可靠,正确地传输.
• 物理层.用于定义与物理媒体(即传输介质)相关的规范和标准,涉及传输介质上比特流的传输以及有关传输介质的机械特性,电气特性, 功能特性和规程特性.

TCP/IP协议各层功能

• 应用层：接收并响应用户的各种请求,为用户提供各种服务.
• 运输层：提供端到端的可靠通信；还具有差错控制、数据包的分段和装配、数据包的顺序控制等功能；该层包括面向连接的TCP协议和无连接的UDP协议。
• 网络层：通过采用网络互连协议(即IP 协议)将不同的物理网络连接起来,以实现互连和互操作.该层的主要功能为：IP地址的分配与管理,路由生成和IP报文转发,IP报文的分片与重组,网络的测试与控制等.此外该层还定义了ICMP, IGMP,ARP等协议.
• 物理网络层：对应于OSI/RM模型的物理层和数据链路层.其功能是 负责从网络层接收IP数据包并通过物理网络进行传输, 或者是将接收的数据包提交给网络层.在TCP/IP参考模型中该层协议未加定义,而是依所使用的具体物理网络而定,如以太网协议等.

计算机网络设备与重要概念

集线器：
物理层设备,仅实现物理层的功能,使用在局域网中,具有多个端口,起扩大局域网连接范围的作用. 信号和噪声一起放大

交换机：

• 完成物理层和数据链路层的功能,故称之为第两层交换机；具有多个端口,同时可以连接同一网络内部的多台网络设备,允许多对设备同时进行信息交换.
• 不同种类的网络具有自己专用的交换机,如以太网交换机,ATM交换机等.
• 随着快速交换技术的发展, 现已出现第三层交换机,它能够完成物理层到网络层的功能,所以它可以取代下面要介绍的路由器.

路由器：
实现物理层,数据链路层和网络层的功能；它具有协议转换功能,常用于连接不同的计算机网络.

网桥：

• 实现物理层和数据链路层的功能,一般具有两个端口,常用于连接两个相同或不同的局域网.
• 网桥具有流量隔离作用, 使连接在网桥一端的局域网内部传输的数据仅在其内部传输,而不向网桥另一侧的局域网转发.
• 网桥分为本地网桥和远程网桥.

网关：
实现的功能涉及到运 输层以上功能的网络连接设备(Gateway). 与应用结合密切,如电子邮件网关.

IP地址与物理地址

作用：它们都与数据形成分组后一起传输,以使各个网络节点依据这些地址将数据传输给下一个节点或者目的节点.

物理地址：定义于OSI/RM的数据链路层,也称为MAC地址；为分组寻找下一个节点,用于相邻节点间的寻址,更确切地说是用于局域网内相邻节点间的寻址.

IP地址：逻辑地址,定义于OSI/RM的网络层；它与数据一起传输并一直保持不变,以此控制数据最终传输到目的地；可以说IP地址控制数据传输的全局寻址.

计算机网络的性能指标：

延迟：从发送方发送数据分组开始到接收方接收到数据分组所经历的时间.延迟时间包括处理时延和传输时延.

吞吐率：指单位时间内网络传输的数据量,常指每秒钟网络所能传输的比特数bps,有时也称为带宽(bandwith).

丢失率：指数据传输过程中单位时间内丢失的数据量.

抖动：指发送和接收数据时吞吐率的变化率.

同步：指同时传输的两种或两种以上数据间的时间关系