计算机网络的类别、性能和体系结构详解

1.1计算机网络在信息时代的作用

连通性：彼此连通，交换信息

共享：信息共享，软硬件共享（比如远程连接电脑使用其软件，打印机）

1.2因特网概述

网络：由若干结点（计算机）和连接这些节点的链路组成。

internet互联网：网络和网络之间通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网

Internet因特网：全球最大的一个互联网

ISP（因特网服务提供者）：随着网络的发展，逐渐形成了多层次ISP结构的因特网；

根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分成为不同的层次：主干ISP、地区ISP和本地ISP。

1.3因特网的组成

（1）边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信 （传送数据、音频或视频）和资源共享。

（2）核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务 的（提供连通性和交换）。

在网络核心部分起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机。路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组。

3.1边缘部分的通信方式

主机之间的通信方式：客户服务器方式、对等连接方式

3.1.1客户服务器方式

客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务请求方，服务器是服务提供方（本来都指的是计算机进程）。

3.1.2对等连接方式

对等连接是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。这时双方都可以下载对方已经存储到硬盘中的共享文档。

3.2核心部分的数据交换方式

3.2.1电路交换

整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送；适合与数据量很大的实时性传输，核心路由器之间可以使用电路交换。

3.2.2报文交换

整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表（需要时间），转发到下一个节点。

3.2.3分组交换

单个分组（这只是这个报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。

1.4计算机网络的类别

关于计算机网络最简单的定义是：一些互相连接的、自治的计算机的集合。

1.4.1按网络的作用范围分类

广域网WAN（Wide Area Network）：花钱买服务，花钱买带宽；广域网的作用范围通常为几十到几千公里，其任务是通过长距离运送主机所发送的数据；连接广域网各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。

城域网MAN（Metropolitan Area Network）：作用范围约5~50公里。

局域网LAN（Local Area Network）：自己购买设备，自己维护，带宽固定；局域网一般用微型计算机或工作站通过通信线路相连，速率通常在10Mb/s以上，范围比较小，比如1km内。

个人区域网PAN（Personal Area Network）：就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络，其范围大约在10m左右。

新的理解，不单单从网络覆盖范围区分局域网和广域网；应用了广域网技术，即使距离近也是广域网，应用了局域网技术，即使距离远也是局域网。

1.4.2按网络的使用者进行分类

公有网：指电信公司出资建造的大型网络，公用的意思是所有愿意按电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用这种网络。

专用网：某个部门或行业为各自的需要而建造的网络，不对外人提供服务。

1.4.3拓扑结构

总线型、环型、星型、树型、网状

1.4.4按交换方式分类

电路交换网、报文交换网、分组交换网

1.4.5工作方式分类

资源子网、通信网、接入网

1.6计算机网络的性能

1.6.1性能特征

1.速率= 总比特数 / 时间（bit/s）

2.带宽：原本表示通信线路允许通过的（电话）信号频带范围，现在多用来表示网络的通信线路传输数据的能力，即在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。

3.吞吐量：表示单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。(bit/s)

4.时延：指数据（一个报文或分组，甚至是比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。网络中的时延是由以下几个不同的部分组成的：

4.1.发送时延：是主机或路由器发送数据帧所需要的时间。

4.2.传播时延：是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

4.3.处理时延：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等等。

4.4.排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理；在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。

时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

5.时延带宽积= 传播时延 * 带宽。表示一段链路可容纳的比特数。

6.往返时间RTT：表示从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后便立即发送确认）总共经历的时间。

7.利用率：分为信道利用率和网络利用率两种。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。

信道或网络利用率过高会产生非常大的时延。因此，一些拥有较大主干网的ISP通常控制他们的信道利用率不超过50%。如果超过了就要准备扩容，增大线路的带宽。

1.6.2非性能特征

费用：包括设计和实现的费用

质量：取决于网络的可靠性、管理的简易性，以及网络的一些性能等。

标准化：最好采用国际标准的设计，这样可以得到更好的互操作性，更易于升级换代和维护，也更容易得到技术上的支持。

可靠性：与网络的质量和性能都有密切关系。

可扩展性和可升级性：规模扩大和性能、版本的提高。

易于维护和使用：网络如果没有良好的管理和维护，就很难达到和保持所设计的性能。

1.7计算机网络的体系结构

1.7.1协议与划分层次

在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题，这里的同步指在一定的条件下应当发生什么事件（如发送一个应答信息），因而同步含有时序的意思。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或者约定称为网络协议。

计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的准确定义。

网络协议主要由以下三个要素组成：

（1）语法，即数据与控制信息的结构或格式；

（2）语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；

（3）同步，即事件实现顺序的详细说明。

1.分层的好处

（1）各层之间的独立的。某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口锁提供的服务；降低了整体的复杂程度。

（2）灵活性好。当任何一层发生变化时（例如由于技术的变化），只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。

（3）结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术来实现。

（4）易于实现和维护。因为把整个系统分解为若干个相对独立的子系统。

（5）能促进标准化工作。因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。

2.如何分层

分层时应注意使每一层的功能非常明确。若层数太少，就会使每一层的协议太复杂；但层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。通常各层所要完成的功能主要有以下一些（可以只包括一种，也可以包括多种）：

（1）差错控制：使得和网络对等端的相应层次的通信更加可靠。

（2）流量控制：使得发送端的发送速率不要太快，要使接收端来得及接收。

（3）分段和重装：发送端把要发送的数据划分为更小的单位，在接收端将其还原。

（4）复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。

（5）连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接。数据传送结束后释放连接。

分层也有一些缺点，例如，有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生额外开销。

1.7.2具有五层协议的体系结构

（1）应用层

通过应用进程间的交互来完成特定网络应用，交互的数据单元称为报文。

（2）运输层

负责向两个主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。应用进程利用该服务传送应用层报文。

运输层主要使用以下两种协议：

传输控制协议TCP——提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段。

用户数据报协议UDP——提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务（不保证可靠传输），其数据传输的单位是用户数据报。

（3）网络层

负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传输。简称为数据报。

（4）数据链路层

在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）。

在接收数据时，控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束。这样，数据链路层在收到一个帧后，就可从中提取出数据部分，上交给网络层。

（5）物理层

在物理层上所传数据的单位是比特。发送方发送1（或0）时，接收方应当收到1（或0）而不是0（或1）。因此物理层要考虑用多大的电压代表 “1” 或 “0” ，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。

文章出处：【微信公众号：C语言编程学习基地】