期末不挂科计算机网络概述

Posted 2021-06-22 小生凡一

期末计网满绩计划
教材：计算机网络(第七版)谢希仁版

概述

1. 互联网基础结构发展

• 第一阶段：单个网络ARPANET向互连网发展的过程
• 第二阶段：建成三级结构的互联网
• 第三阶段：多层次ISP结构的互联网

三级结构：主干网、地区网、校园网或企业网
互联网服务提供者 ISP，例如中国电信、中国移动、中国联通
互联网交换点 IXP，主要作用就是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。

主机A -> 本地ISP -> 地区ISP ->主干ISP -> 地区ISP ->本地ISP ->主机B；

2. 互联网的组成

1. 边缘部分 ：由所有连接再互联网上的主机组成，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）

处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有主机

CS模式和P2P模式 后续应用层再详细讲解
广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个人区域网PAN

知识点

• 分组交换
  单个分组(这只是整个报文的一部分)传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转接到下一结点。
• 电路交换
  整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
• 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，转发到下一个结点。
  
• 如果连接传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。
• 报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。
• 由于一个分组的长度往往小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。

后续有相关例题。

3. 计算机网络的性能

3.1 速率

计算机发送出的信号都是数字形式的，比特(bit)来源于binary digit，意思是一个二进制数字，因此一个比特就是二进制数字的一个1或是0。

比特也是信息论中使用的信息量的单位。网络技术中的速率指的是数据的传送速率，他也称为数据率或是比特率。

3.2 带宽

带宽有两种不同的意义

1. 带宽本来是指某个信号具有的频带宽度。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。因此表示某信道允许通过的信号频带范围就称为该信道的带宽(或通频带)
2. 在计算机网络中，带宽用来表示网络中表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”，单位是bit/s

3.3 吞吐量

表示单位时间内通过某个网络的实际数据量。(可以用每秒传输的字节数和帧数表述)

3.4 时延

数据(一个报文或分组、甚至比特)从网络(或链路) 的一段传送到另一端所需的时间。

1. 发送时延
   是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起到该帧的最后一个比特发送完毕所需要的时间。

发送时延 = 数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)

2. 传播时延
   传播时延时电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

传播时延=信道长度(bit)/电磁波在信道上的传播速率

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。

4. 排队时延
   分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。

总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

3.5 时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

表示链路可容纳多少个比特。
例子：时延带宽积 = 20 x 10e-3 x 10 x 10e6 = 2 x 10e5bit
这就是表明，若发送端连续发送数据，则在发送的第一个比特即将达到终点时，发送端就已经发送了20w个比特，而这20w个比特都正在链路上向前移动。因此链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

3.6 往返时间RTT

双向交互的花费时间，包括往返的传播时延。
例子：A向B发送数据。如果数据长度是100MB，发送速率是100Mbit/s，那么

发送时间=数据长度/发送速率 = 100*2*10e20*8/100*10e6 = 8.39s

如果B正确收完100MB的数据后，就立即向A发送确认。再假定A只有再收到B的确认信息后，才能继续向B发送确认的时间）。如果RTT=2s，那么可以算出A向B发送数据的有效数据率

有效数据率 = 数据长度/(发送时间+RTT) =100*2*10e20*8/(8.39+2) = 80.7*e6 bit/s

比原来的100Mbit/s小了不少

3.7 利用率U

利用率有信道利用率和网络利用率
D 代表网络当前的时延
D0 表示 网络空闲时的时延

D = D0/(1-U)

4. 网络协议三要素

• 语法：即数据与控制信息的结构或格式
• 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
• 同步：即事件实现顺序的详细说明

5. 网络体系结构

• OSI七层协议
  

• TCP/IP 四层协议
  

• 五层协议
  

1. 应用层

通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的时应用进程间通信和交互的规则。这里的进程就是主机中正在运行的程序。

互联网中的应用层协议很多包括DNS域名系统、支持万维网应用的HTTP协议。我们把一个用层交互的数据单元叫报文
2. 运输层

负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。

主要两种协议

• 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(不保证数据传输的可靠性)，其数据传输的单位是用户数据报

3. 网络层

负责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封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层用IP协议，因此分组也叫IP数据报，简称数据报。所以分组和数据报是同义词。

注意：
1. 不要把运输层的UDP用户数据报和网络层的IP数据报弄混
2. 无论是在哪一层传送的数据单元都可笼统地用分组来表示。

4. 数据链路层

将网络层交下来地IP数据包组装成帧，在两个相邻节点间地链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息(同步控制，地址控制，差错控制等)，如果这个帧有差错，则会直接丢弃这个帧。

5. 物理层

比特流的透明传输，接受数据链路层的帧，通过比特流的形式传输。

注意

• 服务是单向的，上层通过接口使用下层的服务。
• 网络协议的双向对等的。

6. 分层体系结构相关概念

• 对等层：两个系统的相同层次叫对等层。比如主机A和主机B的网络层。
• 协议数据单元PDU：OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位。
• 实体：任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。
• 协议：控制两个或多个对等实体进行通信规则的集合。
• 服务：同一系统中相邻两层的实体的数据交换。
• 服务数据单元SDU：层与层之间交换的数据单位

7. 精选课后习题

第一题：(1-10)
试在下列条件下比较电路交换和分组交换。要传送的报文共x（bit）。从源点到终点共经过k段链路，每段链路的传播时延为d（s），数据率为b(b/s)。在电路交换时电路的建立时间为s(s)。在分组交换时分组长度为p(bit)，且各结点的排队等待时间可忽略不计。问在怎样的条件下，分组交换的时延比电路交换的要小？（提示：画一下草图观察k段链路共有几个结点。）

第二题：(1-11)
在上题的分组交换网络中，设报文长度和分组长度分别为 x 和（p+h) (bit)，其中 p 为分组的数据部分的长度，而 h 为每个分组所带的控制信息固定长度，与 p 的大小无关。通信的两端共经过 k 段链路。链路的数据率为 b (bit/s)，但传播时延的结点的排队时间均可忽略不计。若打算使总的时延为最小，问分组的数据部分长度 p 应取为多大？（提示：参考如下图中的分组交换部分，观察总的时延由哪几部分组成。）

第三题：(1-15)
假定网络的利用率达到90%，试估算一下限制的网络时延是它的最小值的多少倍

第四题：(1-17)
收发两端之间的传输距离为1000Km，信号在媒体上的传播速率为2×108m/s。试计算以下两种情况的发送时延和传播时延：
(1)数据长度为107bit，数据发送速率为100kb/s。
(2)数据长度为103bit，数据发送速率为1Gb/s。
从以上计算结果可得出什么结论