計算機網路（一）概述

目錄

• 一、網路基本概念
  • 1. 網路、互連網(網際網路)和因特網
  • 2. 因特網技術提供者
  • 3. 基於ISP的三層結構的因特網
  • 4. 因特網的組成
• 二、三種重要的交換方式
  • 1. 電路交換
  • 2. 分組交換
  • 3. 報文交換
  • 4. 三種交換方式的對比
• 三、計算機網路的定義和分類
  • 1. 計算機網路的定義
  • 2. 計算機網路的分類
• 四、計算機網路的效能指標
  • 1. 速率
    • 資料量（位元）
    • 速率（位元率）
  • 2. 頻寬
  • 3. 吞吐量
  • 4. 時延
  • 5. 時延頻寬積
  • 6. 往返時間
  • 7. 利用率
  • 8. 丟包率
• 五、計算機網路體系結構
  • 1. 計算機網路常見的體系結構
  • 2. 每層需要解決的問題
• 六、相關專業術語
  • 1. 實體
  • 2. 協議
  • 3. 服務

參考資料：https://www.bilibili.com/video/BV1c4411d7jb

一、網路基本概念

1. 網路、互連網(網際網路)和因特網

2. 因特網技術提供者

3. 基於ISP的三層結構的因特網

4. 因特網的組成

因特網由邊緣部分和核心部分組成：

• 邊緣部分
  • 由所有連線在因特網上的主機組成。這部分是使用者直接使用的，用來進行通訊(傳送資料、音訊或視訊)和資源共享。
• 核心部分
  • 由大量網路和連線這些網路的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務的(提供連通性和交換)。

二、三種重要的交換方式

這三種交換方式分別為：

• 電路交換
• 分組交換
• 報文交換

1. 電路交換

概念和特點：

步驟和示意圖：

當使用電路交換來傳送計算機資料時，其線路的傳輸效率往往很低，因為每次進行資訊交換時都需要先建立連線，而且單獨佔用一條固定的物理線路。

2. 分組交換

資訊傳送過程如下所示：

即資訊分成很多個小片段，然後每個片段新增上用於標識的首部資訊，然後分別沿著網路的不同線路到達目的主機，然後目的主機再將這些小片段進行合併得到原來的報文，這樣就完成了一次資訊的傳送。

網路中的各個部分的職責如下：

3. 報文交換

報文交換的過程和分組交換其實是類似的，只不過是將每個原始的報文不切分成小的分組而直接進行傳送，這樣會佔用交換機更大的快取空間，因此現在的網路基本採用的是分組交換的方式而非報文交換。

4. 三種交換方式的對比

優缺點如下：

三、計算機網路的定義和分類

1. 計算機網路的定義

計算機網路的精確定義並未統一。

其最簡單的定義為：一些互相連線的、自治的計算機的集合。

• 互連：計算機之間可以通過有線或無線的方式進行資料通訊
• 自治：獨立的計算機，它有自己的硬體和軟體，可以單獨執行使用
• 集合：至少需要兩臺計算機

計算機網路的較好的定義是：計算機網路主要是由一些通用的、可程式設計的硬體互連而成的，而這些硬體並非專門用來實現某一特定目的(例如，傳送資料或視訊訊號)。這些可程式設計的硬體能夠用來傳送多種不同型別的資料，並能支援廣泛的和日益增長的應用。

2. 計算機網路的分類

四、計算機網路的效能指標

常用的計算機網路的效能指標有以下8個：

• 速率
• 頻寬
• 吞吐量
• 時延
• 時延頻寬積
• 往返時間
• 利用率
• 丟包率

1. 速率

資料量（位元）

常用的資料量單位有：

但一般硬碟等廠商標註在上面的GB往往是代表10⁹B，而不是上面圖中的2³⁰B，例如我的硬碟上標註的是512GB大小的容量，但在作業系統上可以看到的是476GB：

這是因為：

\[\frac{512\times 10^{9}}{2^{30}} \approx 476.8(G B) \]

所以可以得到這個實際上達不到512GB的結果。

速率（位元率）

連線在計算機網路上的主機在數字通道上傳送位元的速率，也稱為位元率或資料率。

常用的資料率單位有：

注意，此時的k、M、G、T是分別表示10³，10⁶，10⁹和10¹²了，和資料量有所不同。且需要注意的是這裡的是小寫的b，代表bps，而資料量中的B代表Byte。

例題：

2. 頻寬

頻寬可以理解為理論最大傳輸速率。

3. 吞吐量

吞吐量是指對網路、裝置、埠、虛電路或其他設施，單位時間內成功地傳送資料的數量（以位元、位元組、分組等測量）。

選自：https://blog.csdn.net/LiLi_code/article/details/106165080

可以理解為吞吐量是兩點傳輸的平均速度，我們平時所看到的下載速度應該是吞吐量。（而速率應該指的是瞬時速度）

4. 時延

一般分為三種：

• 傳送時延
• 處理時延
• 傳輸時延

計算方法：

例題：

5. 時延頻寬積

6. 往返時間

7. 利用率

8. 丟包率

丟包率即分組丟失率，是指在一定的時間範圍內，傳輸過程中丟失的分組數量與總分組數量的比率。

丟包率具體可分為：

• 介面丟包率
• 結點丟包率
• 鏈路丟包率
• 路徑丟包率
• 網路丟包率

等等。

丟包率是網路運維人員非常關心的一個網路效能指標，但對於普通使用者來說往往並不關心這個指標，因為他們通常意識不到網路丟包。

分組丟失主要有兩種情況:

1. 分組在傳輸過程中出現誤碼， 被結點丟棄
2. 分組到達一臺佇列已滿的分組交換機時被丟棄，在通訊量較大時就可能造成網路擁塞。

因此，丟包率反映了網路的擁塞情況：

• 無擁塞時路徑丟包率為0
• 輕度擁塞時路徑丟包率為1%~4%
• 嚴重擁塞時路徑丟包率為5%~15%

五、計算機網路體系結構

1. 計算機網路常見的體系結構

常見的體系結構如下圖所示：

即我們實際上採用的標準是右圖的TCP/IP體系結構，其每一層使用的協議如下所示：

但在教學上為了便於理解，把網路介面層一分為二成物理層和資料鏈路層：

2. 每層需要解決的問題

六、相關專業術語

1. 實體

實體：任何可傳送或接收資訊的硬體或軟體程式。
對等實體：收發雙方相同層次中的實體。

案例如下圖所示：

2. 協議

協議是控制兩個對等實體進行邏輯通訊的規則的集合。

協議的三要素：

1. 語法：定義所交換資訊的格式
2. 語義：定義收發雙方所要完成的操作
3. 同步：定義收發雙方的時序關係

案例：TCP連線

3. 服務

• 在協議的控制下，兩個對等實體間的邏輯通訊使得本層能夠向上一層提供服務。

• 要實現本層協議，還需要使用下面一層所提供的服務。

• 協議是”水平的“，服務是”垂直的“

• 實體看得見相鄰下層所提供的服務,但並不知道實現該服務的具體協議。也就是說，下面的協議對上面的實體是"透明"的。

• 服務訪問點：在同一系統中相鄰兩層的實體交換資訊的邏輯介面，用於區分不同的服務型別。

  • 資料鏈路層的服務訪問點為幀的“型別“欄位。
  • 網路層的服務訪問點為IP資料包首部中的“協議欄位”。
  • 運輸層的服務訪問點為“埠號”。

• 服務原語：上層使用下層所提供的服務必須通過與下層交換一些命令, 這些命令稱為服務原語。

• 協議資料單元PDU：對等層次之間傳送的資料包稱為該層的協議資料單元。
• 服務資料單元SDU：同一系統內，層與層之間交換的資料包稱為服務資料單元。
• 多個SDU可以合成為一個PDU；一個SDU也可劃分為幾個PDU。