本文将介绍计算机网络及其重要概念。

一、计算机网络的作用

21 世纪是一个以计算机网络为核心的信息时代。

二、互联网概述

• 计算机网络：由若干节点和连接这些节点的链路组成

  其中，节点可以为计算机、集线器、交换机、路由器等。

• 互连网：由计算机网络互连而成的更大的计算机网络

• 互联网：专有名词，指当前全球最大的、开放的、由众多计算机网络互连而成的特定的互连网

三、互联网组成

1. 边缘部分和核心部分

可以将互联网划分为两大部分：

• 边缘部分：由连接在互联网上的主机组成，被用户直接使用
• 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成；为边缘部分提供服务

2. 边缘部分

所谓边缘部分，由处在互联网边缘的、由用户直接使用的主机（又被称为端系统）组成。

3. 核心部分

核心部分是互联网中最复杂的部分，它需要向边缘部分中的大量主机提供连通性，使得边缘部分中的主机可以相互通信。

在核心部分中，起特殊作用的是 “路由器”，它是一种专门计算机，是实现 “分组交换” 的关键构件，其任务是转发收到的分组。

4. 核心部分 - 交换

(1) 为什么需要交换？

我们希望互联网中的各个节点之间能够通信，最容易想到的方式是两两相连，显然这是不现实的（即使线路虚拟）。

因此，我们想到了 “交换” 这一方式。所谓交换，就是通过某种方式动态地分配线路权限。

常见的交换方式有：电路交换、分组交换、报文交换。

(2) 电路交换

电路交换的做法是：

将网络中的每个节点都连接到交换机上，交换机会在两个节点需要通信时动态地建立连接线路，并在通信结束后将连接线路释放。

电路交换更适用于电话网络，因为打电话通常为长时间一对一通信。

在计算机网络中，通常不会进行长时通信，更多的是短时多次通信。如果使用电路交换方式，要么持续占据线路，线路资源被长期空闲；要么每次建立、使用、释放连接，传输过程中将会产生大量的无谓消耗。

注：

随着移动通信技术的发展，语音通信也不再使用电路交换。

(3) 分组交换

流程：

• 作为发送端：
  • 将数据划分为多个数据段
  • 为每个数据段添加描述信息
  • 数据段及描述信息共同构成分组（又称为包）
  • 将分组逐个发送给路由器
• 作为路由器：
  • 将收到的分组放入缓存之中
  • 检查分组中的描述信息，根据转发表明确转发地址
  • 将分组转发给下一路由器
  • 多个路由器相互协作，通过 “接力” 的方式传递数据
• 作为接收端：
  • 逐个接收分组
  • 剥离分组中的描述信息，获得数据段
  • 将数据段还原为数据

优点：

• 在传输过程中，连接线路被逐段地、断续地占用
• 不需要频繁地建立和释放连接

缺点：

• 分组被 “接力” 传输，并且传输时需要排队等待转发，因此可能会造成一定的时延
• 由于不像电路交换那样建立专用连接，因此无法保证通信时的带宽和稳定性
• 分组必须额外携带的描述信息可能会造成一定的开销

(5) 报文交换

报文交换与分组交换的区别在于不再将数据拆分，而是传输完整数据。

与分组交换相比，时延更大、灵活性更差。

(6) 三种交换方式的对比

四、计算机网络的定义

由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的日益增长的应用。

• 计算机网络能包含各种硬件（不仅限于计算机）
• 计算机网络能够传送数据，但不仅是传送数据，它还支持广泛和日益增长的其它应用

五、计算机网络的类别

1. 按作用范围划分

• 广域网
• 城域网
• 局域网
• 个人局域网

2. 按网络使用者划分

• 公用网
• 专用网

3. 接入网

接入网是一种特殊的计算机网络，它既不是互联网的核心部分，也不是互联网的边缘部分，而是从用户到 ISP 的网络，是连接用户与互联网的桥梁。

六、计算机网络的性能

1. 速率

数据的传送速率。

速率一般指额定速率，并非实际速率。

简单来说，速率就是水流能达到的速度。

2. 带宽

网络中某通道传送数据的能力，即单位时间内网络中某信道所能通过的 “最高数据率”。

简单来说，带宽就是水管的粗细。

3. 吞吐量

单位时间内通过某个网络的实际数据量。

简单来说，吞吐量就是实际上单位时间内流过的水量。

4. 时延

数据从网络的一端到另一端传输所需的时间。

时延由几个部分组成：

• 发送时延：发送数据所需时间；发生在网络适配器中
• 传播时延：在信道中传播需要花费的时间；发生在传输信道之上；信号传输的距离越远，传播时延就越大
• 处理时延：主机或路由器收到分组后的处理（分析分组、查找转发表）时间
• 排队时延：分组在路由器中排队等待处理和排队等待发送的时间

需要注意的是：

• 发送时延、处理时延、排队时延针对传播过程中某一点（路由器）
• 传播时延是针对传播过程中某一条信道（通信链路）

5. 时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

可以这样理解时延带宽积：连续发送数据时，发送的第一个比特到达终点时，从发送端发出的所有比特。

6. 往返时间 RTT

从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认所需的时间。

7. 利用率

(1) 信道利用率

某个信道由百分之几的时间是被利用的。

信道利用率并非越高越好，因为利用率增大时，该通道的时延也会增加（因为分组的排排队时长增加）。

(2) 网络利用率

全网络的信道利用率的加权平均值。

参考

• 《计算机网络》