计算机网络的定义

计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

计算机网络的组成

组成成分

计算机网络的组成成分主要分为以下几类：

1. 硬件：
   • 主机：也称为端系统，是网络中的主要计算设备。
   • 通信链路：包括双绞线、光纤等，负责连接网络中的各个设备。
   • 交换设备：如路由器、交换机等，负责数据的转发和路径选择
   • 通信处理机：例如网卡，负责管理和处理主机间的通信。
2. 软件：
   • 网络操作系统：管理网络资源和网络通信。
   • 邮件收发程序：用于电子邮件的发送和接收
   • FTP程序：文件传输协议客户端，用于文件的上传和下载
   • 聊天程序：用于网络中的即时通讯。
3. 协议：
   • 数据传输规范：确保网络中数据正确、高效地传输。
   • 通信规则：网络中的“交通规则”，协调设备间的通信。

工作方式

计算机网络的工作方式可以分为两个主要部分：

1. 边缘部分：
   • 由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成。
   • 负责进行通信（如数据、音频或视频传输）和资源共享。
2. 核心部分：
   • 由大量的网络和连接这些网络的路由器组成。
   • 为边缘部分提供连通性和交换服务。

功能组成

从功能上看，计算机网络由以下两个子网组成：

1. 通信子网：
   • 由传输介质、通信设备和相应的网络协议组成。
   • 负责数据的传输、交换、控制和存储。
2. 资源子网
   • 是实现资源共享功能的设备及其软件的集合。
   • 向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。

计算机网络的功能

1. 数据通信：实现联网计算机之间信息的传输，如文件传输、电子邮件等。
2. 资源共享：包括软件共享、数据共享和硬件共享，提高资源利用率。
3. 分布式处理：将复杂任务分配给网络中的其他计算机系统，提高系统利用率。
4. 提高可靠性：各台计算机互为替代机，提高系统稳定性。
5. 负载均衡：将工作任务均衡分配给网络中的计算机。

计算机网络的分类

1. 按分布范围分类：
   • 广域网（WAN）：长距离通信，覆盖范围几十千米到几千千米。
   • 城域网（MAN）：覆盖几个街区到整个城市，直径5～50km。
   • 局域网（LAN）：覆盖几十米到几千米，计算机数量无限制。
   • 个人区域网（PAN）：覆盖约10m，连接个人工作区的消费电子设备。
2. 按传输技术分类：
   • 广播式网络：共享通信信道，如局域网和无线、卫星通信网络。
   • 点对点网络：通过中间结点进行接收、存储和转发，如广域网。
3. 按拓扑结构分类：
   • 总线形、星形、环形、网状网络。
     
4. 按使用者分类：
   • 公用网（Public Network）：电信公司建造，公众可使用。
   • 专用网（Private Network）：部门为特殊业务建造，不对外服务。
5. 按交换技术分类：
   • 电路交换网络：建立专用通路，如传统电话网络。
   • 报文交换网络：封装成报文，存储-转发方式。
   • 分组交换网络：数据分成较短固定长度的分组，存储-转发方式。

计算机网络的性能指标

1. 速率相关性能指标
   • 速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率，单位是b/s, Kb/s, Mb/s, Tb/s。如果用字节表示，则是B/s, KB/s, MB/s, TB/s。1 Byte = 8 Bit。
   • 带宽：网络设备所支持的最高速度，单位同速率，是理想条件下的最高速率。
   • 吞吐量：单位时间内通过某个网络的数据总量

PS：速率就是实际网速，带宽就是理论网速，吞吐量是一个或者多个设备的综合速率，比如说1000M宽带的路由器连着三个手机，每个手机看视频的速度为10MB/S，那么速率就是10MB/S，带宽是宽带的1000M，路由器吞吐量是30MB/S，即三者之和。

2. 时延相关指标
   • 时延：包括发送时延、传播时延、排队时延和处理时延。
     • 发送时延：数据从主机到信道上所用的时间，计算公式：发送的数据长度/发送速率（分组长度/信道宽度）。
     • 传播时延：数据在信道上传播所花费的时间，计算公式：信道长度/电磁波在信道上传播的速率。
     • 排队时延：数据在路由器前等待前面数据处理的时间，无固定计算方式。
     • 处理时延：数据在路由器中处理需求的时间，无固定计算方式。
   • 时延带宽积：传播时延×带宽，表示链路上有多少比特的数据，具体来说就是发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少比特。
   • 往返时延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，总共经历的时延。计算公式：RTT = 传播时延×2 + 处理时间，除此之外还包括中间节点的处理时延，排队时延，发 送时延
   • 利用率：包括信道利用率和网络利用率，信道利用率 = 有数据通过时间 / (有+无数据通过时间)。

PS：一般来说，利用率越高，延迟越大，指数上涨

计算机网络分层结构

分层结构用于简化网络设计、实现、维护，并促进标准化。分层的基本原则包括每层独立功能、界面清晰、功能定义与实现方法独立、下层对上层独立性，以及促进标准化。

分层原因

1. 激活数据通信通路：建立通信连接。
2. 识别目的主机：确保数据能够到达正确的目的地。
3. 确认目的主机状态：检查目的主机是否开机并且网络连接正常。
4. 文件管理程序准备：确保接收方的文件管理程序已准备好接收数据。
5. 解决差错和意外：处理传输过程中可能出现的错误和异常情况。

分层模型的实体

• 实体：第n层中的活动元素成为n层实体。同一层被称为对等层，同一层的实体叫做对等实体。

数据单元

• 数据部分SDU(Service Data Unit) ：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。
• 控制信息部分PCI(Protocol Control Information) ：控制协议操作的信息。
• 共同组成PDU(Protocol Data Unit) ：对等层次之间传送的数据单位。
  

协议、接口和服务的概念

1. 协议：为了进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或者规定被称为网络协议，主要是水平方向，包括数据格式（语法）、控制信息（控制）、操作顺序（同步）
2. 接口(访问节点SAP) ：同一结点内相邻两层间交换信息的连接点，上层使用下层的服务入口
3. 服务：下层为紧邻的上层提供的功能调用。主要是垂直方向
   服务原语：
   • 请求：用户到服务提供者，请求完成某项工作
   • 指示：服务提供者到用户，指示用户做某件事
   • 响应：用户到服务提供者，对指示的响应
   • 证实：服务提供者到用户，对请求的证实

参考模型

OSI参考模型

OSI参考模型有7层，从下到上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。每层的功能包括：

• 物理层：定义网络设备接口标准，电气标准，如何在物理链路上传输的更快。
• 数据链路层：帧的开始和结束，还有透明传输，差错校验（纠错由传输层解决）
• 网络层：负责选择路由最佳路径、规划IP地址（IPV4和IPV6变化智慧影响网络层）、拥塞控制。
• 传输层：负责端到端的通信、可靠传输、不可靠传输、流量控制、复用分用。
• 会话层：在数据传输中建立、管理和终止会话，包括数据的同步和对话管理，设置和维护计算机网络中两台计算机之间的通信连接。
• 表示层：负责数据表示、编码、压缩、加密，确保一个系统的应用层所发送的信息可以被另一个系统的应用层读取。
• 应用层：为特定类型的网络应用提供访问手段，直接为用户的应用程序提供服务，如HTTP、SMTP、FTP、DNS等。
  

OSI模型中，网络层及以上，每一层都要对上一层发送的数据进行处理（加个头部），数据链路层不仅仅加头部还要加尾部，物理层什么都不加，只管发数据，所以不参与数据流封装

其中应用层，表示层，会话层为资源子网，完成数据的处理等功能，传输层起到承上启下作用，网络层，数据链路层，物理层为通信子网，是为了联网而添加的通信设备。

TCP/IP参考模型

TCP/IP模型有4层，从下到上依次为网络接口层、网际层、传输层、应用层。每层的功能包括：

• 网络接口层：与物理网络的接口，如Ethernet，ATM，Frame Relay。
• 网际层：选择合适的路由，IP协议。
• 传输层：进程间通信，TCP和UDP协议。
• 应用层：提供高层协议，如HTTP、SMTP、DNS。
  

优缺点

OSI参考模型的优点：

1. 标准化：OSI模型由国际标准化组织（ISO）制定，提供了一个全球统一的网络通信标准。
2. 抽象性：OSI模型抽象地定义了网络通信的各个层次，使得设计和实现网络变得更加系统化。
3. 清晰的层次结构：OSI模型将网络通信分为七个具体的层次，每层都有明确的功能和协议。

OSI参考模型的缺点：

1. 复杂性：七层结构相对复杂，实现起来较为繁琐。
2. 缺乏实用性：OSI模型在实际应用中并不如TCP/IP模型广泛。
3. 效率问题：由于层次过多，可能导致效率降低。

TCP/IP模型的优点：

1. 实用性：TCP/IP模型是因特网的基础，具有很高的实用性和广泛的应用。
2. 简洁性：四层结构相对简单，易于理解和实现。
3. 灵活性：TCP/IP模型能够适应多种网络环境和需求。

TCP/IP模型的缺点：

1. 缺乏标准化：与OSI模型相比，TCP/IP模型在标准化方面稍显不足。
2. 层次划分不如OSI清晰：TCP/IP模型的层次划分不如OSI模型那样明确和严格。

五层模型

五层模型是一种简化的网络体系结构，它综合了OSI模型和TCP/IP模型的优点，同时避免了它们的一些缺点。五层模型将网络通信分为以下层次：

1. 物理层 (Physical Layer) ：
   • 负责在物理媒介上传输原始的比特流。
   • 涉及电气信号、光信号等的传输方式，以及物理连接的细节，如电缆的类型和接口的规格。
2. 数据链路层 (Data Link Layer) ：
   • 确保物理层传输的比特流无误，通过帧的方式传输数据。
   • 负责帧的组装、错误检测和纠正，以及流量控制和媒介访问控制。
3. 网络层 (Network Layer) ：
   • 负责将数据包从源主机路由和转发到目的主机。
   • 处理数据包在整个网络中的移动，主要协议包括IP（互联网协议）、ICMP（互联网控制报文协议）、OSPF（开放最短路径优先）等。
4. 传输层 (Transport Layer) ：
   • 提供端到端（进程到进程）的数据传输服务。
   • 确保数据的完整性和可靠性，主要通过TCP（传输控制协议）实现；同时提供无连接的不可靠传输服务，通过UDP（用户数据报协议）实现。
   • 运输单位是TCP的报文段和UDP的用户数据报。
5. 应用层 (Application Layer) ：
   • 作为应用界面，为应用程序提供网络服务。
   • 支持各种网络应用，如HTTP（超文本传输协议）、FTP（文件传输协议）、SMTP（简单邮件传输协议）等。
     
     五层模型通过减少层次数量，简化了网络体系结构的理解，同时保留了OSI模型和TCP/IP模型的核心功能和优点。这种模型更易于教学和学习，同时在实际应用中也具有很好的指导意义。五层模型强调了每一层的功能和作用，使得网络设计和维护更加高效。