1. 计算机网络

1.1 定义

计算机网络就是互连（互联互通）的、自治（无主从关系）的计算机集合。

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2. 网络协议

2.1 定义

网络协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

网络协议规定了通信实体之间所交换的消息的格式、意义、顺序以及针对收到消息或发生事件所采取的的动作。

2.2 网络协议三要素

• 语法：信息书写的语法、格式等
• 语义：
  • 需要发出何种控制信息
  • 完成何种动作以及做出何种回应等
  • 差错控制
• 时序：交互信息需要按照一定的顺序

2.3 Internet协议标准

• 存在形式：RFC，Request for comments
• 管理小组：IETF，互联网工作小组

2.4 接入网络

• 在不同频带上传输不同频道，实现网络通信，如电话线（见下方），电缆等
  • 50kHz-1MHz 用于下行
  • 4kHz- 50kHz 用于上行
  • 0kHz-4kHz 传统电话

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3. 数据交换

3.1 电路交换

在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成）

优点：

• 传输时延小：由于通信线路为通信双方用户专用，数据直达，所以传输数据的时延非常小。
• 实时性强：通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强。
• 不存在失序问题：双方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。
• 适用范围广：电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。
• 设备/控制简单：电路交换的交换的交换设备（交换机等）及控制均较简单。

缺点：

• 建立连接慢：电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说稍长。
• 信道利用率低：电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用低。
• 通信双方要求一致：电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。

3.2 报文交换

报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式

优点：

• 无需建立连接：报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文。

• 由于采用存储转发的传输方式，使之具有下列优点：

  • a.在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，就可以做到某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性；
  • b.在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信；
  • c.提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的；
  • d.允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转换。

• 信道利用率高：通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。

缺点：

• 实时性差：由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文交换的实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。

• 报文交换只适用于数字信号。

• 网络设备要求高：由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，**要求网络中每个结点有较大的缓冲区。**为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。

3.3 分组交换

分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组（携带源、目的地址和编号信息）逐个地发送出去。

优点：

• 传输时延较小：加速了数据在网络中的传输。因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行，这种流水线式传输方式减少了报文的传输时间。此外，传输一个分组所需的缓冲区比传输一份报文所需的缓冲区小得多，这样因缓冲区不足而等待发送的机率及等待的时间也必然少得多。
• 简化了存储管理：因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。
• 减少了出错机率和重发数据量。因为分组较短，其出错机率必然减少，每次重发的数据量也就大大减少，这样不仅提高了可靠性，也减少了传输时延。
• 控制细度小：由于分组短小，更适用于采用优先级策略，便于及时传送一些紧急数据，因此对于计算机之间的突发式的数据通信，分组交换显然更为合适些。

缺点：

• 网络设备要求高：尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延，而且其结点交换机必须具有更强的处理能力。
• 通信效率较报文交换低：分组交换与报文交换一样，每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的信息量大约增大5%～10%，一定程度上降低了通信效率，增加了处理的时间，使控制复杂，时延增加。
• 数据传容易出差错：当分组交换采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组按编号进行排序等工作，增加了麻烦。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

4. 计算机网络性能

4.1 专用名词

• 速率：数据传输速率或比特率，单位b/s(bps)，

• 带宽：数字信道所能传输的“最高数据率”

• 吞吐量：表示在发送端与接收端之间传输数据速率（bps)

• 时延带宽积：时延 * 带宽

Q：分组交换为什么会发生丢包和时延

A：分组在路由器缓存中排队等待传输时产生时延，而当分组达到速率超过输出链路容量时，发生丢包

4.2 四种分组延迟

• 节点处理延迟：差错检测、确定输出链路、
• 排队延迟：等待输出链路可用（取决于链路堵塞程度）
• 传输延迟：与链路带宽、分组长度等有关
• 传播延迟：与传播速度、链路长度、传播介质材料有关

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