导论（计算机网络基础教程）

计算机网络的导论图，根据《计算机网络基础教程》书籍所总结。

导论

• 什么是计算机网络
  • 计算机网络是一组连接在一起相互之间可进行通信的计算机
• 计算机网络的基础元素
  • 网络的最佳定义，通过一些常见的通信信道互连的设备
  • 组成网络的设备
  • 连接设备的介质
  • 网络上传输的信息
  • 控制网络信息的规则（协议）与流程
  • 构建与维护网络的工具和命令
  • 共同元素
    • 所有的方法都具有这三个要素
    • 信源（发送方）
      • 需要将消息发送的人或设备
    • 信宿（接收方）
      • 接受信息的人或设备
    • 信道
      • 由提供通路的介质组成
• 什么是因特网
  • 将两个或多个网络连接在一起（网络的网络）
• 数据和信号的基础
  • 模拟和数字数据
    • 数据是指一些基于发送方和接收方共同商定的规则或管理而输入的有意义的信息
    • 模拟数据
      • 在某个区间产生的连续值
    • 数字数据
      • 数字数据取一些离散值
  • 模拟和数字信号
    • 模拟信号
    • 数字信号
    • 传输系统
      • 用来发送信号的系统
  • 模拟信号
    • 指物理量是连续变化而不是离散变化的
    • 传输模拟信号的系统称为宽带系统
    • 信号是模拟的意味着该信号在时间和幅度上都是连续的
  • 数字信号
    • 由各种不同形式的比特信息构成
    • 传输数字信号的系统被成为基带系统
  • 将数据转换为信号
    • 模拟信号传输数字数据
    • 数字信号传输模拟数据
    • 取决使用的传输设备和信号必经的环境
  • 数据编码
    • EBCDIC
    • ASCII
    • Unicode
    • 所有的文本字符或符号与他们对应的二进制形式的集合
  • 频率
    • 赫兹（Hz）为单位
  • 比特率
    • 比特间隔（代替周期）
      • 单个比特所需的时间
    • 比特率（代替频率）
      • 每秒钟比特间隔的数目
    • 描述数字信号
    • 数据速率R（b/s或bit/s）
    • 速率
      • 被称作信道容量C
  • 波特率
    • 被称为码元速率或调制速率
  • 衰减
    • 信号强度减小的术语
  • 信噪比
    • 指信号中音频信号与噪声的比例
• 网络拓扑
  • 总线拓扑
    • 使用一根电缆来连接多个系统
    • 形状
    • 优点
      • 成本低
      • 安装便捷
      • 一台计算机故障，网络仍能够工作
      • 总线拓扑的易用性与使用电缆数量最少的优点使其成为了网络拓扑中最经济的选择
    • 缺点
      • 故障难以排除
      • 电缆损坏可能导致整个网络瘫痪
      • 流量负载越大，网络越慢
      • 可拓展性不好
  • 星形拓扑
    • 所有系统都通过一个中心的集线器或交换机连接
    • 形状
    • 优点
      • 集中布线
      • 一条路发生故障，其他设备不受影响
      • 容易添加或配置设备
      • 如果发生故障，寻找故障电缆比总线拓扑容易，且容易修复
    • 缺点
      • 集线器故障，很大一部分网络会瘫痪
      • 成本比总线拓扑高
  • 环形拓扑
    • 形状
    • 优点
      • 每个计算机都能够平等地进行通信
      • 为每一个系统都提供了好的性能
      • 信号衰减比较低
    • 缺点
      • 如果系统故障或者线路故障，整个网络会瘫痪
      • 对网络节点或者网络电缆进行改动，会导致整个网络停用
  • 网状拓扑
    • 形状
    • 优点
      • 容错性强
      • 因为一条电缆故障导致整个网络发生故障的概率为0
    • 缺点
      • 难于管理
      • 成本高
  • 树形拓扑
    • 可以认为是总线拓扑的一种扩展，用于级联设备
  • 无约束拓扑
    • 无定义模式，比较灵活
• 网络操作系统
  • 对等网络
    • 1、主机数目小于10
    • 2、不需要对安全进行严格限制
    • 3、所有计算机地位同等
    • 4、计算机可以共享设备
    • 图例
  • 客户机/服务器网络
    • 1、适合大规模的网络
    • 2、对安全进行严格限制
    • 图例
• 传输介质
  • 两条明线
    • 最简单的传输介质
    • 由一对简单的铜或铝制金属线构成
  • 双绞线电缆
    • 不用于高频率传输，广泛用于电话网络
    • 两条绝缘导体校核在一起
  • 同轴电缆
    • 一种有线电视运营商用来连接天线和家庭用户的铜质电缆
  • 光纤电缆
    • 使用光信号代替电脉冲进行传输
    • 最安全的
  • 无线电、微波和卫星信道
    • 覆盖范围广
    • 低于1000MHz属于无线电
    • 高于1000MHz属于微波
    • 卫星链路使用4~12GHz的微波频率
• 网络类型
  • 局域网（Local Area Network）LAN
    • 局限在一个地点、一幢建筑或一组建筑的网络
    • 定义：局域网是一个覆盖一个较小地理区域的计算机网络
    • 维护成本：成本相对较低，易于维护
    • 容错：局域网出现的问题较少
    • 例子：一个组织的网络
    • 地域范围：局域网的地理范围较小，不需要租用任何通信线路
    • 设置成本：不会耗费很高
    • 所有权：通常由某个人或组织所有、控制、管理
    • 组成部分：第二层设备，交换机、网桥；第一层设备，集线器、中继器
    • 数据传输速率：局域网数据传输速率高
    • 技术：主要是以太网和令牌环
    • 连接：局域网之间无论任何距离都可以使用电话线和无线电波连接
    • 速度：高速度
  • 城域网（Metropolitan Area Network）MAN
    • 跨越一个城市或一个大型校园的大规模计算机网络
  • 广域网（Wide Area Network）WAN
    • 提供了数据、声音、图像以及视频信息的长距离传输服务，以覆盖一个国家甚至整个世界的广大区域
    • 定义：广域网是覆盖广阔区域的计算机网络
    • 维护成本：较高的维护成本，维护比较困难
    • 容错：容错率较低
    • 例子：因特网
    • 地域范围：一般跨越了边界，需要租用通信电路
    • 设置成本：如果网络需要连接一些偏远地区，设置成本很高。如果广域网使用公共网络，设置非常便宜，需要软件（VPN）即可
    • 所有权：不被任何一个组织所有，在很长一段距离内享有集中或者分布式的所有权和管理
    • 组成部分：第三层设备，路由器，多层交换机和特定技术设备
    • 数据传输速率：广域网比局域网的数据传输速率低
    • 技术：使用如MPLS、ATM、帧中继以及X.25的技术来实现远距离连接
    • 连接：计算机通常需要通过公共网络来连接广域网。也可以通过租赁的线路或卫星来连接
    • 速度：较低速度
  • 个域网（Persional Area Network）PAN
    • 围绕个人而搭建的计算机网络
  • 无线网络
    • 指使用无线网络（Wi-Fi）连接的计算机网络
    • 无线个域网（WPAN）
      • 设备在一个相对较小的区域内互联
    • 无线局域网（WLAN）
      • 使用无限分布的方法在短距离内互联两台或多台设备
    • 无线城域网（WMAN）
      • 连接多个无线局域网
    • 无线广域网（WWAN）
      • 覆盖广大的局域，接入点之间的无线连接通常是使用锅状天线的点对点微波链路
• 面向连接与无连接服务
  • 面向连接的服务
    • 握手
    • 数据传输
    • 连接终止
    • 三个步骤进行连接
    • 图例
  • 无连接服务
    • 数据不需要按序到达
    • 在传输过程中，被分片的数据包必须按序进行重组
    • 不需要为创建会话而耗费时间
    • 不需要确认
    • 共同特征
• 分段和复用
  • 消息分段的优点
    • 通过从源向目的地发送较小的独立分段，许多不同的对话可以在网络上交错展开
    • 分段能够提高网络通信的可靠性
  • 定义
    • 在网络上将不同对话的分段交错在一起的过程称作多路复用
• 网络性能
  • 前序
    • 因特网采用将数据封装成小数据包的方法进行传输
    • 数据包及时到达=>用户体验好
    • 数据包到达间隔有很大延迟=>用户体验下降
  • 往返时间
    • EstimatedRTT是SampleRTT数值的加权平均
    • SampleRTT是一个样本
    • 任何给定的SampleRTT值都是非典型的
    • EstimatedRTT的新值是EstimatedRTT的旧值与SampleRTT最新值的加权组合
  • 延迟的原因
    • 图例
    • 传输延迟
      • 主要原因
    • 串行延迟（传输延迟）
      • 被称为传输延迟或延迟
    • 处理延迟
    • 排队和缓存管理
  • 传输速率与带宽
    • 最大传输速率描述了网络介质的基本限制
    • 在无线信道上传输信息的主要限制因素是：特定信号的可用信道带宽以及会破坏信号波形的噪音
    • 无线信道带宽与噪音
      • 调制解调器数据速率越高，会引起调制解调器占用更多的无线带宽
      • 调制解调器数据速率越低，会使调制解调器占用更少的无线带宽
    • 数据带宽
      • 指在给定时间内某一个给定传输段可获取的最大数据流量
  • 带宽时延乘积
    • 带宽时延乘积，简写BDP
    • 决定了在网络中正在传输的数据量
  • 重温排队延迟
  • 吞吐量与带宽
    • 带宽是在给定时间周期内能通过网络传输的最大数据量
    • 吞吐量是给定时间周期内能通过网络传输的实际数据量
    • 带宽与吞吐量是针对网络的两种不同的度量
• 网络交换
  • 目的
    • 通信系统的目的是在两个或多个设备之间交换信息
  • 广播网络
    • 多个节点能够听到某一发送节点的环境下发送信号的方法
    • 其他人可能听到也可能听不到
    • 听到的人可以选择去听或者不听
    • 例子：卫星网络、基于以太的局域网
  • 交换网络
    • 电路交换网络
      • 别称：线路交换网格
      • 双方站点可以通过网络中的交换节点建立起一条专用的物理通信线路
      • 三个阶段
        • 电路建立
        • 数据传输
        • 电路断开
    • 分组交换网络
      • 三个常规属性定义了分组交换的范式
        • 任意的异步通信
        • 在通信之前不需要建立连接
        • 根据数据包之间的统计复用情况，性能也会有所不同
      • 数据分组交换
        • 分组交换技术
        • 数据包在到达接收方时，可能是无需的，也可能出现丢失
        • 接收方会对数据包排序，并且恢复丢失的数据包
        • 不需要预先建立连接，只需要保证每个数据包包含足够多的信息可以时期达到目的地
        • 最常见的数据报网络：因特网
      • 虚电路分组交换
        • 分组交换方法
        • 先建立一条从源到最终目的地的路径
        • 降低了每个数据包的寻址开销
        • 思想是将电路交换的优势和分组交换的优势结合起来
        • 面向连接的
        • 优点
          • 数据包有序传输
          • 数据包的头部负载很小
          • 连接更加可靠
          • 计费容易
        • 缺点
          • 对交换设备的功能要求更高
          • 复原某一处损坏的连接更加困难
    • 消息交换网络
      • 端用户通过相互发送一条消息来进行通信
        • 消息包含了所有从源节点到目的节点被传递的数据
      • 消息存储能力可以降低传输开销
      • 逐跳的系统
        • 存储转发
        • 消息传递
        • 支持特性
      • 每一条消息在传输时都必须配有一个消息头部
• 
• 面向连接的服务
• 客户机/服务器网络
• 对等网络
• 网状拓扑
• 环形拓扑
• 星形拓扑
• 总线拓扑网络图