[计算机网络] 00 概述

1969年11月美国国防部建立了一个名为ARPANET(Internet的雏形)的分组交换网络，当前时间是2019年，50年过去了，如今的网络已经融入了社会的方方面面，其重要性不言而喻。本系列博客专注于计算机网络的核心概念和体系结构，并不涉及网络编程的概念。

1 标准化 {#1.standardization}

计算机网络由节点(node : 计算机、集线器、交换机或路由器)和连接它们的链路(link)组成。这些众多的设备之间如何通信？其中离不开各种各样的标准，标准的意义在于统一的规则，遵循相同标准的设备之间可以互联互通，从而避免一些不兼容的问题。IETF(Internet Engineering Task Force)是负责标准化的一个重要机构，IP、TCP、UDP、DNS、HTTP等等众多协议都是由IETF标准化的。

2 常见的分类 {#2.categories}

按照地理上的区域位置来划分，有如下几个分类 :

1. LAN : Local Area Network(局域网)，比如连接家用路由器的所有设备就组成了一个LAN。
2. WAN : Wide Area Network(广域网)，比如路由器经过PPPoE连接到的宽带运营商的网络环境。
3. WLAN : Wireless LAN(无线局域网)，比如WiFi或WAPI。

3 分组交换(Packet Switching) {#3.packet-switching}

计算机网络没有采用传统的电话网络的电路交换的通信方式，而是采用了分组交换。理解分组交换是理解计算机网络最重要的一步(没有之一)。

1. 电路交换 : 核心原理是为通信双方建立一条可靠的专用的链路，供双方通信使用。
2. 分组交换 : 核心原理是把原始数据拆分成一个个小的数据包，然后通过转发、转发、再转发的方式在通信双方传递。

也正是分组交换这种设计思想，才得以支撑互联网的爆炸式增长。

4 性能指标 {#4.performance}

计算机网络的性能表现在一下几个指标上。

4.1 速率(Bit Rate) {#4.1.bit-rate}

速率是数据传输的比特率(bit rate): 单位时间(秒)内传输的bit(binary digit)数量。单位是bit/s、b/s或者bps。

1. Kbps : 每秒103个bit。
2. Mbps : 每秒106个bit。
3. Gbps : 每秒109个bit。

4.2 带宽(Bandwidth) {#4.2.bandwidth}

带宽原指信号的频带宽度，比如300Hz～600Hz, 此时的单位是赫兹(Hz)。

在计算机网络中，带宽通常指的是链路的最高速率，对，就是上面提到的# 4.1 速率(Bit Rate)。

4.3 吞吐量(Throughput) {#4.3.throughput}

吞吐量是单位时间(秒)内通过某个链路的实际的数据量。它的单位通常也是和# 4.1 速率(Bit Rate)是一样的。

比如对于一个10Gb/s的网络，它的实际吞吐量可能是100Mb/s，但是最高不可能超过10Gb/s。

4.4 延迟(Delay) {#4.4.delay}

延迟是指数据从链路的一端到另一端所消耗的时间。延迟由几个不同的部分组成 :

1. 排队延迟 : 数据帧在节点上的排队等待被处理时所消耗的时间。
2. 处理延迟 : 节点处理数据帧时所消耗的时间。
3. 发送延迟 : 发送数据帧所消耗的时间（比如一共100个bit，从发送第1个bit开始到第100个bit发送完毕的时间）。发送延迟 = 数据帧长度(bit) / 发送速率(bit/s)。
4. 传播延迟 : 电磁波在信道中传播所需的时间。传播延迟 = 信道长度(m) / 传播速度(m/s)。电磁波在真空中的的传播速度是光速300000km/s，在光纤中大概是200000km/s。比如光纤200km，那么延迟大约1ms = (200000km/s) / 200km。

总延迟 = 排队延迟 + 处理延迟 + 发送延迟 + 传播延迟 。速率相同的情况下，延迟越低越好。在速率不同的情况下，有时候一个低速率 + 低延迟的网络也优于一个高速率 + 高延迟的网络。

4.5 往返时间(RTT) {#4.5.round-trip-time}

一次往返通信所需的时间，粗略的等于2个(# 4.4 延迟(Delay))的时间。

4.6 信道利用率(Channel Utilization) {#4.6.channel-utilization}

公式 : 信道利用率 = 发送延迟 / (发送延迟 + 往返传播延迟)。比如要发送10kb的数据, 发送速率是1000kb/s, 光纤长度20km。那么 :

1. 发送延迟 = 10/1000 = 10ms。
2. 往返传播延迟 = (20mk / 200000km/s) * 2 = 20ms。
3. 信道利用率 = 10ms / (10ms + 20ms) = 33.33%。

5 分层的体系结构 {#5.layered-architecture}

在计算机领域解决复杂问题时，有两个屡试不爽的手段 : 抽象和分层。如今现实中的计算机网络通常是如下的一个层次结构。

参考

首发于 : https://linianhui.github.io/computer-networking/00-overview/