【计算机网络】计算机网络体系结构之概述 -

计算机网络的概念

一般认为，计算机网络是用通信设备和线路将众多独立的计算机系统连接起来，由软件实现资源共享和信息传递的系统。

计算机网络由若干节点和连接这些节点(Node)的链路(Link)组成。网络中的节点可以是计算机，也可以是网络通信设备，例如集线器、路由器、交换机等。网络之间还可以通过路由器相连，组成一个更大的计算机网络，这样的网络称为互连网。

网络就是把许多计算机连接在一起。

互连网就是把许多网络通过路由器连接在一起。

注：internet泛指由多个计算机网络组成的计算机网络，而Internet则专指当前全球最大的、开放的、由众多网络和路由器互连而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 族（TCP/IP Protocol Suite）作为通信规则。

从不同的角度看，计算机网络可分成以下几类

从组成部分看，计算机网络主要由硬件、软件和协议三部分组成。
- 硬件主要由主机（也称端系统）、通信链路（双绞线、光驱）、交换设备（交换机、路由器等）和通信设备处理器（如网卡）等组成。
- 软件主要包括各种实现资源共享和方便用户使用的各种工具软件（如E-mail程序，FTP程序，聊天程序等）。
- 协议是计算机网络的核心，规定了网络传输数据时所遵循的规范。

从工作方式看，计算机网络（这里主要指Internet互连网）可分成边缘部分和核心部分。
- 边缘部分由所有连接到互连网上的供用户直接使用的的主机组成，用于进行通信和资源共享。
- 核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务。

从功能组成看，计算机网络由资源子网和通信子网组成。
- 资源子网是实现资源共享功能的设备和软件的集合，为网络用户提供其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源。
- 通信子网由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，它使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现网络中计算机之间的数据通信。

计算机网络功能很多，主要有以下五大功能（现代计算机网络的主要功能）。

除了上述功能，计算机还能实现电子化办公与服务、远程教育、娱乐等功能，其目的都是满足社会需求，和人们对美好生活的日益向往或者是产生巨大的经济利益。

在网络核心部分发挥主要作用的是路由器（Router），它对收到的分组进行存储转发来实现分组交换，我们先了解电路交换和报文交换，以便理解分组交换的原理。

电路交换的典型例子就是传统电话网。电路交换分三步：

建立连接（开始占用通信资源） -> 传输数据（一直占用通信资源） -> 释放连接（归还通信资源）

在进行传输数据之前，两个用户需要先建立一条物理通路（就像电视里打电话，要先告诉接线员要和哪哪通信，然后接线员去把线路连起来）。在数据传输过程中，这个物理通路始终被两个用户独占，直到通信结束才释放。

电路交换技术的优点
- 通信时延小：建立了物理通路，数据直达。
- 有序传输：双方通信时发送顺序传送数据（？）
- 没有冲突：不同的通信用的是不同的线路
- 实时性强：物理通路一旦建立，双方随时可通信
电路交换技术的缺点
- 建立连接时间长：需要建立物理通道，当然慢
- 线路利用率低：一条物理通道只支持一对通信
- 灵活性差：物理通路一旦出现故障就要重新建立新的连接
- 难以实现差错控制：没有中间节点进行数据校验。无法发现和纠正错误

但是计算机之间的数据传输往往是突发性（高频，少量）的，如果使用电路交换，被用户占用的线路资源在绝大部分时间里是空闲的，利用率极低。

以报文（Message）作为数据交换的基础单位，将源地址，目的地址等信息和用户的数据封装成报文，采用存储转发的技术，整个报文先传送到相邻节点，全部存储后查找转发表，转发到下一个节点，不断重复直到到达目的地址，每个报文都可以单独选择到达目的的路径。

报文交换技术的优点：
- 无建立连接时延：通信前无需建立连接，通过网络直接传输
- 灵活分配线路：交换节点存储整个报文后，可以选择合适的线路进行传输，并不局限于某条线路
- 线路利用率高：报文在某段链路上传送时才占用这条链路的通信资源。
- 支持差错控制：交换节点两边可对缓存下来的报文进行差错校验
报文交换技术的缺点：
- 转发时延高：交换节点要将报文整体接收后，才能查找转发表转发到下一节点
- 缓存开销大：报文大小没有限制，每次转发报文都要缓存下来，对缓存空间大小要求较高
- 错误处理低效：若报文较长，发生错误的概率也会相对更大，重传报文的话开销很大

分组交换也采用存储转发技术，因为进行了对报文的分组，将原先较长的报文划分成若干较小的等长数据段，在每个数据段前添加一些由必要信息组成的首部，构成分组（Packet）。

源主机分组发送到分组交换网中，然后就像报文交换那样，分组交换网中每个分组交换机收到一个分组后，先缓存下来，然后根据分组首部信息查转发表，转发给下一个合适的分组交换机，不断重复，分组最终到达目的节点。

分组交换继承了报文交换的许多优点，除此之外还有其他诸多优点：

分组交换技术的其他优点：
- 方便存储管理，存储转发开销小：因分组长度固定，对应缓冲区大小也固定
- 传输效率高：分组是逐个分开传输，固可以采用并行传输提高效率
- 错误处理高效：因为分组较短，出错率较低，重传成本也更低
分组交换技术的缺点：
- 存在存储转发时延：相较于电路交换，时延还是更高一些，而且对节点交换机的处理能力也要求更高
- 需要传输额外的信息：每个分组都要携带首部信息，增加了5%~10%的信息量，些微降低了效率
- （虚电路占位）

下图给出三种交换方式的比较，明显可以看出对于计算机网络突发式数据传送的需求，分组交换显得尤为合适。