計算機網路理論

計算機網路理論（theory of computer network），研究計算機網路在規劃、設計、實施、測試、運行、套用、維護、管理等過程中的典型性問題及其解決方法的理論。它是一門綜合性套用科學，除直接利用通信理論與技術、計算機科學與技術之外，還涉及邏輯學、運籌學、統計學、模型論、圖論、資訊理論、控制論、仿真模擬、人工智慧、認知科學、神經網路等多種學科。

基本介紹

• 中文名：計算機網路理論
• 外文名：theory of computer network
• 學科性質：綜合性套用科學
• 計算機網路：規模巨大、聯繫面廣、涉及因素多
• 最佳化設計：分為3個階段
• 控制類型：流量控制和擁擠控制

最佳化設計

鑒於計算機網路規模巨大、聯繫面廣、涉及因素多，通常要劃分成各種特定問題，突出主要因素、忽略或弱化次要因素，並進行概括、抽象，建立典型化模型來加以研究

組建計算機網路時，首先要解決的具體問題和理論問題。目的是在滿足套用需求和客觀約束條件下，以最少的投入（包括人力 、物力、財力、時間等)，設計、建造一個安全、可靠 、有效、運行良好 、適應性強、易管理、易維護、易改造、易擴充的計算機網路，並預計回答資金回收期限以及可能獲得的最大的社會效益和經濟效益等問題。最佳化設計分為 3個階段 ：① 需求分析與規劃階段。應對需求和環境進行調查 ，收集 、整理必要的資料與數據，包括套用目的、信息格式、通信量、回響時間、差錯率、可靠性要求、選用的標準，以及現有設備、用戶分布、地理環境、自然條件 、氣象特徵、外界影響等 ，目的是明確需求、找出關鍵環節、規劃項目的總體輪廓。②網路總體設計階段。在調查分析的基礎上，應根據套用需求，確定網路的總體框架和重要的網路參數，必須對一些重要的關鍵問題做出抉擇，如選用何種拓撲結構，設備的選型、安置和連線方法，通信介質的選擇、線路布局和容量分配，通信規程以及路由、流量和差錯控制技術，網路業務的種類、服務質量及高層協定的選擇等。③設計方案評測階段。根據評測目標。建立各種數學模型（如預測模型、最佳化模型、性能評價模型等），以便對網路的性能、費用、工期時限、效益概算、資金回收期限等進行分析與評價，給出技術與經濟可行性結論。如果結論達不到預計要求，應視情況，部分或全部進行重新網路最佳化設計。

網路體系結構

計算機網路體系結構是一組用於規劃、設計、組建計算機網路所需遵循的原則和依據，包括層次結構、功能劃分、協定規範、過程描述等內容。對計算機網路發展最有影響的網路體系結構是國際標準化組織（ISO）建議的開放系統互連（OSI）參考模型 。它是通過體系模型、服務定義和協定規範3 個抽象級別，逐步深入、逐步細化加以制定和描述的。體系結構模型是OSI 最高級別的抽象，它從功能和概念級上建造了一個抽象的、具有層次結構的體系模型，刻畫了開放系統的整體性能 、結構要素 、行為特徵、層次關係 、數據格式等內容 。OSI 體系結構模型由套用層、表示層、會話層、運輸層、網路層、數據鏈路層和物理層等7層組成。服務定義是OSI低一級別的抽象，它更詳細地定義每層提供的服務，規定各層的外特性和層間抽象接口，但不涉及是否實現和如何實現的細節。協定規範是 OSI最低級別的抽象，它精確地定義某層實體為了協同工作和互動活動所需傳送控制信息的語義和語法，以及採用什麼樣的規程去分析、解釋和加工它們。體系結構模型進一步發展趨向是研究、制定網路套用體系結構模型，目的是為網路用戶創造良好的運行環境和開發環境。例如，一些網路專家在 OSI模型的基礎上，提出開放套用體系結構（OAA）模型的構想。OAA由操作環境和開發維護環境兩部分組成。

路徑選擇

早期計算機領域中幾個熱門研究課題，成果多、文獻量大。路徑選擇的主要目的是在網路中選擇最佳路徑 ，將源站點傳送的報文信息高速、有效地傳送到目的站點，其側重點是提高網路服務質量、減少延遲時間、降低傳輸費用。衡量路徑選擇算法好壞的標準包括：①報文信息以最短的時間、最短的路徑或最少的費用，傳送到目的地。②算法簡單、易於實現、適應性強（能適應網路故障和結構變化所帶來的影響）。③不過重增加網路和結點的開銷（包括處理機時間、存儲容量 、信息傳輸量等)。④有助於改善網路性能、保持穩定的吞吐率、降低平均傳輸延遲時間、均衡網路負載等。典型路徑選擇算法有擴散式路徑選擇、隨機式路徑選擇、固定路徑選擇、自適應路徑選擇等。

控制內容

流量控制和擁擠控制

流量控制和擁擠控制的目的是控制網路和各條通信線路上的信息流通量，保持網路處於穩定的工作狀態，以便提高網路吞吐率、減少平均延遲時間，其側重點是改善網路工作效率和資源利用率，防止擁塞和死鎖現象發生。流量控制可分為相鄰結點間流控、源結點與目的結點間流控、主機與結點間流控、主機與主機間流控四種類型。常用的控制方法有限定傳輸速率、拒收重傳、暫停傳送、限定接收傳送視窗大小、預約緩衝區等。用於擁擠控制的方法有預約緩衝區、限制管道流量、入網許可證、反向抑制等。

差錯控制

也是網路設計中的重要研究課題，其目的是根據套用要求、線路質量、設備性能和外界環境等因素，選擇適當的控制機制和方法，查出並糾正信息傳輸中的差錯，將其減少到允許程度之內。計算機網路中，通常採用兩種基本策略來處理信息傳輸中的差錯：①使用糾錯碼。即在要傳送的信息報文中附加上足夠多的冗餘信息，使接收方不僅能夠查出、而且能夠糾正信息報文中的差錯。因信息冗餘量過大，且控制複雜，通常用於單向傳輸場合，或用作輔助措施。②使用檢錯碼。即在要傳送的信息報文中附加一定的冗餘信息，使接收方能夠查出信息報文中的差錯（但不知什麼樣的差錯），並通知傳送方重傳原來的信息報文。通信規程和網路協定通常採用這種方法。

協定工程

計算機網路領域中最活躍的研究課題之一 ，目的是把軟體工程的原理和方法用於計算機網路協定的描述、實現和驗證工作 。協定工程的主要研究內容包括3 個方面：①協定形式化描述及其形式化描述語言。②協定軟體的自動生成技術及其開發維護工具。③協定一致性測試技術及其測試工具 。協定工程的研究有助於加深理解計算機網路協定，有助於提高協定軟體的生產效率，有助於改善網路協定軟體的維護管理水平。但是，協定工程與軟體工程相比，無論在研究、開發、套用的深度和廣度上說，均有距離，尚有廣闊的開拓、發展前景。