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1.1 计算机网络的定义及其特点
1.1.1 计算机网络的定义
计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
1.1.2 计算机网络的特点
- 连通性 (Connectivity)
- 使上网用户之间都可以交换信息（数据，以及各种音频视频） ，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。
- 注意，互联网具有虚拟的特点，无法准确知道对方是谁，也无法知道对方的位置。
- 共享 (Sharing)
- 指资源共享。
- 资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。
- 由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样，方便使用。
1.2 互联网概述
1.2.1 互联网概念
互联网，特指 Internet，它起源于美国，是由数量极大的各种计算机网络互连起来而形成的一个互连网络。它采用 TCP/IP 协议族作为通信规则，是一个覆盖全球、实现全球范围内连通性和资源共享的计算机网络。
1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段
第一阶段：从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。
- 1983 年，TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议，使得所有使用 TCP/IP 协议的计算机都能利用互连网相互通信。
- 人们把 1983 年作为互联网的诞生时间。
- 1990年，ARPANET 正式宣布关闭。
第二阶段：建成了三级结构的互联网。
- 它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。
第三阶段：逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。
- 出现了互联网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。
- 任何机构和个人只要向某个 ISP 交纳规定的费用，就可从该 ISP 获取所需 IP 地址的使用权，并可通过该 ISP 接入到互联网。
- 根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的 IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同层次的 ISP：主干 ISP、地区 ISP 和本地 ISP。
1.2.3 万维网 WWW 的问世
- 互联网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络，没有人能够准确说出互联网究竟有多大。
- 互联网的迅猛发展始于 20 世纪 90 年代。由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的万维网 WWW (World Wide Web) 被广泛使用在互联网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为互联网的这种指数级增长的主要驱动力。
1.2.4 互联网的标准化工作
互联网的标准化工作对互联网的发展起到了非常重要的作用。
成为互联网正式标准要经过的两个阶段：
- 建议标准 (Proposed Standard) ——从这个阶段开始就成为 RFC 文档。
- 互联网标准 (Internet Standard) ——达到正式标准后，每个标准就分配到一个编号 STD xxxx。 一个标准可以和多个 RFC 文档关联。
1.3 互联网的组成
从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块：
- 边缘部分： 由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）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。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。
1.3.1 互联网的边缘部分
- 处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。这些主机又称为端系统 (end system)。
- 端系统在功能上可能有很大的差别：
1. 小的端系统可以是一台普通个人电脑，具有上网功能的智能手机，甚至是一个很小的网络摄像头。
2. 大的端系统则可以是一台非常昂贵的大型计算机。
3. 端系统的拥有者可以是个人，也可以是单位（如学校、企业、政府机关等），当然也可以是某个 ISP。
1.3.1.1 端系统之间通信的含义
“主机 A 和主机 B 进行通信”实际上是指：“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。
1.3.1.2 端系统之间的两种通信方式
端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：
- 客户-服务器方式（C/S方式）
即 Client/Server 方式，简称为 C/S 方式。 - 对等方式（P2P方式）
即 Peer-to-Peer 方式 ，简称为 P2P 方式。
-
客户-服务器方式（C/S方式）
- 客户 (client) 和服务器 (server) 都是指通信中所涉及的两个应用进程。
- 客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
- 客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
- 服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务。
客户软件的特点- 被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。
- 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。
服务器软件的特点
- 一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
- 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。
- 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。
- 客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据。
-
对等连接方式
-
对等连接 (peer-to-peer，简写为 P2P ) 是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。
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只要两个主机都运行了对等连接软件 ( P2P 软件) ，它们就可以进行平等的、对等连接通信。
-
双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。
对等连接方式的特点
- 对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又是服务器。
- 例如主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户，D 是服务器。但如果 C 又同时向 F 提供服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。
- 对等连接工作方式可支持大量对等用户（如上百万个）同时工作。
-
1.3.2 互联网的核心部分
- 网络核心部分是互联网中最复杂的部分。
- 网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。
- 在网络核心部分起特殊作用的是路由器 (router)。
- 路由器是实现分组交换 (packet switching) 的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。
1.3.2.1 分组交换的主要特点
分组交换采用存储转发技术。
存储转发（Store and Forward）技术，以太网交换机的控制器先将输入端口到来的数据包缓存起来，先检查数据包是否正确，并过滤掉冲突包错误。确定包正确后，取出目的地址，通过查找表找到想要发送的输出端口地址，然后将该包发送出去。
存储转发技术要求交换机在接收到全部数据包后再决定如何转发，而直通转发则是在交换机收到整个帧之前就已经开始转发数据了。
1.3.2.2 分组交换的过程
-
在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。
-
每一个数据段前面添加上首部构成分组 (packet)
-
分组交换网以“分组”作为数据传输单元，依次把各分组发送到接收端
-
接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
-
最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。
1.3.2.3 分组交换的传输单元
- 每一个分组的首部都含有地址（诸如目的地址和源地址）等控制信息。
- 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
- 每个分组在互联网中独立地选择传输路径。
- 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。
1.3.2.4 分组交换网的示意图
1.3.2.5 路由器
- 在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。
- 路由器处理分组的过程是：
1. 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
2. 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
3. 把分组送到适当的端口转发出去。
1.3.2.6 主机和路由器的作用不同
- 主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。
- 路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。
1.3.2.7 分组交换的优点
- 高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
- 灵活：为每一个分组独立地选择最合适的转发路由。
- 迅捷：以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组。
- 可靠：保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性。
1.3.2.8 分组交换带来的问题
- 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
- 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。
1.4 计算机网络在我国的发展
略
1.5 计算机网络的类别
1.5.1 计算机网络的定义
略
1.5.2 几种不同类别的网络
计算机网络有多种类别。典型包括：
- 按照网络的作用范围进行分类
- 按照网络的使用者进行分类
- 用来把用户接入到互联网的网络
1.5.2.1 按照网络的作用范围进行分类
- 广域网 WAN (Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里。
- 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：作用距离约为 5~50 公里。
- 局域网 LAN (Local Area Network) ：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。
- 个人区域网 PAN (Personal Area Network) ：范围很小，大约在 10 米左右。
1.5.2.2 按照网络的使用者进行分类
-
公用网 (public network)
按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。
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专用网 (private network)
为特殊业务工作的需要而建造的网络。
1.5.2.3 用来把用户接入到互联网的网络
- 接入网 AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。
- 接入网是一类比较特殊的计算机网络，用于将用户接入互联网。
- 接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。
- 接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络。
- 从覆盖的范围看，很多接入网还是属于局域网。
- 从作用上看，接入网只是起到让用户能够与互联网连接的“桥梁”作用。
1.6 计算机网络的性能
1.6.1 计算机网络的性能指标
计算机网络的性能一般是指它的几个重要的性能指标，主要包括：
- 速率
- 带宽
- 吞吐率
- 时延
- 时延带宽积
- 往返时间 RTT
- 利用率
1.6.1.1 速率
-
比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。
-
比特（bit）来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。
-
速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率 (data rate) 或比特率 (bit rate)。
-
速率的单位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s等。
例如：4 * 10^10 bit/s 的数据率就记为 40 Gbit/s。
-
速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。
1.6.1.2 带宽
- “带宽”(bandwidth) 本来是指信号具有的频带宽度，其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
- 在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位是 bit/s，即 “比特每秒”。
- 在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。
1.6.1.3 吞吐量
- 吞吐量 (throughput) 表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
- 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
- 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
1.6.1.4 时延
-
时延 (delay 或 latency) 是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。
-
有时也称为延迟或迟延。
-
网络中的时延由以下几个不同的部分组成：
-
发送时延
- 也称为传输时延。
- 发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。
- 也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
发送时延 = 数据帧长度（bit）/ 发送速率（bit/s）
-
传播时延
- 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
- 发送时延与传播时延有本质上的不同。
- 信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。
传播时延 = 信道长度（m）/ 信号在信道上的传播速率（m/s）
-
处理时延
- 主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。
-
排队时延
- 分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。
- 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。
-
-
数据在网络中经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和。
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
四种时延所产生的地方
容易产生的错误概念
-
对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。
-
提高链路带宽减小了数据的发送时延。
-
这个说法是错误的：“在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送得更快些”。
1.6.1.5 时延带宽积
链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。
时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
1.6.1.6 往返时间
- 互联网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互的。因此，有时很需要知道双向交互一次所需的时间。
- 往返时间 RTT (round-trip time) 表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。
- 在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。
- 当使用卫星通信时，往返时间 RTT 相对较长，是很重要的一个性能指标。
1.6.1.7 利用率
- 分为信道利用率和网络利用率。
- 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。
- 完全空闲的信道的利用率是零。
- 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。
- 信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。
1.6.2 计算机网络的非性能特征
略
1.7 计算机网络的体系结构
1.7.1 计算机网络体系结构的形成
-
计算机网络是个非常复杂的系统。
-
相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。
-
“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。
-
1974 年，美国的 IBM 公司宣布了系统网络体系结构SNA (System Network Architecture)。这个著名的网络标准就是按照分层的方法制定的。
-
不久后，其他一些公司也相继推出自己公司的具有不同名称的体系结构。
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由于网络体系结构的不同，不同公司的设备很难互相连通。
1.7.1.1 开放系统互连参考模型 OSI/RM
- 为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织 ISO 于 1977 年成立了专门机构研究该问题。
- 他们提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为 OSI。
- OSI 只获得了一些理论研究的成果，在市场化方面却失败了。
1.7.1.2 两种国际标准
- 法律上的 (de jure) 国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。
- 非国际标准 TCP/IP 却获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的 (de facto) 国际标准。
1.7.2 协议与划分层次
- 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。
- 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。
- 网络协议 (network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
- ARPANET 的研制经验表明，对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应该是层次式的。
1.7.3 具有五层协议的体系结构
- OSI 的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。
- TCP/IP 是四层体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。但最下面的网络接口层并没有具体内容。
- 因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。
1.7.3.1 五层协议的体系结构
1.7.3.2 主机一向主机二发送数据
- OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元 PDU (Protocol Data Unit)。这个名词现已被许多非 OSI 标准采用。
- 任何两个同样的层次把数据（即数据单元加上控制信息）通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的“对等层”(peer layers)之间的通信。
- 各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。
1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点
- 实体 (entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
- 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
- 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。
- 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。
1.7.4.1 协议和服务在概念上是不一样的
- 协议的实现保证了能够向上一层提供服务。
- 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。即下面的协议对上面的服务用户是透明的。
- 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。
- 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
- 上层使用服务原语获得下层所提供的服务。
1.7.4.2 服务访问点
- 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。
- 服务访问点 SAP 是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。
- OSI 把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元 SDU (Service Data Unit)。
- SDU 可以与 PDU 不一样，例如，可以是多个 SDU 合成为一个 PDU，也可以是一个 SDU 划分为几个 PDU。
1.7.5 TCP/IP 的体系结构
TCP/IP 体系结构的另一种表示方法
实际上，现在的互联网使用的 TCP/IP 体系结构有时已经发生了演变，即某些应用程序可以直接使用 IP 层，或甚至直接使用最下面的网络接口层。
沙漏计时器形状的TCP/IP协议族
