谢希仁计算机网络第七版第一章知识整理(内含知识导图）

本章主要内容

• 互联网边缘部分和核心部分的作用，包括分组交换概念
• 计算机网络的性能指标
• 计算机网络分层次的体系结构，包含协议和服务的概念

1.1 计算机网络在信息时代中的作用

• “三网融合”：电信网络、有线电视网络、计算机网络
• 互联网两个重要基本特点
  • 连通性
  • 共享，即资源共享
    • 信息共享、软件共享、硬件共享

1.2 互联网概述

1.2.1 网络的网络

• 计算机网络（简称为网络）由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。
  • 结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等
• 互连网（internet）：网络之间可以通过路由器互连起来，构成一个覆盖范围更大的计算机网络。
  • 互连网是“网络的网路”
• 主机：与网络相连的计算机

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向互联网发展的阶段
  • 1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议
  • internet（互连网）是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络
    • 网络之间的通信协议可以任意选择，不一定非要用TCP/IP协议
  • Internet（互联网，或因特网）是一个专用名词，指当前全球最大的、开放的、由众多网络互相连接而成的特定互联网
    • 采用TCP/IP协议族作为通信的规则，前身是美国的ARPANET。
• 第二阶段：建成了三级结构的互联网
  • 1985年，国家科学基金网（NSFNET）分为主干网、地区网和校园网
• 第三阶段：形成了多层次ISP结构的互联网
  • 互联网服务提供商ISP（Internet Service Provider)
    • 例如：中国电信、中国联通和中国移动
  • 互联网交换点IXP（Internet eXchange Point)
    • 作用：允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组

1.2.3 互联网的标准化工作

• 所有的互联网标准都是以RFC的形式在互联网上发表的。（RFC：Request For Comments，请求评论）
• 制定互联网正式标准要经过以下三个阶段
  • 互联网草案（Internet Draft）——有效期只有6个月，不算RFC文档
  • 建议标准（Proposed Standard）——成为RFC文档
  • 互联网标准（Internet Standard）——达到正式标准，每个标准被分配一个编号STD xx

1.3 互联网的组成

• 边缘部分
  • 由所有连接在互联网上的主机组成
  • 用户直接使用
  • 用来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
  • 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

• 计算机之间通信：主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信
• 端系统：连接在互联网上的主机
• 网路边缘的端系统之间的通信方式
  • 客户-服务器方式（C/S方式）
    • 客户是服务请求方，服务器是服务提供方
    • 客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可以发送和接收数据
  • 对等方式(P2P方式）
    • 两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方
    • 两台主机都运行了对等连接软件，就可以进行平等的‘对等连接通信

1.3.2 互联网的核心部分

• 路由器：一种专用计算机，在网络核心部分其特殊作用
  • 实现分组交换的关键构件
  • 任务是转发收到的分组
• 1.电路交换的主要特点
  • 必须经过“建立连接（占用通信资源）——>通话（一直占用通信资源）——>释放连接（归还通信资源）”三个步骤的交换方式称为电路交换
  • 特点：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源
  • 线路的传输效率往往很低
• 2.分组交换的主要特点
  • 采用存储转发技术
  • 报文：要发送的整块数据
  • 分组：把较长的报文分成一个个更小的等长度数据段，在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组
  • 分组是在互联网中传送的数据单元
  • 主机：为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网路交换信息的计算机
  • 路由器：用来进行分组交换的计算机
  • 分组交换的优点
    • 优点|所采用的手段
    • 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最合适的转发路由
    • 迅速|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，是网络有很好的生存性
• 报文交换：基于存储转发原理
• 三种交换方式在数据传送阶段的主要特点
  - 电路交换——整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送
  - 报文交换——整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点
  - 分组交换——单个报文传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点
• 若要连续传送大量的数据，且其传送时间大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快
• 报文交换和分组交换可以提高整个网络的信道利用率
  -由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性

1.5 计算机网络的类别

1.5.1 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

1.5.2 几种不同类别的计算机网络

• 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：几十到几千公里，国家之间
    • 广域网是互联网的核心部分
  • 城域网MAN（Metropolitan Area Network）
    • 作用范围：5~50km，整个城市
  • 局域网LAN（Local Area Network）
    • 作用范围：1km左右，一个学校或一个工厂
    • WLAN：无线局域网
  • 个人区域网PAN（Personal Area Network）
    • 作用范围：10m左右
    • WPAN：无线个人区域网
• 2.按照网络的使用者进行分类
  • 公用网
  • 专用网
• 3.用来把用户接入到互联网的网络
  • 接入网AN（Access Network），又称本地接入网或居民接入网
  • 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（也称边缘路由器）之间的一种网络。

1.6 计算机网络的性能

1.6.1 计算机网络的性能指标

• 1.速率

  • 指数据的传送速率，也称数据率或比特率
  • 单位：bit/s(比特每秒）、b/s、bps

• 2.带宽

  • 意义一
    • 某个信号具有的频带带宽
    • 单位：Hz(赫兹）
  • 意义二
    • 单位时间内网络中某信道所能通过的“最高数据率”
    • 单位：bit/s(比特每秒）

• 3.吞吐量

  • 单位时间内通过某个网络的实际的数据量
  • 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制
  • 有时吞吐量还可用每秒传送的字节数或帧数来表示

• 4.时延

  • 指数据从网路的一段传送到另一端所需的时间
  • 组成部分
    • 发送时延：从发送数据帧的第一个比特起，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/发送速率
      • 提高数据的发送速率只是减小了数据的发送时延
    • 传播时延：电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间
      • 传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率
    • 处理时延
    • 排队时延
    • 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

• 5.时延带宽积

  • 传播时延和带宽的乘积，又称以比特为单位的链路长度
  • 时延带宽积 = 传播时延 x 带宽
  • 单位：bit(比特）

• 6.往返时间 RTT

  • 数据双向交互所需要的时间
  • 有效数据率 = 数据长度/（发送时间 + RTT）

• 7.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
    • 完全空闲的信道的利用率是零
    • 信道利用率并非越高越好
  • 网络利用率
    • 全网络的信道利用率的加权平均值
  • 在假定情况下，D = D0/（1-U）
    • D0表示网络空闲时的时延
    • D表示网络当前的时延
    • U表示利用率
  • 信道或网络利用率过高会产生非常大的时延

1.6.2 计算机网络的非性能特征

• 1. 费用
• 2.质量
• 3.标准化
• 4.可靠性
• 5.可扩展性和可升级性
• 6.易于管理和保护

1.7 计算机体系结构

1.7.1 计算机体系结构的形成

• 法律上的国际标准 OSI
• 事实上的国际标准 TCP/IP

1.7.2 协议与划分层次

• 协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定成为网络协议
• 网络协议三要素
  • 语法：数据与控制信息的结构或格式
  • 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
  • 同步：事件实现顺序的详细说明
• 协议的特点：层次性、可靠性、有效性
• 分层的好处
  • 各层之间是独立的
  • 灵活性好
  • 结构上可分割开
  • 易于实现和维护
  • 能促进标准化工作
• 各层所要完成的功能可能有：
  • 差错控制
  • 流量控制
  • 分段和重装
  • 复用和分用
  • 连接建立和释放
• 网络的体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合
• 体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件

1.7.3 具有五层协议的体系结构

• OSI的七层协议：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层
• TCP/IP的四层协议：网络接口层、网际层、运输层、应用层
• 五层协议：物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层
  • 应用层
    • 通过应用进程间的交互来完成特定网络应用
    • 应用层协议：应用进程（主机中正在运行的程序）间通信和交互的规则
    • 协议：DNS、HTTP、SMTP
    • 数据单元：报文
  • 运输层
    • 负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务
    • 协议
      • 传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）——面向连接的、可靠的数据传输服务
        • 数据传输单位：报文段
      • 用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）——提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性）
        • 数据传输单位：用户数据报
  • 网络层
    • 负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务
    • 协议
      • 网际协议IP（Internet Protocol）：无连接
        • 传输单位：IP数据报
      • 多种路由选择协议
  • 数据链路层
    • 将网络层的IP数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传送帧
    • 传输单位：帧
  • 物理层
    • 数据传输单位：比特

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

• 实体（entity）：任何可发送或接受信息的硬件或软件进程
• 协议是控制两个对等实体（或多个实体）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，还需要使用下面一层所提供的服务
• 下面的协议对上面的实体是透明的
• 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间的通信的规则
• 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
• 服务访问点SAP（Service Access Point）：在同一系统中相邻两层的实体进行交互（交换信息）的地方
• 服务数据单元SDU（Service Data Unit）：OSI把层与层之间交换的数据的单位称为SDU

1.7.5 TCP/IP的体系结构

• TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务
• TCP/IP协议也允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行

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