第一章 网络基础

第一节 计算机网络基本概念

一，计算机网络的定义

• 计算机网络是利用通信设备与通信链路或者通信网络，互连位置不同，功能自治的计算机系统，并遵守一定的规则实现计算机系统之间信息交换。概括性的定义：计算机网络是互连的，自治的计算机的集合。

  • “自治“是指互连的计算机系统彼此独立，不存在主从或者控制与被控制的关系。

  • ”互连“是指利用通信链路连接相互独立的计算机系统。通信链路可以是双绞线，光纤，微波，通信卫星等。不同链路的传输速率也不同，在计算机网络中也被称为带宽，单位bit/s或bps或b/s。

    定义中的”计算机“应理解为”计算机设备“。（能连接网络的如智能设备，智能手表）。

    计算机网络定义中的”自治计算机“，通常称为”主机“（host）或”端系统“（end System）。

    只要是连接到Internet上的设备，都可以被称为主机或端系统。

    Internet Service Provider（ISP，网络服务提供商）

• 家庭用户端系统构成小型家庭网络，并借助电话网络，有线电视网络等接入区域或本地ISP。企业网络，校园网等机构网络，通常构成一定规模的局域网，然后再接入区域或本地ISP。区域或本地ISP再与更大规模的国家级ISP互连，国家级ISP再互连其他国家级ISP或全球性ISP，实现全球所有ISP网络的互连，从而实现全球性端系统的互连。

• ISP网络由许多有线或无线通信链路互连分组交换设备构成。分组交换设备可以实现数据分组的接收与转发，是构成Internet的重要基础，存在多种形式，最典型的是路由器和交换机。

• Internet中互连的端系统，分组交换设备或其他网络设备在进行信息发送，接收或转发的过程中，都需要遵循网络协议。

二，协议的定义

• 协议约定了实体之间交换的信息类型，信息各部分的含义，信息交换顺序以及收到特定信息或出现异常时应采取的行为。任何一个协议都会显式或隐式的定义3个基本要素：语法（syntax），语义（semantics）和时序（timing），称为协议三要素。
  • 语法
    • 定义实体之间交换信息的格式与结构，或者定义实体（如硬件设备）之间传输信息的电平等。
  • 语义
    • 定义实体之间交换的信息中需要发送（或包含）哪些控制信息，这些信息的具体含义，以及针对不同含义的控制信息，接收信息端应如何响应。
    • 有的协议还需要进行差错检测，这类协议通常会在协议信息中附加差错编码等控制信息。
    • 语义还需要定义彼此采用何种差错编码，以及采取何种差错处理机制等。
  • 时序
    • 也称为同步，定义实体之间交换信息的顺序以及如何匹配或适应彼此的速度。

三，计算机网络的功能

• 计算机网络的功能是在不同主机之间实现快速的信息交换。通过信息交换，计算机网络可实现资源共享这一核心功能，包括硬件资源共享，软件资源共享和信息资源共享。

1. 硬件资源共享

• 通过计算机网络，一台主机可以共享另一台主机的硬件资源。云计算和云存储就是实现了硬件资源共享。

2.软件资源共享

• 网络上的主机可以远程访问，使用服务器计算机上运行的各类大型软件，如大型数据库系统，大型行业专用软件等。
• 软件资源的共享可以避免软件的重复投资，重复部署，有效节省成本。
• 软件服务化，即通过互联网提供软件服务，不再销售软件，从而产生了软件即服务（Software as a Service，SaaS）。代表了软件共享的主流趋势。

3.信息资源共享

• 如政府的政策法规，企业的产品信息，社会热点新闻等。

四，计算机网络的分类

1. 按覆盖范围分类

1. 个域网（Personal Area Network，PAN）

• 通常是由个人设备通过无线通信技术构成小范围的网络，实现个人设备间的数据传输。如通过蓝牙技术实现个人设备的互连等。个域网通常覆盖范围在1~10m。

2. 局域网（Local Area Network，LAN）

• 通常部署在办公室，办公楼，厂区，学校等局部区域内，采用高速有线或无线链路连接主机。局域网通常覆盖范围在10m~1km。

3. 城域网（Metropolitan Area Network，MAN）

• 指覆盖一个城市范围的网络，覆盖范围通常在5~50km。

4. 广域网（Wide Area Network，WAN）

• 覆盖范围在几十到几千千米，通常跨越更大的地理空间，实现异地城域网或局域网的互连。

2. 按拓扑结构分类

• 网络拓扑是指网络中的主机，网络设备间的物理连接关系与布局。

1. 星形拓扑结构

• 星形拓扑结构网络包括一个中央结点，网络中的主机通过点对点通信链路与中央结点连接，中央结点通常是集线器，交换机等设备，主机间的通信都需要通过中央结点进行。
• 常用于局域网，个域网中。
• 优点是易于监控管理，故障诊断与隔离容易；缺点是中央结点是网络的瓶颈，一旦故障，全网瘫痪，网络规模受限于中央结点的端口数量。
  

2. 总线型拓扑结构

• 采用一条广播信道作为公共传输介质，称为总线，所有结点均与总线连接，结点间的通信均通过共享的总线进行。
• 由于总线是一条广播信道，所以任一结点通过总线发送数据时，其他结点都会接收到承载这些数据的信号。如果同时有两个或以上的结点同时向共享信道中发送数据，就会产生干扰，会导致任何一个结点的数据发送失败，这一现象称为冲突。
• 主要用于早期的局域网
• 优点是结构简单，所需电缆数量少，易于扩展；缺点是通信范围受限，故障诊断与隔离较困难，容易产生冲突。
  

3. 环形拓扑结构

• 利用通信链路将所有结点连接成一个闭合的环。
• 环中的数据传输通常是单向传输，每个结点可以从环中接收数据，并向环中进一步转发数据。
• 如果某结点判断数据是发送给自己的，则复制数据。数据会沿特定方向绕环一周，回到发送数据的结点，发送数据的结点需要负责从环中清除其发送的数据。
• 常用于早期的局域网，园区网和城域网中。
• 优点是所需电缆长度短，可以使用光纤，易于避免冲突；缺点是某结点的故障容易引起全网瘫痪，新结点的加入或撤出比较麻烦。
  

4. 网状拓扑结构

• 网状拓扑结构网络中的结点通过多条链路与不同的结点直接连接。
• 如果网状拓扑结构网络中的任一结点与其余所有结点均有直接链路连接，则称为完全网状拓扑网络，否则称为非完全网状拓扑网络。
• 常用于广域网，核心网络等。
• 优点是网络可靠性高，一条或多条链路故障时，网络仍然可以通。
• 缺点是网络结构复杂，造价成本高，选路协议复杂。
  

5. 树形拓扑结构

• 树形拓扑结构网络可以看作是总线型拓扑或星形拓扑网络的扩展。比较多见的是通过级联星形拓扑结构网络中的中央结点构建树形拓扑结构网络。
• 常用于局域网
• 优点是易于扩展，故障隔离容易。
• 缺点是对根节点的可靠性要求高，一旦根节点故障，则可能导致网络大范围无法通信。
  

6. 混合拓扑结构

• 混合拓扑结构网络是由两种以上简单拓扑结构网络混合连接而成的网络。
• 绝大多数实际网络的拓扑都属于混合拓扑结构。如Internet。
• 优点是易于拓展，可以构建不同规模网络。
• 缺点是网络结构复杂，管理与维护复杂。

3. 按交换方式分类

• 电路交换网络
• 报文交换网络
• 分组交换网络

4. 按网络用户属性分类

1. 公用网（public network）

• 指由国家或企业出资建设，面向公众提供收费或免费服务的网络。

2. 私有网（private network）

• 私有网指由某个组织出资建设，专门面向该组织内部业务提供网络传输服务，不面向公众开放的网络。

第二节 计算机网络结构

• 大规模现代计算机网络的结构包括网络边缘（network edge），接入网络（access network）与网络核心（network core）3部分。

一，网络边缘

• 连接到网络上的计算机，服务器，智能手机，智能传感器，智能家居等称为主机或端系统。这些端系统位于网络的最边缘。
• 连接到网络上的所有端系统构成了网络边缘。
• 网络边缘为网络用户提供了网络应用服务。

二，接入网络

• 接入网络是实现网络边缘的端系统与网络核心连接与接入的网络。常见的有如下几类。

1. 电话拨号接入

• 利用电话网络，通过调制解调器（modem）将数字信号调制到模拟电话线路，通过电话网络的模拟语言信号作为载波传送到远端，再利用调制解调器将数字信号从模拟信号解调出来。
• 优点：方便实现分散的家庭用户接入网络。
• 缺点：最大带宽通常只有56kbit/s。

2.非对称数字用户线路ADSL

• 电话机连接电话端的线路称为用户线路（Subscriber Line）。
• ADSL（Asymmetrical Digital Subscriber Line）是利用现有的电话网络的用户线路实现的接入网络。
• ADSL基于频分多路复用（FDM）技术实现电话语音通信与数字通信（网络数据传输）共享一条用户线路。
• 在进行网络通信的同时可以进行电话语音通信。
• 在ADSL接入网络中，在用户线路上实现的上行（从用户端向网络上传数据）带宽比下行（从网络向用户端下传数据）带宽小。所以被称为“非对称”数字用户线路。
• ADSL存在很多标准，并且可以实现的上行和下行带宽与用户线路的长度有关系。
• ADSL常用于家庭接入网络。

3. 混合光纤同轴电缆HFC接入网络

• HFC（Hybrid Fiber-Coaxial）也称为电缆调制解调器（cable modem）接入，是利用有线电视网络实现网络接入的技术。
• 用户端使用电缆调制解调器连接有线电视网的入户同轴电缆，同轴电缆连接到光纤结点，再通过光纤链路连接电缆调制解调端接系统，进而连接网络。
• HFC基于频分多路复用技术，利用有线电视网络同轴电缆剩余的传输能力实现电视信号传输与网络数据传输的共享。
• HFC也是“非对称”的，典型上行带宽为30.7Mbit/s，下行带宽为42.8Mbit/s。
• HFC接入是共享式接入，即连接到同一段同轴电缆上（如同一个小区内）的用户共享上行和下行带宽。可见，当HFC共享用户数较大时，每个用户获得的实际带宽可能并不高。

4.局域网

• 企业，学校等机构会在组织范围内建设局域网，连接所有需要接入外部网络的主机，然后通过企业网络或校园网的边缘路由器连接网络核心。

5.移动接入网络

• 移动接入网络主要利用移动通信技术，如3G/4G/5G网络，实现智能手机，移动终端等设备的网络接入。
• 移动接入网络是不可替代的，而且将成为个人设备接入网络的首选途径。

三，网络核心

• 网络核心是由通信链路互连的分组交换设备构成的网络，作用是实现网络边缘中主机之间的数据中继与转发。

  比较典型的分组交换设备是路由器和交换机等。

• 相距遥远的主机之间不可能通过一条物理通信链路直接连接，而是各自通过接入网连接到网络核心上，彼此传输数据都是通过网络核心进行中继与转发，最后送达目的主机。

第三节 数据交换技术

一，数据交换的概念

• 交换设备具有多通信端口，可以同时连接多个通信结点（即主机或交换设备），实现通信端口间物理或逻辑的动态，并行通信。通过交换设备，每个主机只需一个通信链路与交换设备相连，即可实现与其他主机的通信。

• 一个交换设备的端口是有限的，并且也无法通过一条通信链路直接连接距离遥远的主机或通信设备，因此，只有在特殊情况下，如小规模局域网，才有可能利用一个交换设备直接连接所有主机。
• 为了连接更大范围，更多数量的主机，可以将许多交换设备互连，构成一个数据中继与转发的“中间网络”，然后再将主机连接到距离较近的交换设备上，主机之间的数据传输通过“中间网络”实现中继与转发。这个中间网络不需要关心所传输数据的内容，而只是为这些数据从一个结点到另一个结点直至到达目的结点提供数据中继与交换功能，因此，称为数据交换网络，组成交换网络的结点（即交换设备）称为交换结点，交换结点和传输介质的集合称为通信子网，即网络核心。
• 数据交换是实现在大规模网络核心上进行数据传输的基础技术。常见的数据交换技术包括电路交换（circuit switching），报文交换（message switching）和分组交换（packet switching）。

二，电路交换

• 电话网络是最早，最大的电路交换网络。
• 电路交换中，首先需要通过中间交换结点为两台主机之间建立一条专用的通信线路，称为电路，然后再利用该电路进行通信，通信结束后再拆除电路。
• 在通信过程中，交换设备对通信双方的通信内容不做任何干预。
• 使用电路交换进行通信包括建立电路，传输数据和拆除电路3个阶段。

1.建立电路

• 传输数据之前，必须建立一条端对端的电路，这个电路可能不是通信双方之间直接的连接，而是通过若干个中间交换结点实现的连接。
• 如果两个主机之间需要进行通信，那么发送主机需要先发出呼叫请求信号给接收主机，然后经过若干结点沿途接通一条物理链路后，再由接收主机发出应答信号给发送主机，这样双方之间的电路连接就建立成功了。
• 只有电路建立成功之后，才能进入数据传输阶段。
• 电路交换的“接续”过程所需时间的长短与接续的中间交换结点的个数有关。
• 电路建立之后在两个主机之间的每一段物理链路上都为双方的通信预留了相应的带宽，这个带宽在双方通信期间将一直保留并独占。

2.传输数据

• 被传输的数据可以是数字数据也可以是模拟数据，数据的传输可以是单工也可以是全双工。
• 在发送主机和接收主机之间存在一条“独占”的物理线路为双方的本次通信服务。（“独占”指的是交换结点之间的线路是相对独占的，因为通过信道复用技术对一条物理信道进行信道划分，而主机的交换结点之间的线路往往是绝对独占的）。
• 在本次通信结束之前，这条“独占”的物理线路上的所有资源不能被其他主机使用，即使某一时刻通信双方并没有数据进行传输。

3.拆除电路

• 拆除动作可由两个通信主机之间的任何一方发起并完成。释放信号必须传送到电路所经过的各个结点，以便重新分配资源。

电路交换总结

• 电路交换的特点是有连接的，在通信时需要先建立电路连接，在通信过程中独占一个信道，通信结束后拆除电路连接。电路交换的优点是实时性高，时延和时延抖动都较小；缺点是对于突发性数据传输，信道利用率低，且传输速率单一。电路交换适用于语音和视频这类实时性强的业务。

三，报文交换

• 报文交换也称为消息交换，其工作过程为：
  1. 发送方把要发送的信息附加上发送/接收主机的地址及其他控制信息，构成一个完整的报文（Message）。
  2. 以报文为单位在交换网络的各结点之间以存储—转发的方式传送，直至送达目的主机。
  3. 一个报文在每个结点的延迟时间，等于接收报文所需的时间加上向下一个结点转发所需的排队延迟时间之和。

“存储-转发”交换方式

• 报文交换事先不需要建立连接，发送方组装好报文之后即可向相邻的交换结点发出，交换结点收到整个报文并且检查无误后，暂时存储报文，然后利用路由选择找出需要转发的下一个结点的地址，再把整个报文转发给下一个结点。

优缺点

• 优点：

  • 相对电路交换信道而言，报文交换线路利用率高。

• 缺点：

  • 报文交换网络中交换结点需要缓冲存储，报文需要排队，因此会导致报文经过网络的延迟时间变长并且不固定，对于实时通信而言会容易出现不能满足速度要求的情况。
  • 有时结点收到的报文过多而存储空间不够或者输出链路被占用不能及时转发时，就不得不丢弃报文。
  • 现代计算机网络没有采用报文交换技术的。（时延较长，从几分钟到几小时不等）

四，分组交换

1.分组交换基本原理

• 分组交换是目前计算机网络广泛采用的技术。
• 分组交换需要将待传输数据（即报文）分割成较小的数据块，每个数据块附加上地址，序号等控制信息构成数据分组（packet），每个分组独立传输到目的地，目的地将收到的分组重新组装，还原为报文。分组传输过程通常也采用存储—转发交换方式。
• 分组交换将一个完整报文拆分成若干个分组，每个分组的长度有一个上限，有限长度的分组使得每个结点所需的存储能力降低，分组可以存储到内存中，提高了交换速度。

2.分组交换优点

1. 交换设备存储容量要求低
   1. 报文交换需要缓存整个报文，当报文很大时，要求报文交换设备具有很大的存储容量。
   2. 分组交换将大报文拆分为较短的分组进行传输。
   3. 理论上讲，分组交换只要能存储一个小分组，网络就能工作。
2. 交换速度快
   1. 分组交换设备由于只需要缓存一定数量的较短的分组，因此可以利用主存储器进行存储-转发处理，不需访问外存，处理转发速度加快。
   2. 分组交换网络中，多个分组可以在网络中的不同链路上进行并发传送，大大提高传输效率和线路利用率。缩短整个报文通过网络的时间。
3. 可靠传输效率高
   1. 对于报文交换网络，一个报文出现差错，需要重传整个报文。
   2. 对于分组交换，一个分组出现差错，只需重传出错的分组，并不需要重传所有由同一报文拆分出来的分组。
4. 更加公平
   1. 对于分组交换，如果分组大小相同，那么大报文将拆分出更多的分组，小报文将拆分出较少的分组，不同报文的分组在交换结点上可能交替排队，每个分组通过网络的时间相当，总体上，小报文将用较短时间通过网络到达目的。因此，分组交换更加公平。

3.分组长度的确定

• 分组长度的确定与交换过程中的延迟时间，交换设备存储容量，线路利用率，信道传输质量，数据业务统计特性以及交换机费用等诸多因素有关。

1.分组长度与延迟时间

• 分组交换网络的存储—转发过程可以抽象为一个排队系统。
• 基于排队论的分析发现，当分组具有相同的长度时，分组在交换过程中的延迟时间较小。
• 把报文按一定的标准长度分割为“分组”，就能够使交换设备以分组为单位对信息进行处理，从而缩短信息在交换过程中的延迟时间，这正是产生分组交换方式的重要理论依据之一。
• 在其他条件相同的情况下，分组长度越长，延迟时间越长，对于实时交互式通信，要求延迟时间短，分组长度应该尽可能短。
• 分组长度不宜太短，因为分组长度太短，就意味着一个报文需要拆分的分组数增加，而每个分组是需要附加控制信息的，额外开销会增加，有效数据传输效率会降低，因此，需要在延迟时间与开销之间进行平衡。
• 实际的分组交换网络的分组长度并不总是相同的，通常会规定一个分组长度范围，这样既具有灵活性，又尽可能优化网络延时。

2.分组长度与误码率

• 通信链路的信道误码率是确定分组长度时另一个需要重点考虑的因素。设分组长度为$$L$$位，其中$$h$$位为分组头长度，数据长度为$$x$$位，即有

  ​ $$x+h=L$$

  若信道误码率为$$p_e$$，则分组传输正确的概率（只考虑分组中位误码的情况）为

  ​ $$P_s=(1-P_e{)}^{x+h}$$

  分组传输错误要求重发的概率为$$(1-P_s)$$，在考虑到可能多次连续传输错误的情况下可以得到最佳分组长度$$L_{opt}$$为

  ​ $$L_{opt}=\sqrt{h/P_e}$$

  最高信道利用率可以表示为

  ​ $${\eta }_{max}=(1-\sqrt{h{P}_e}{)}^2$$

• 由上可知，在一定$$h$$，$$P_e$$下存在最佳分组长度，且$$P_e$$越小，$$L_{opt}$$越长；$${\eta }_{max}$$随$$h$$,$$P_e$$增大而降低。

• 目前，有关分组数据交换的规格和标准已有国际电信联盟（International Telecom Union，ITU ）以建议的形式制定出，分组长度以16B（1B=8 bit）到4096B之间的$$2^{n}B$$为标准分组长度，如32B,64B,256B,512B和1024B等。

第四节 计算机网络性能

一，速率与带宽

• 速率（rate）是计算机网络中最重要的性能指标之一，速率是指网络单位时间内传送的数据量，用以描述网络传输数据的快慢，也称为数据传输速率或数据速率（data rate）。速率的基本单位是bit/s（位每秒），有时也称为比特率（bit rate）。
• 常用的速率单位有kbit/s,Mbit/s,Gbit/s,Tbit/s等，1Tbit/s=$$10^3$$Gbit/s=$$10^6$$Mbit/s=$$10^9$$kbit/s=$$10^{12}$$bit/s。
• 计算机网络中，有时也会用“带宽”（bandwidth）描述速率；在通信或信号处理领域中，带宽原本指信号具有的频带宽度，即信号成分的最高频率与最低频率之差，单位为Hz；类似，一条链路或信道能够不失真地传播电磁信号的最高频率与最低频率之差，称为信道的带宽，单位也是Hz。
• 计算机网络中，当描述一条链路或信道的数据传输能力时，经常使用“带宽”表示链路或信道的最高数据速率，单位也是bit/s。

二，时延

• 时延（delay）是评价计算机网络性能的另一个重要的性能指标。也称为延迟。
• 时延是指数据从网络中的一个结点到达另一个结点所需要的时间。
• 计算机网络中，通常将连接两个结点的直接链路称为一个“跳步”（hop），简称“跳“。
• 在存储—转发方式的分组交换网络中，只要分析清楚分组在每一跳过程的时延，就可以求得任意情况下，分组从源节点到达目的结点的时延。
• 分组的每跳传输过程主要产生4类时间延迟：结点处理时延（nodal processing delay），排队时延（queueing delay），传输时延（transmission delay）和传播时延（propagation delay）。
  

1. 结点处理时延

• 每个分组到达交换结点（如路由器）时，交换设备通常可能需要验证分组是否有差错，根据分组携带的信息（如目的地址）检索转发表，确定如何转发该分组，还有可能修改分组的部分控制信息等。
• 分组进行这些操作所消耗的时间总和，够构成了结点处理时延，记为$$d_c$$，结点处理时延通常很小，在网络总时间延迟时常常被忽略。

2. 排队时延

• 当一个分组到达交换结点时，在该分组前可能还有其他分组正在或等待交换到相同的输出链路，或者交换到输出链路后在该分组之前还有其他分组在等待通过输出链路进行发送。
• 这些情形都需要分组在交换结点进行暂时缓存，排队等待输出链路可用，分组在缓存中排队等待的时间就是排队时延，记为$$d_q$$。
• 排队时延很不确定，也许分组到达后无须等待任何时间，处理结束后直接通过输出链路进行发送，此时没有排队时延；也许该分组之前有很多分组在排队，则该分组的排队时延就会很长。

3. 传输时延

• 当一个分组在输出链路发送时，从发送第一位开始，到发送完最后一位为止，所用的时间，称为传输时延，也称为发送时延，记为$$d_t$$。假设分组长度为$$L$$bit，链路带宽（速率）为$$R$$bit/s，则分组的传输时延为

  ​ $$d_t=L/R$$

• 在报文交换网络中，也可以计算在某链路上传输一个报文的传输时延，即$$M/R$$，其中$$M$$（bit）为报文长度。

4. 传播时延

• 分组中的每个比特在发送到物理介质上时，是利用物理信号的某种特征表示的（编码），如利用脉冲电信号的高电平表示”1“，低电平表示”0“。不同物理信号在不同介质内的传播速度不同，如真空中光信号传播速度约为$$3\ast 10^8$$m/s，电信号在铜介质中传播速度约为$$2\ast 10^8$$m/s。
• 信号从发送端发送出来，经过一定距离的物理链路到达接收端所需要的时间，称为传播时延，记为$$d_p$$。
• 若物理链路长度为$$D$$（m），信号传播速度为$$V$$（m/s)，则传播时延为$$d_p=D/V$$。
• 综上，一个分组经过一个跳步所需时间为
  • $$d_h=d_c+d_q+d_t+d_p$$。

三，时延带宽积

• 一段物理链路的传播时延与链路带宽的乘积，称为时延带宽积，记为$$G$$，于是

  ​ $$G=d_p\ast R$$

• 时延带宽积$$G$$的单位是位。

• 时延带宽积的物理意义在于：如果将物理链路看作一个传输数据的管道的话，时延带宽积表示一段链路可以容纳的数据位数，也称为以位为单位的链路长度。

四，丢包率

• 当网络拥堵特别严重时，新到达的分组甚至已无缓存空间暂存该分组，此时交换结点会丢弃分组，就会发生”丢包“现象。

• 丢包率常被用于评价和衡量网络性能的指标，在很大程度上可以反映网络的拥堵程度，因为引发网络丢包的主要因素是网络拥塞。丢包率可以定义为

  ​ $$\eta =N_1/N_s=(N_s-N_r)/N_s$$

  • $$N_s$$为发送分组总数；$$N_r$$为接收分组总数；$$N_1$$为丢失分组总数。

五，吞吐量

• 吞吐量（throughput）表示在单位时间内源主机通过网络向目的主机实际送达的数据量，单位为bit/s或B/s（字节每秒），记为$$Thr$$。
• 吞吐量用于度量网络的实际数据传送能力，即网络实际的可以达到的源主机到目的主机的数据传送速率。受网络链路带宽，网络连接复杂性，网络协议，网络拥塞程度等因素影响。
• 对于分组交换网络，源主机到目的主机的吞吐量在理想情况下约等于瓶颈链路的带宽。

第五节 计算机网络体系结构

一，OSI参考模型

• OSI参考模型采用分层结构化技术，将整个计算机网络的通信功能分为7层，由低到高分别是：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。

1. 物理层

• 物理层的主要功能是在传输介质上实现无结构比特流传输。无结构比特流是指不关心比特流实际代表的信息内容，只关心如何将0和1这些比特以合适的信号传送到目的地，因此，物理层要实现信号编码功能。

2. 数据链路层

• 数据链路层的主要功能是实现在相邻结点之间数据可靠而有效的传输。
• 数据在物理介质内传输过程，不能保证没有任何错误发生。为了能实现有效的差错控制，就采用了一种以”帧“为单位的数据块传输方式。
• 要采用帧格式传输，就必须有相应的帧同步技术，这就是数据链路层的”成帧“（也称为”帧同步“）功能，包括定义帧的格式，类型，成帧的方法等。
• 数据链路层的另一个重要功能是寻址，即用来确保每一帧都能准确地传递到正确的接收方，接收方也应该知道发送方的地址，这在使用广播介质的网络中尤为重要，如计算机中采用MAC地址。

3. 网络层

• 网络层的主要功能是数据转发与路由
  • 在交换网络中，信息从源结点出发，要经过若干个中继结点的存储转发后，才能到达目的结点。
  • 这样一个包括源结点，中继结点，目的结点的集合称为从源结点到目的结点的路径。
  • 一般两个结点之间都会有多条路径选择，这种路由选择是网络层要完成的主要功能之一。
• 网络层还要对进入交换网络的通信量加以控制，以避免通信量过大造成交换网络性能下降。
• 网络层也要具备寻址功能，确保分组可以被正确传输到目的主机，如IP地址。

4. 传输层

• 传输层的功能主要包括复用/分解（区分发送和接收主机上的进程），端到端的可靠数据传输，连接控制，流量控制和拥塞控制机制等。

5. 会话层

• 会话层的主要功能
  • 在建立会话时核实双方身份是否有权参加会话。
  • 确定双方支付通信费用。
  • 双方在各种选择功能方面（如全双工还是半双工通信）取得一致。
  • 在会话建立以后，需要对进程间大的对话进行管理与控制。
• 在实际的网络中，会话层的功能已经被应用层所覆盖，很少单独存在。

6. 表示层

• 主要用于处理应用实体间交换数据的语法；实现文本压缩/解压缩，数据加密/解密，字符编码的转换等功能。

7. 应用层

• 应用层与提供给用户的网络服务相关，包括文件传送，电子邮件，P2P等。应用层为用户提供了一个使用网络应用的”接口“。
• OSI参考模型的7层中，
  • 1~3层主要负责完成数据交换和数据传输，称为网络低层；
  • 5~7层主要是完成信息处理服务的功能，称为网络高层。
  • 低层与高层之间由第4层衔接。

2. OSI参考模型有关术语

1. 数据单元

• 在层的实体之间传送的比特组称为数据单元。在对等层之间传送数据单元是按照本层协议进行的，因此，这时的数据单元称为协议数据单元（PDU）。

2. 服务访问点

• 相邻层间的服务是通过其接口面上的服务访问点（Service Access Point，SAP）进行的，N层SAP就是（N+1）层可以访问N层的地方。每个SAP都有一个唯一的地址号码。

3. 服务原语

• 第N层向（N+1）层提供服务，或第（N+1）层请求N层提供服务，都是用一组原语（Primitive）描述的。OSI参考模型的原语有4类。
  • 请求（Request）：用户实体请求服务做某种工作。
  • 指示（Indication）：用户实体被告知某件事发生。
  • 响应（Response）：用户实体表示对某件事的响应。
  • 证实（Confirm）：用户实体收到关于它的请求的答复。

4. 面向连接的服务和面向无连接的服务

• 面向连接的服务以电话系统最为典型，要和某人通话，拿起电话—拨号—接通—通话—挂断。某一方欲传送数据，首先给出对方的全称地址，并请求建立连接，当双方同意后，双方之间的通信链路就建立起来。

• 无连接服务没有建立和拆除链路的过程，如：邮政系统的用户在发送信件之前并不必与收信方进行任何信息交换。无连接的服务又称为数据报（Datagram）服务。

二，TCP/IP参考模型

• TCP/IP参考模型包括4层，通常每一层封装的数据包采用不同的名称。

1，应用层

• TCP/IP参考模型将OSI参考模型中会话层和表示层的功能合并到应用层来实现。

2，传输层

• TCP/IP参考模型的传输层主要包括面向连接，提供可靠数据流传输的传输控制协议TCP和无连接不提供可靠数据传输的用户数据报协议UDP。

3，网络互联层

• 是整个TCP/IP参考模型的核心，主要解决把数据分组发往目的网络或主机的问题。
• 网络互联层的核心协议是IP，负责定义分组的格式和传输。
• IP是无连接不可靠网络协议，因此，IP分组到达的顺序和发送的顺序可能不同。
• 网络互联层还包括互联网控制报文协议ICMP，互联网多播组管理协议IGMP以及路由协议，如BGP，OSPF和RIP等。

4，网络接口层

• TCP/IP参考模型并没有真正描述这一层的实现，只是要求能够提供给其上层—网络互联层一个访问接口，以便在其上传递IP分组。
• 这层对应OSI参考模型中的数据链路层和物理层，网络层IP分组在这一层被封装到底层网络的链路层数据帧中，并最终以比特流的形式在物理介质上进行传输。

三，五层参考模型

• 包括物理层，数据链路层，网络层，传输层与应用层，各层功能基本与OSI参考模型对应。
• TCP/IP参考模型的传输层主要包括面向连接，提供可靠数据流传输的传输控制协议TCP和无连接不提供可靠数据传输的用户数据报协议UDP。

3，网络互联层

• 是整个TCP/IP参考模型的核心，主要解决把数据分组发往目的网络或主机的问题。
• 网络互联层的核心协议是IP，负责定义分组的格式和传输。
• IP是无连接不可靠网络协议，因此，IP分组到达的顺序和发送的顺序可能不同。
• 网络互联层还包括互联网控制报文协议ICMP，互联网多播组管理协议IGMP以及路由协议，如BGP，OSPF和RIP等。

4，网络接口层

• TCP/IP参考模型并没有真正描述这一层的实现，只是要求能够提供给其上层—网络互联层一个访问接口，以便在其上传递IP分组。
• 这层对应OSI参考模型中的数据链路层和物理层，网络层IP分组在这一层被封装到底层网络的链路层数据帧中，并最终以比特流的形式在物理介质上进行传输。

三，五层参考模型

• 包括物理层，数据链路层，网络层，传输层与应用层，各层功能基本与OSI参考模型对应。
• 用户的数据在应用层以报文的形式开始向下一层进行封装，形成段，数据报，帧，最后以比特流的形式进行传输。在中间节点处，分别从对应的数据报，帧中取出相应的路由或地址信息并进行处理，并依据转发策略向正确的接口转发数据报或帧。当数据到达目的主机后，自下而上，逐层处理并去掉相应的头部信息，最终还原为最初的报文，交付给用户。