计算机网络概述（计网_01）

前言：计算机网络的概述、互联网的概述、互联网的组成、计算机网络的类别、计算机网络的性能、计算机网络体系结构。

一、计算机网络（概述）

• 21世纪的一些重要的特征就是数字化、网络化和信息化。它是一个以网络为核心的信息时代。
• 三大类网络：电信网络、有线电视网络、计算机网络。

1.1Internet

• Internet称作因特网也称作互联网。
• Internet是由数量极大的各种计算机网络互连起来的。
• 互联网的两个重要的基本特点：连通性和共享。
  • 连通性：就是互联网使上网用户之间，不管相距多远，都可以非常便捷、非常经济地交换各种信息。
  • 共享：即资源共享。可以是信息共享、软件共享、硬件共享。

二、互联网概述

2.1 网络的网络

• 计算机网络：（简称网络）由若干结点和连接这些结点的链路组成。
  • 网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。
  • 在很多情况下，我们可以用一朵云表示一个网络。（好处是可以不用关心网络中的相当复杂的细节问题）
• 互连网：网络之间通过路由器互连起来，这就是覆盖更大范围的计算机网络。
  • 因此也称互连网为“网络的网络”。

网络（计算机网络）把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络通过路由器连接在一起，与网络相连的计算机常称为主机。

2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

（1）第一个阶段：从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。

• 1969年美国国防部创建的第一个分组交换网ARPANET最初只是一个单个的分组交换网（并不是一个互连的网络）。
• 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连通

（2）第二个阶段：建成三级结构的互联网

• 它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网、校园网（企业网）。

（3）第三个阶段：逐渐形成了多层次ISP结构的互联网

ISP：（Internet Service Provider）互联服务提供者，又称互联网服务提供商。例如中国电信、中国移动等。

• 根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目不同，ISP分为三种不同层次的ISP
  1. 主干ISP
  2. 地区ISP
  3. 本地ISP

注意：

internet（互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。这些网络之间的通信协议（即通信规则）可以任意选择，不一定非要使用TCP/IP协议。

Internet（互联网，或因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。

2.3 互联网的标准化工作

• 互联网工程部IETF
• 互联网研究部IRTF

所有互联网标准都以RFC的形式在互联网上发表

（1）之前要经过三个阶段：

• 互联网草案（Internet Draft）：有效期只有六个月。在这个阶段还不是RFC文档。
• 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。

（2）现在简化为两个阶段：

建议标准和互联网标准。

（3）各种RFC之间的关系

除了建议标准和互联网标准这两种RFC文档外，还有三种RFC文档：历史的、实验的和提供信息的RFC文档。

三、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：有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）。

3.1 互联网的边缘部分

一、端系统

• 处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有主机。这些主机又称为 端系统。
• 端系统在功能上可能由很大的差别：
  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），当然也可以是某个ISP。

（1）端系统之间的含义

“主机A和主机B进行通信”实际上是指：“运行在主机A上的某个程序运行在主机B上的另一个程序进行通信”。

（2）端系统之间的两种通信方式：

• 客户---服务器方式（C/S方式）

  • 客户和服务器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。
  • 客户端特点：
    • 被用户调用后运行
    • 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

• 对等方式（P2P方式）

  • 对等连接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。
  • 只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），他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。
    • 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

3.2 互联网的核心部分

• 在网络的核心部分起特殊作用的是路由器
• 路由器是实现分组交换的关键构建，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。

一、典型的交换技术

1. 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达。
2. 分组交换：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。
3. 报文交换：单个分组（这只是整个报文的一部分）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。

互联网的核心部分采用了分组交换技术。

（1）电路交换的主要特点：

类似于电话通信。

• 电路交换必定是面向连接的。
• 计算机数据具有突发性，这导致通信线路的利用率很低。

电路交换分为三个阶段：

1. 建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用。
2. 通信：主叫和被叫双方就能互通电话。
3. 释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路（释放刚才占用的所有通信资源）。

（2）分组交换

• 分组交换则采用存储转发技术。

• 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。

• 在每一个数据段前面添加上首部构成分组
  

• 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。

二、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。

四、计算机网络的类别

（1）计算机网络的定义

计算机网路主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成，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。

（2）几种不同类别的网络

一、按照网络的作用范围进行划分

• 广域网WAN：作用范围通常为十几到几千公里
• 城域网MAN：作用距离约为5-50公里
• 局域网LAN：局限在较小的范围（如1公里左右）
• 个人局域网PAN：范围很小，大约在10米左右。

若中央处理器之间的距离非常近（如仅1米的数量级甚至更小些），则一般就称之为多处理机系统，而不称它为计算机网络。

二、按照网络的使用者进行分类

• 公用网：按规定缴纳费用的人都可以使用的网络。因此也称公众网。
• 专业网：为特殊业务工作的需要而建造的网络。

三、用来把用户接入到互联网的网络

• 接入网AN：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（也称边缘路由器）之间的一种网络。

五、计算机网络的性能

5.1 计算机网络的性能指标

（1）速率

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。也称为数据率或比特率。

• 比特是计算机中你那个数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位
• 比特意思是一个“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.
• 速率的单位是bit/s,kbit/s,mbit/s,gbit/s等
• 速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

（2）宽带

• “宽带”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，宽带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”。

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。

（3）吞吐量

• 吞吐量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显示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。

（4）时延

• 时延是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的另一端传送到另一端所需要的时间。

• 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
  • 传播时延
  • 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

（4.1）发送时延

• 也称为传输时延
• 发送诗句是，数据帧从节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，到该帧最后一个比特发送完毕所需的时间。

（4.2）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。

（4.3）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。

（4.4）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。
  

• 注：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。
• 提高链路宽带减小了数据的发送时延。

（5）时延带宽积

链路的实时延带宽积又称为 以比特为单位的链路长度。

（6）往返时间RTT

• 由来：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要的时间。
• 往返时间RTT：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。
• 一些联系：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。

（7）利用率

• 分类：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。
• 时延与网络利用率的关系：
  

5.2 计算机网络的非性能特征

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 可扩展性和可升级性
• 易于管理和维护

六、计算机网络的体系结构

6.1 计算机网络体系结构的形成

• 计算机网络的体系结构：是计算机网络的各层及其协议的集合。
• 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。
• 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）OSI

• 开放系统互连基本参考模型OSI/RM
• 但OSI只获得了一些理论研究的成果，在市场化方面却失败了。

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。

6.2 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：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。

（2.1）网络协议的三个组成要素

• 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：时间实现顺序的详细说明。

• 可见，网络协议是计算机网络的不可缺少的组成部分。

（2.2）协议的两种形式

• 便于人们阅读和理解的文字描述
• 让计算机能够理解的程序代码

（2.3）划分层次的概念举例

可以将要做的工作进行如下的划分：

1. 第一类工作与传送文件直接有关。
   • 确信对方已做好接受和存储文件的准备
   • 双方已协调好一致的文件格式
2. 两个主句将文件传送模块作为最高的一层，剩下的工作由下面的模块负责。

• 分层的好处与缺点

（2.4）各层完成的主要功能

• 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠
• 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。
• 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。
• 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端在进行分用。
• 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。

6.3 具有五层协议的体系结构

• OSI即复杂又不使用
• TCP/IP是四层结构，但最下面的网络接口层并没有具体内容
• 故往往采取折中的方法，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）主机1向主机2发送数据

• 协议数据单元PDU：OSI参考模型把对等层次之间传送的数据单元称为该层的协议数据单元PDU。
• 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”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预定。

6.4实体、协议、服务和服务访问点

• 实体：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）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。即下面的协议对上的=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的通信规则。
• 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。

（2）服务访问点

• 服务访问点SAP：同一系统相邻两层的实体进行交互的地方。实际上就是一个逻辑接口。
• 服务数据单元SDU：OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU。
• SDU可以与PDU不一样。例如，可以是多个SDU合成一个PDU，也可以一个SDU划分为几个PDU。

6.5 TCP/IP的体系结构

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。

（1）沙漏计时器形状的TCP/IP 协议族