[计算机网络(谢希仁 第八版)]第一章 概述（学习复习笔记）

1.1 计算机网络在信息时代中的作用

• 21世纪是以网络为核心的信息时代
• 21世纪的重要特征：
  • 数字化
    • 现实生活中的事物转化为使用计算机可以处理的二进制进行表示
  • 网络化
    • 网络：泛指把人或物连接成一个系统
  • 信息化
    • 指建设计算机信息系统，将传统业务中的流程和数据通过信息系统来处理
• 其中网络化中的三大类网络
  1. 电信网络：向用户提供电话、电报、传真等服务；
  2. 有线电视网络：向用户传送各种电视节目，用户通过卫星信号接收电视信号；
  3. 计算机网络：使用户能够在计算机之间传输数据。
     • 计算机网络中最重要的网络为Internet
     • Internet的译名：
       • 因特网（音译）
       • 互联网（采用互联网这个译名能体现 Internet 最主要的特征）
     • Internet 是由数量极大的各种计算机网络互连起来的
• 在三大类网络中，发展最快的并起核心作用的是计算机网络。
• 三网融合：
  • 目前发展趋势
  • 电信网络和有线电视网络融入计算机网络，计算机网络能够向用户提供电话通信、视频通信以及传送视频节目的服务

Internet与internet的区别放在[1.2.1]

• 互联网的两个重要基本特点：
  1. 连通性：
     • 在互联网上网的用户之间可以方便快捷的交换各种信息，好像用户的终端彼此相互连通一样。
     • 连通性是互联网提供许多服务的基础。
  2. 共享：
     • 共享即资源共享，包含信息共享、软件共享以及硬件共享
       • 信息共享：图片、文字、视频等
       • 软件共享：远程登录使用不是本地主机上的软件
       • 硬件共享：互联网中一些向用户提供的服务器或网盘
     • 共享是形成互联网的作用
  • 连通性和资源共享是Internet提供服务的基础
• 互联网的地位：
  • 现在互联网已经成为社会最为重要的基础设施之一
  • 互联网技术是推动世界发展的核心技术之一。
  • 互联网已经成为世界上最大的计算机网络。
• 互联网的优缺点
  • 优点：
    • 方便信息传递和共享
    • 使日常生活便利
    • 促进社会经济发展
    • …
  • 缺点：
    • 计算机网络病毒的传播
    • 利用互联网进行犯罪
    • 散布谣言、不良信息
    • …
      

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)，由若干节点(node)和连接这些节点的链路(link)组成。
  • 一般情况下，“网络”指的都是“计算机网络”的简称。
  • 节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等，除了链路之外的全为节点；
  • 链路为传递信息的通道，如网线。
  • 
• 互连网：由多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成一个覆盖范围更大的计算机网络。
  • 互连网就是“网络的网络”。
  • 
  • 在互连网的图示中，通常使用一朵云表示一个网络。
    • 使用一朵云表示一个网络可以不用考虑每一个网络中的具体细节，即不用考虑在一个网络中具体是如何进行网络的连接的。
  • 在互连网的图示中，可以将把有关的计算机画在云的外面，这样子就可以不用考虑互连网中各个计算机之间相互连接的具体细节。
  • 
  • 在互连网中，与网络相连的计算机通常称为主机(host)，而路由器是一种特殊的计算机(有中央处理器、存储器、操作系统等)，路由器不能称为主机。
• 网络与互连网：
  • 网络把许多计算机连接在一起，而互连网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。
• 互联网(因特网)
  • 特指世界上最大的、覆盖全球的，具有连通性和资源共享性的计算机网络。
• 互连网与互联网
  • 互联网 ≠ 互连网
  • 互连网
    • 对应的英文单词为：internet
    • 互连网是仅在局部范围内互连起来的计算机网络。
  • 互联网
    • 对应的英文单词为：Internet
    • 互联网是指全球范围内的计算机网络互连而成的网络
  • 互连网(internet)的范围仅为局部范围。互联网(Internet)覆盖全球
• 计算机网络、互连网、互联网的范围大小关系：
  • 计算机网络 < 互连网 < 互联网
    

1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

• 第一阶段(1969-1990)
  • 第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。
    • ARPANET 是一个单个的分组交换网
    • ARPANET 是互联网的雏形
    • 1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都可以利用互连网通信，将1983年定为互联网诞生的时间。
  • internet 与 Internet：
    • 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
    • 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、由众多网络相互连接而成的互连网
      • 采用TCP/IP协议作为通信的规则，其前身为 ARPANET。
    • 任意把几个计算机网络互连起来，不管采用的通信协议，并且能够相互通信，这样构成的是一个互连网(internet)，不是互联网(Internet)。
• 第二阶段(1985-1993)
  • 第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网
  • 这三级计算机网络分别是：主干网(广域网)、地区网(城域网)、校园网(企业网/局域网) 。
    • 由局部地区的计算机互连形成局域网，同一个地区不同局部的网络(局域网)互连形成地区网，地区网再经过互连形成主干网
  • 
• 第三阶段(1993至今)
  • 第三阶段的特点是逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网。
  • ISP(Internet Service Provider)，互联网服务提供者，或互联网服务提供商，即提供接入互联网服务的人或厂商。
    • 现在，中国电信、中国联通、中国移动等公司，是我国有名的ISP。
    • 互联网服务提供者ISP可以从互联网管理结构申请到很多IP地址，互联网上的主机必须有IP地址才能上网，这里的上网就是通过ISP获得IP地址接入互联网。
    • IP地址被分配给用户之后，用户不使用IP地址后，不被使用的IP地址会被回收
    • 主机向本地ISP申请IP地址接入网络，本地ISP向地区ISP申请，地区ISP向主干ISP申请。
  • 根据提供服务的覆盖面积大小以及拥有的IP地址数，ISP分为主干ISP、地区ISP、本地ISP。
    • 这种结构为多层次ISP结构
    • 本地ISP给用户提供直接的服务，绝大多数的用户都是连接到本地ISP，由本地ISP提供接入互联网的服务
  • 
  • 互联网交换点，IXP(Internet eXchange Point)，允许两个网络直接相连，并交换分组，两个网络之间不需要在通过第三个网络来转发分组。
    • 即互联网交换点，可以使两个地区间的网络直接通信，不用借助上一级网络。
    • IXP常采用工作在数据链路层的网络交换机。
  • 万维网，WWW(World Wide Web)，推动了互联网的迅速发展
    

1.2.3 互联网标准化工作

• 互联网标准化工作
  • 互联网标准化工作是制定在全球范围内大家共同遵守的互联网标准
  • 互联网标准化工作是面向公众的，其中任何一个建议标准在成为互联网标准之前都是以RFC文档的形式在互联网上发表
    • RFC(Request For Comments)：请求评论。
    • 每个RFC文档发表后都会有一个编号标记，RFC文档更新后旧的RFC文档不会被删除而会被永远保留，所以最终的每个互联网标准会对应一个至多个RFC文档
• 互联网标准化工作由互联网管理机构 —— 互联网协会(ISOC)进行管理
• 互联网管理机构：互联网协会(ISOC)
  • ISOC下设有技术组织：互联网体系结构委员会IAB，负责管理互联网有关协议的开发
  • IAB下设有两个工程部：
    • 互联网工程部IETF，研究某一特定的短期和中期的工程问题，主要针对协议的开发和标准化
      • 具体工作由互联网工程指导小组IESG管理
    • 互联网研究部IRTF，研究长期考虑的问题，包括互联网的一些协议、应用、体系结构等
      • 具体工作由互联网研究指导小组IRSG管理
• 制定互联网的正式标准的三个阶段
  • 互联网草案
    • 这个阶段还没有成为RFC文档
  • 建议标准
    • 从这个阶段开始成为RFC文档
  • 互联网标准
    • 建议标准成为互联网标准，并且会给标准分配一个标准编号
    • 一个互联网标准可以和多个RFC文档关联
      

1.3 互联网的组成

• 互联网可以划分为以下两大块：
  • （1）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，用于进行通信和资源共享。
    • 由于边缘部分主要用于进行通信和资源共享，所以边缘部分又称为资源子网
  • （2）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。
    • 由于核心部分为边缘部分提供连通性和交换，所以核心部分又称为通信子网
  • 

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。
  • 连接在互联网上的主机又被称为端系统，“端”即“末端”，互联网的末端。
  • 端系统由各类主机构成，可以是一台普通的个人电脑，也可以是一部具有上网功能的智能手机，甚至可以是一个网络摄像头…
  • 端系统之外不会再连接其他设备，即不会通过端系统进行中转连接其他设备。端系统不进行数据的转发，而是进行资源的提供。
• 计算机之间通信：
  • 主机A与主机B之间进行通信，实际上，是运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序之间进行通信，由于进程即运行的程序，所以计算机之间的通信为，主机A的某个进程和主机B上的另一个进程之间的通信。
• 在网络边缘的端系统之间的通信方式可以划分为两大类：
  • （1）客户 – 服务器方式（C/S方式，Client/Server）
  • （2）对等方式（P2P方式，Peer-to-Peer）

（1）客户 – 服务器方式

• 客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程
  • 客户–服务方式所描述的是进程之间服务与被服务的关系。
  • 客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
  • 服务的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
  • 
  • 客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，即客户和服务器都可以发送和接收数据。
• 客户程序与服务程序的特点：
  • 客户程序：
    • 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
  • 服务器程序：
    • 服务器程序需要可以同时处理多个远地或本地客户的请求
    • 服务器程序启动后就一直不断地运行，被动地等待并接收来自各地的客户的通信请求
    • 服务器程序不需要知道客户程序的地址
    • 服务器程序一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持

（2）对等方式

• 对等连接（peer-to-peer，简写P2P）是指两台主机在通信时，并不区分哪一个是服务请求方和哪一个是服务提供方，只要两台主机都运行了对等连接软件(P2P软件)，它们就可以平等的对等连接通信。
  • 在P2P方式中，通信的双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档
• 在对等方式中，两台主机相互之间都可以提出申请，也都可以提供服务。
  • 实际上，对等连接方式从本质上看仍然是客户–服务器方式，只是对等连接中的每一台主机既是客户又是服务器。
• 
  

1.3.2 互联网的核心部分

• 互联网的核心部分向边缘部分提供通信的保证
  • 核心部分向边缘部分提供连通性，使边缘部分的任何一台主机都可以与其他主机通信。
• 在网络核心部分起特殊作用的是路由器
  • 路由器是一种专用计算机，但是路由器不叫作主机。
  • 路由器是实现分组交换（信息的存储与转发）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. 电路交换的主要特点

• 交换就是转接，把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通。
• 从通信资源的分配角度看，交换就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源。
• 电路交换：经过“建立连接(占用通信资源，建立一条专用的物理通路) => 通话(一直占用通信资源，主叫与被叫双方相互通话) => 释放连接(归还通信资源，释放刚才使用的专用的物理通路)”三个步骤的交换方式。
  • 只要有上述的三个过程，且通信过程中一直占用通信线路，即为电路交换。
  • 电路交换是面向连接的
• 电路交换的特点：
  • 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，通话时间内通信资源被通话的两端独享。
    • 
• 电路交换不适合网络传输
  • 当使用电路交换来传送计算机数据时，由于通话时间其他用户不能使用通信资源，且计算机数据具有突发信，即不知道什么时候会进行数据交换以及数据交换的量不固定(时多时少)，会存在大部分的空闲时间，使得电路交换中线路的传输效率很低。

2. 分组交换的主要特点

• 分组交换采用存储转发技术，把一个报文划分成几个分组后再进行传送。
• 通常，把要发送的整块数据称为一个报文。
• 在发送报文之前，会把较长的报文划分为一个个更小的等长的数据段，在每一个数据段前面加上一些必要的控制信息组成的首部(首部由协议决定)构成一个分组。
  • 分组交换网中的节点交换机会根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个节点交换机
  • 分组又被称为包，分组的首部又被称为包头
  • 在分组交换网中以分组为数据传输单元。
    • 分组是在互联网中传送的数据单元，即分组是数据传输单位。
  • 
• 位于网络边缘部分的主机和位于网络核心部分的路由器都是计算机。
  • 主机：为用户进行信息处理，和其他主机通过网络交换信息；
  • 路由器：用来转发分组，进行分组交换。
    • 路由器收到一个分组，会先暂时存储，检查该分组的首部，查找转发表，按照首部中的目的地址找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器。
    • 所以各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息。
    • 路由器的工作对象为分组，工作方式为存储转发
• 每个分组的传输路径是不受我们控制的，根据当时网络的情况选择最佳路径。
• 分组交换中每个分组不会独占整条传输路径，只会占传输路径的一段。
  • 分组在哪段链路上传送，才占用那段链路的通信资源
• 接收端收到分组后会剥去首部还原成报文。
• 
• 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，对通信链路逐段占用，省去了建立连接和释放连接的开销
  • 灵活：根据链路的状态，为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
  • 迅速：以分组作为传送单位，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
• 分组交换的问题：
  • 数据多时，分组在各路由器存储转发需要排队，会造成一定的时延。到一个路由的分组多时，由于路由需要一个个判断向哪转发，所以需要排队，从而产生时延。
  • 各分组必须携带控制信息，会造成一定的开销，且路由器需要暂存分组对分组分析与维护转发表也会增加开销。
• 存储转发并不是在分组交换中提出的，在更早的报文交换中也采用了存储转发原理
• 三种交换方式：
  • 电路交换：
    • 先建立通信双方之间的连接，然后整个报文的比特流连续地从源点直达终点
  • 报文交换：
    • 将整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点
  • 分组交换：
    • 单个分组（整个报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点
  • 
  • 如果要连续传送大量的数据，且传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快；
  • 报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可以提高整个网络的信道利用率；
  • 由于一个分组的长度远小于整个报文的长度，所以分组交换比报文交换的时延小(分组交换到达目的地更快)，具有更好的灵活性。

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 计算机网络的类别

• 计算机网络的精确定义并未统一
  • 对于计算机网络的较好的定义：
    • 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点目的。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。
      • 计算机网络所连接的硬件并非只有计算机，还包括了智能手机、智能电视等
      • 计算机网络并非只用于传送数据，还能够支持许多应用
      • 可编程硬件，表明这种硬件一定包含有中央处理器CPU。
  • 计算机网络比较通俗的定义：
    • 计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备通过通信线路连接起来，在网络操作系统、网络管理软件及网络通信协议的管理与协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

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

1. 广域网(WAN，Wide Area NetWork)
   • 广域网也称为远程网
   • 广域网是互联网的核心部分。
     • 广域网的任务是长距离传送主机发送的数据
   • 广域网的作用范围一般包含一个国家，广域网也叫主干网。
2. 城域网(MAN，Metropolitan Area NetWork)
   • 城域网的作用范围一般是一个城市。
   • 城域网处于互联网核心部分的边缘。
3. 局域网(LAN，Local Area NetWork)
   • 局域网的作用范围局限在较小的范围，局域网的作用范围一般是一个学校或工厂，局域网也叫校园网或企业网。
4. 个人区域网(PAN，Personal Area NetWork)
   • 个人区域网就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络。
   • 个人区域网也叫无线个人区域网(WPAN，Wireless PAN)。
     • 通过个人热点形成的一个网络。

2. 按照网络的使用者进行分类

1. 公用网(public network)
   • 电信公司出资建造的大型网络，按电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用这种网络。
   • 公用网也叫公众网。
2. 专用网(private network)
   • 某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。
   • 专用网不向本单位以外的人提供服务。

3. 用来把用户接入到互联网的网络

• 用来把用户接入到互联网的网络就是接入网(AN，Access Network)，也叫本地接入网或居民接入网。
• 这种网络是主干网络到用户终端之间的所有设备间的网络，这种网络可以由ISP提供。
  • 接入网实际上就是本地ISP所拥有的网络
• 接入网既不是互联网的核心部分也不是互联网的边缘部分，是端系统到本地ISP第一个路由器之间的链路，本地ISP可以使用接入网将用户端系统接入互联网。
  • 接入网只是起到用户与互联网连接的“桥梁”作用。
  • 接入网是互联网核心部分和互联网边缘部分之间的“桥梁”

1.6 计算机网络的性能

• 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、吞吐量、时延带宽积、往返时间RTT、利用率等。

1.6.1 计算机网络的性能指标

1. 速率

• 计算机发送数据都是以二进制数字的形式。
  • 二进制数字也叫做比特(bit，binary digit)，一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。
  • 在香农的理论中，比特为信息量的单位。
• 速率：
  • 速率是连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率
    • 即数据的传送速率，也称为数据率或比特率
  • 单位bit/s(比特/秒，或b/s、bps [bit per second])。
  • 速率是指理想状态下，一定时间内网络信道可通过的最大数据量（或可以传送的最大数据量），并不是一个比特在信道中的传输速度。
    • 比如，理想状态下，一条马路单位时间内能够通过多少辆汽车。
  • 一般情况下，我们提到网络的速率是指额定速率或标称速率，并不是网络实际上的运行速率。
• 速率不同单位间的转换：
  • $k=10^3$
  • $M=10^6=10^{3}k$
  • $G=10^9=10^{3}M=10^{6}k$
  • $T=10^{12}$
  • $P=10^{15}$
  • $E=10^{18}$
  • $Z=10^{21}$
  • $Y=10^{24}$
  • 在通信邻域，单位间的转换与在计算机领域的不同。

2. 带宽

• 带宽的两种意义：
  1. 带宽是指某个信号具有的频带宽度
     • 信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。
     • 这种意义的带宽的单位是赫。
     • 这种意义下信道的带宽表示某信道允许通过(传输)的信号频带范围。
     • 这种意义是在频域下
     • 带宽越大，通过的信号越多，同一时间间隔内通过的比特数越多
       • 比如，车道数越多(路越宽)，同一时间间隔内通过的车越多
  2. 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
     • 在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”
       • 即在单位时间内在网络信道中所能通过的最大比特数(数据量)。
       • 带宽是指某信道在某种限制下，单位时间内该信道所能通过的最大比特数(数据量)
         • 就好比，某条道路在限速的情况下，单位时间内该道路所能通过的最大汽车数
     • 这种意义的带宽的单位为数据率的单位bit/s(比特每秒)。
     • 这种意义是将频域下的概念映射到时域下
  • 前者为频域称谓，后者为时域称谓
• 速率与带宽
  • 速率是某个信道在理想状态下，单位时间内可通过的最大比特数(信道不受限)
  • 带宽是指在某个条件下(信道受限)，单位时间内可通过的最大比特数。
    • 

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)的实际数据量。
• 吞吐量受网络带宽或网络额定速率的限制
  • 带宽越大单位时间内通过的数据量越大，吞吐量越大。
  • 如果传输信道发生信道阻塞或拥塞，吞吐量可能小于或远小于额定值，甚至下降到0。

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)的一端传送到另一端所需的时间。
  • 时延也称为延迟或迟延。
  • 时延由发送时延、传播时延、处理时延与排队时延组成。

（1）发送时延

• 发送时延是主机或路由器发送数据帧所需的时间，即从发送第一个比特开始，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
  • 发送时延也叫传输时延。
  • 发送时延是计算机将数据发送到传输链路上所需的时间
• 发送时延的计算公式：
  • $发送时延=\frac{数据帧长度(bit)}{发送速率(bit/s)}$
  • 发送速率的单位是每秒发送多少个比特
  • 发送速率是指在某个点或某个接口上的发送速率。

（2）传播时延

• 传播时延是电磁波在信道中传输一定距离需要花费的时间。
• 传播时延的计算公式：
  • $传播时延=\frac{信道长度(m)}{电磁波在信道上的传播速率(m/s)}$
  • 传播速率的单位是每秒传播多少公里，是指在某一段传输线路上比特的传播速率。
• 传播时延与发送时延的区别：
  1. 两种时延发生的地方不同
     • 发送时延发生在机器内部的发送器(网络适配器)
     • 传播时延发生在机器外部的传输信道媒体上。
  2. 发送时延和发送速率相关，与传播速率、传输信道的长度无关。
  3. 传播时延与传播速率相关，与发送速率无关，信号的传送距离越远传播时延越大。

（3）处理时延

• 处理时延是主机或路由器在收到分组时对分组进行处理花费的时间。

（4）排队时延

• 分组在经过网络传输时，需要经过许多路由器，由于每个分组被路由器处理时会产生处理时延，分组到路由器就需要进行排队等待处理，在路由器确定了转发接口后，由于每个分组进行转发也需要时间，所以分组还要在输出队列中排队等待转发，分组在排队时花费的时间就为排队时延。
• 分组的排队队列越长，排队时延越大，如果路由的内存排满了，此时分组不能进入路由器，由于分组也不能在线路上停留，此时该分组会被丢弃，这个时候排队时延相当于无穷大。

（5）总时延

• 数据在网络中经历的总时延为上述四种时延之和：
  • $总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延$
  • 
• 在总时延中，哪种时延占主导地位，需要根据具体情况具体分析。
• 在高速链路(或高速带宽链路)上，比特是否会传送得更快？
  • 对于高速网络链路，提高得仅仅是数据得发送速率而不是比特得传播速率，提高发送速率只能减小发送时延，如果发送时延占总时延很小得一部分，则传送速度变化不明显，比特不一定会传送得更快
  • 高速链路：指发送速率提高，而不会影响电磁波的传播速率

5. 时延带宽积

• 时延带宽积就是传播时延和带宽相乘。
  • $时延带宽积=传播时延\times 带宽$。
• 时延带宽积是在指定情况下使用的指标
  • 如，当传播时延固定，带宽越大越好；带宽固定，传播时延越小越好
• 时延带宽积用于表示在一个链路种最大可以容纳多少个比特，即在该传输链路中的最大二进制数的个数。
  • 开始发送数据到接收端收到第一个比特时链路中所能容纳的比特数。
    • 从第一个比特在传输链路开始传输到第一个比特到达接收端所经历的时间为传播时间，即传播时延
  • 链路的时延带宽积被称为以比特为单位的链路长度。
  • 管道中的比特数表示从发送端发出但尚未到达接收端的比特数。
  • 当链路的管道充满比特时，链路得到充分的利用。
• 

6. 往返时间RTT

• 往返时间为从发送方发送全部数据到链路上的时刻点，到发送方收到接收方的确认时，总共经历的时间(过去时间+回来时间)。
  • 往返时间即通信双方双向交互一次所需的时间。
• 往返时间中包括各中间节点的处理时延、排队时延以及转发数据的发送时延。
• 注意，往返时间不包括发送数据到链路上的时间
  • 因为只有在最后一个比特到达接收方时，接收方才可能对数据进行处理并生成回送的响应信息。
• 往返时间也被称为往返时延，强调发送方至少要经过多少时间才能知道自己所发送的数据是否被对方接收了。
• 
• 
• 有效数据率：
  • $有效数据率=\frac{数据长度}{发送时间+RTT}$

7. 利用率

• 利用率有信道利用率和网络利用率两种。
  • 信道利用率：
    • 某信道有百分之几的时间是被利用的，即信道有百分之几的时间是有数据通过的。
    • 如果无数据通过，即此时信道完全空闲，此时信道的利用率为0.
  • 网络利用率：
    • 全网络的信道利用率的加权平均值。
• 信道的利用率并不是越高越好，因为如果信道的利用率很高，则说明信道上一直有数据通过，如果利用率过高，则信道中的数据量会很大，由于在网络中路由器对分组进行存储转发会产生时延，此时可能会造成较大的时延(排队时延)，导致信道传输数据的效率下降。
  • 信道的利用率增大，信道引起的时延也会迅速增加。
• 令$D_0$表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，U为网络利用率(数值0-1)：
  • $D=\frac{D_0}{1-U}$
  • 当网络利用率接近1时，网络产生的时延就会趋于无穷大，所以，信道利用率或网络利用率过高就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：遵循统一的标准，可以保证不同网络间可以通信
4. 可靠性：保证数据传输的完整，不会出现丢包、失序等
5. 可扩展性和可升级性
6. 易于管理和维护

1.7 计算机网络体系结构

• 在计算机网络的基本概念中，分层次的体系结构(或架构)是最基本的

1.7.1 计算机网络体系结构的形成

• 为了实现计算机网络体系结构，提出了分层（最初的ARPANET就有提出分层）
  • 分层将庞大复杂的问题转化为若干个较小的局部问题，这些较小的局部问题比较易于研究和处理，从而使得整个问题能够较容易地被解决
• 分层的原则：抽象分层、统一标准、模块独立。
• 国际标准化组织ISO提出开发系统互连基本参考模型OSI/RM，简称OSI。
  • OSI/RM是一个抽象的概念。
  • 1983年形成了开发系统互连基本参考模型的正式文件，即ISO 7498国际标准，也就是七层协议的体系结构。
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• 由于OSI制定的太慢（制定周期太长），缺乏商业驱动力，协议实现过于复杂，运行效率低，层次划分不太合理（有些功能在多个层次中重复出现），最后得到广泛使用的并不是法律上的国际标准OSI，而是非国际标准TCP/IP，TCP/IP被称为事实上的国际标准。
  • TCP/IP，简化的OSI

1.7.2 协议和划分层次

• 要使得在计算机网络中能够交换数据，就必须遵守事先约定的统一的规则
  • 规则规定了交换的数据的格式和有关的同步问题
  • 约定好的统一规则即协议
• 协议：
  • 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议
  • 网络协议简称为协议。
• 网络协议的三个要素组成：
  1. 语法：
     1. 数据与控制信息的结构或格式
  2. 语义：
     1. 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
     2. 规定所要完成的功能，协议具体解决什么问题。
  3. 同步：
     1. 事件实现顺序的详细说明
     2. 规定各种操作顺序，解决什么时间什么条件做什么特定操作的问题
• 协议通常有两种不同的形式
  • 使用便于人阅读和理解的文字描述
  • 使用让计算机能够理解的程序代码。
  • 两种不同形式的协议都必须能够对网络上的信息交换过程做出精确的解释。
• 计算机网络协议分层后各层所要完成的功能(包含以下一到多种)：
  1. 差错控制，传输不能出错，即发送端发送什么接收端就收到什么
  2. 流量控制，发送端的发送速率和接收端的接收速率要匹配。
  3. 分段和重装，发送端将要发送的数据划分为小的单位，接收端要能够将其还原。
  4. 复用和分用，多个高层会话复用一个低层的连接，在接收端进行分用，将复合的通信内容分开。
  5. 连接建立和释放。
• 分层的好处：
  1. 各层之间相互独立，高层不需要知道低层如何实现，只需要知道如何使用低层通过接口提供的服务即可。
  2. 灵活性好，当任何一层发生变化，只需保持接口不变，不会对其他层造成影响。
  3. 结构上可分割开，各层都可以使用最合适的技术来实现
  4. 易于实现和维护，每个层次只需要维护本层次即可
  5. 能促进标准化工作，各层次独立之后，高层使用低层提供的服务，对于低层提供的服务需要有一个精确的说明，该说明有利于促进标准化工作
• 分层的缺点：有些功能会在不同层次种重复出现，会造成额外的开销。
• 网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义(不涉及如何实现)。
  • 把计算机网络体系结构分为多层，每层通过制定标准、定义功能，最后由厂商进行实现。
  • 体系结构是抽象的，实现是具体的，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七层协议体系结构概念清楚，理论较完整，但复杂不实用

• TCP/IP四层体系结构包含应用层、运输层、网际层、链路层

  • 网际层用于解决不同网络的互连问题
  • 链路层也称为网络接口层或子网层

• 五层体系结构综合了OSI与TCP/IP的优点，用于理论原理的讲诉

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• 应用层：

  • 应用层的任务是通过应用进程之间的交互来完成特定网络应用
  • 应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则
    • 进程，主机中正在运行的程序
  • 应用层交互的数据单元为报文
  • 应用层为用户提供服务

• 运输层

  • 运输层的任务是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
    • 两台主机怎么找到双方的进程
  • 运输层有复用和分用的功能
  • 运输层主要使用的协议
    • 传输控制协议TCP
      • 提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段
    • 用户数据报协议UDP
      • 提供无连接的尽最大努力的数据传输服务，其数据传输的单位为用户数据报

• 网络层

  • 实现双方主机怎么找到对方
  • 网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务
  • 由于网络层使用IP协议，因此分组也叫IP数据报，简称为数据报
  • 网络层的任务
    • 通过一定的算法，在互联网中的每一个路由器上生成一个用来转发分组的转发表
    • 每一个路由器在接收到一个分组时，依据转发表中指明的路径把分组转发到下一个路由
  • 互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和许多路由选择协议，所以互联网的网络层也叫网际层或IP层

• 数据链路层

  • 数据链路层简称为链路层
  • 实现两个相邻节点的通信
  • 在两个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧
  • 数据链路层不仅要检错还要纠错，保证传输的比特不出错

• 物理层

  • 在物理层上传送数据的单位是比特
  • 实现比特的传输，规定链路的规格
    • 如，连接电缆的插头引脚的个数
  • 物理传输媒体不属于物理层，而在物理层协议的下面，所以物理传输媒体常被当成第0层

• 

• 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

• 在数据的传输过程中，每个层次都是认为自己在与同等层次之间进行通信，每个层次只能感受到同等层次

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。
  • 在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。
• 协议
  • 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，使得本层能够向上一层提供服务。
    • 协议的实现保证了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。
  • 使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。
    • 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通信的规则。但服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
  • 只有那些能够被高一层实体“看得见”的功能才能称之为“服务”。上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。
  • 设计计算机网络的协议必须考虑到所有可能发生的异常情况，保证协议能够在正常情况下正确运行，也能在异常情况下正确运行
• 在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方，通常称为服务访问点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，即下层向上层提供的服务接口
  • 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)
• 每一层都认为自己在通过协议与对等层之间进行通信，下层为上层提供服务，上层不关心下层的具体实现
• 在服务提供者的上一层的实体又称为“服务用户”
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1.7.5 TCP/IP的体系结构

• TCP/IP体系结构较为简单，只有四层
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  • 路由器在存储转发分组时最高只使用到网际层
    • 由于路由器只需要能够实现通过IP地址找到下一个转发的节点即可，IP协议是网际层的协议，所以路由器最高只需要使用到网际层
• 现在的互联网TCP/IP体系结构中，某些应用程序可以直接使用IP层或直接使用最下面的链路层
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• TCP/IP协议族
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  • IP层可以支持多种运输层协议，同时可以运行在多种类型的网络上，不同的运输层协议可以支持多种应用层协议
  • IP层为网络的核心部分
    • IP层越简单越好，把一切复杂的部分让网络的边缘部分实现