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一、计算机网络在信息时代的作用
21世纪是以网络为核心的信息时代，它具有数字化、网络化、信息化的重要特征
网络成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础
- 互连网：在局部范围相互连接的计算机网络（internet）
- 互联网：当今世界最大的计算机网络（Internet）
二、互联网概述
2.1网络的网络
2.1.1基本概念
- 互联网：特指 Internet
- 计算机网络（简称网络）：由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成
- 互连网：可以通过路由器把网络互连起来，构成一个范围更大的计算机网络，即"网络的网络"
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当使用一朵"云"表示网络时，可能有两种不同的情况
- 云表示的网络已经包含了和网络相连的计算机
- 云表示的网络中只有许多路由器和连接这些路由器的链路，把计算机画在云外面
2.1.2重要概念
- 网络把许多计算机连接在一起
- 互联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称为主机
2.2互联网的标准化工作
所有互联网标准都以RFC形式在互联网上发表
2.2.1成为互联网标准经历的三个阶段
- 互联网草案——有效期6个月，不是RFC文档
- 建议标准——成为文档
- 互联网标准——成为正式标准后，每个标准分配一个编号STDXXXX。一个标准可以和多个RFC文档关联
2.2.2各种RFC之间的关系
除建议标准和互联网标准两种RFC文档，还有三种RFC文档，即历史的，实验的，提供信息的RFC文档
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三、互联网的组成
从工作方式看可划分为两块
- 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，用于通信和资源共享
- 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供的（提供连通性和交换）
3.1互联网的边缘部分
互联网的边缘部分即连接在互联网上的所有主机，又称端系统
端系统在功能上可能有很大的区别
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上的另一个程序进行通信，即主机A的某个进程和主机B的另一个进程进行通信，简称"计算机之间的通信"
端系统之间的通信方式
1、客户—服务器方式
- 客户和服务器都是指通信中设计的两个应用进程
- 客户—服务器方式描述的是进程之间服务和被服务的关系
- 客户是服务请求方，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提供的服务
客户软件的特点
- 被用户调用后运行，再打算通信时主动向远地服务器发起通信。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，客户程序不必知道服务器程序的地址
- 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，客户和服务器都可以发送数据
2、对等连接方式
- 对等连接是指两个主机在通信时并不区分哪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，他们就能对等连接通信
- 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档
特点：
本质上看仍是使用客户—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请求主机D的服务时，C是客户，D是服务器；若C同时向主机F提供服务，则C也起着服务器的作用
对等连接方式可支持大量对等用户同时工作
3.2互联网的核心部分
互联网的核心部分由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，是互联网中最复杂的部分
核心部分中的路由器之间一般都用高速链路连接，边缘部分的主机通常以相对较低速率的链路连接
1、路由器
输入和输出端口之间没有直接连线
用于转发分组，即进行分组交换
处理分组的过程：
- 把收到的分组先收入缓存（暂时存储）
- 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发
- 把分组送到适当的端口转发出去
路由器是实现分组交换的关键构件，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
2、主机与路由器
主机为用户进行信息处理，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
四、分组交换
4.1具体实现
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
- 每个数据段前面添加首部构成分组，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
- 每个分组的首部含有地址（例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，到达最终目的地
- 接收端收到分组后剥去首部还原成报文
4.2优点
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4.3不足
分组在各节点存储转发时需要排队，造成一定时延
分组必须携带的首部（含必不可少的控制信息）造成一定的开销
附：电路交换，报文交换，分组交换比较
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五、计算机网络的类别
按网络的作用范围分
广域网WAN，城域网MAN，局域网LAN，个人区域网PAN
若中央处理机之间的距离非常近，例如1米甚至更小，一般称为多处理机系统
按网络使用者分
公用网，专用网
把用户接入互联网的网络接入网
本身不属于互联网的核心、边缘部分
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
- 从覆盖范围看，多属于局域网
- 从作用看，只是让用户能够与互联网进行连接
六、性能指标
6.1速率
比特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
最重要的性能指标，指数据的传送速率，也称数据率或比特率
单位：bit/s，kbit/s，Mbit/s，Gbit/s。4*10^10bit/s记为40Gbit/s
速率往往指额定速率或标称速率，不是实际运行速率
6.2带宽
定义：网络中某信道传输数据的能力，即单位时间内网络中某信道所能通过的最高数据率（bit/s）
在时间轴上，信号的宽度随带宽的增大而变窄
6.3吞吐量
定义：单位时间内通过某个网络（或信道，接口）的数据量
受网络的带宽或网络的额定速率的限制
6.4时延
定义：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时间，也称延迟或迟延
由以下几个部分组成
6.4.1发送时延
也称传输时延
定义：发送数据时，数据帧从结点进入传输媒体所需时间，即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（bit）/ 发送速率（bit/s）
6.4.2传播时延
定义：电磁波在信道中传播一定距离花费的时间
与传播时延有本质的不同
信号的发送速率和信号在信道的传播速率完全不同
传播时延 = 信道长度（m）/ 信号在信道的传播速率（m/s）
6.4.3处理时延
定义：主机或路由器在收到分组时，处理分组（例如分析首部，提取数据，差错检验）花费的时间
6.4.4排队时延
定义：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
往往取决于网络当时的通信量
附：四种时延产生的地方
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容易产生的错误概念
- 对于高速网络链路，仅能提高数据的发送速率而不是比特在链路的传送速率
- 提高链路带宽减小了数据的发送时延
不能说：在高速链路（或高宽带链路）上比特会传送的更快
6.5时延带宽积
也称以比特为单位的链路长度
时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
6.6往返时间RTT
定义：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
6.7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）
网络利用率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，该信道引起的时延迅速增加
D0：网络空闲时的时延 D ：网络当前时延 U：网络利用率
则有 D = D0 / (1 - U)
七、计算机网络的体系结构
7.1协议与划分层次
网络协议简称协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则从、标准或约定
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相应
- 同步：时间实现顺序的详细说明
协议的两种形式：便于人阅读和理解的文字描述，能让计算机理解的程序代码
7.2计算机网络的体系结构
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
实现是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题
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
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 。
从上到下：应用层，运输层，网络层，数据链路层，物理层
7.4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
7.4.1协议和服务的概念区别
- 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
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
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
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
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7.5TCP/IP 的体系结构
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by 云烟成雨yycy