计算机网络-第一章概述

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概述

1.1计算机网络的定义及其特点

网络：是一个统称，泛指把人或物互连在一起而形成的系统。

三大类网络:电信网络、有线电视网络、计算机网络

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（例如，传送数据或视频信号）。

计算机网络的特点：连通性、共享（资源共享）

1.2互联网概述

互联网：特指 Internet，它起源于美国，是由数量极大的各种计算机网络互连起来而形成的一个互连网络。它采用 TCP/IP 协议族作为通信规则，是一个覆盖全球、实现全球范围内连通性和资源共享的计算机网络。

internet：通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。

Internet：互联网或因特网

互联网与互连网

WWW：万维网(World Wide Web)

互联网基础结构发展的三个阶段：

1. 从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程
 2. 建成了三级结构的互联网
 3. 逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网

基于 ISP 的多层结构的互联网的概念示意图

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。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）。

边缘部分

端系统之间的两种通信方式：

客户-服务器方式Client/Server 方式，简称为 C/S 方式。，双向。
对等方式（Peer-to-Peer 方式，简称为 P2P 方式。每一个主机既是客户又是服务器。可支持大量对等用户（如上百万个）同时工作。

核心部分

路由器：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。

分组转发是网络核心部分最重要的功能。

互联网的核心部分采用了分组交换技术

典型交换技术包括：

电路交换
分组交换
报文交换

电路交换特点

面向连接
计算机数据具有突发性。导致在传送计算机数据时，通信线路的利用率很低（用来传送数据的时间往往不到 10% 甚至不到 1% ）。
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相通电话；
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）。

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。每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部都含有地址（诸如目的地址和源地址）等控制信息
分组交换网以“分组”作为数据传输单元。根据收到的分组首部中的地址信息，依次把各分组发送到接收端.每个分组在互联网中独立地选择传输路径
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

路由器：

把收到的分组先放入缓存（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。

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，对通信链路是逐段占用。
灵活：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，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，使网络有很好的生存性。

分组交换带来的问题：

分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

选择交换方式:

连续、大量的数据，且其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。

1.4 计算机网络在我国的发展

1980 年，铁道部开始进行计算机联网实验。
1989 年 11 月，我国第一个公用分组交换网 CNPAC 建成运行。
1994 年 4 月 20 日，我国用 64 kbit/s 专线正式连入互联网，我国被国际上正式承认为接入互联网的国家。
1994 年 5 月，中国科学院高能物理研究所设立了我国的第一个万维网服务器。中国教育和科研计算机网,是我国第一个 IPv4 互联网主干网。
1994 年 9 月，中国公用计算机互联网 CHINANET 正式启动。

1.5 计算机网络的类别

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（例如，传送数据或视频信号）。(请注意，上述的“可编程的硬件”表明这种硬件一定包含有中央处理机 (CPU)。)

1. 按照网络的作用范围进行分类

广域网 WAN (Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里。
城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：作用距离约为 5~50 公里。
局域网 LAN (Local Area Network) ：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。
个人区域网 PAN (Personal Area Network) ：范围很小，大约在 10 米左右。

tips:若中央处理机之间的距离非常近（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。

2. 按照网络的使用者进行分类

公用网 (public network) ：按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。
专用网 (private network) ：为特殊业务工作的需要而建造的网络。

3. 用来把用户接入到互联网的网络

接入网 AN (Access Network)，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（也称为边缘路由器）之间的一种网络。
从覆盖的范围看，很多接入网还是属于局域网。
从作用上看，接入网只是起到让用户能够与互联网连接的“桥梁”作用

1.6计算机网络的性能

1. 速率

比特（bit）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。
速率的单位是 bit/s，或 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. 带宽

两种不同意义：

“带宽”(bandwidth) 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）。
带宽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”。

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现实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）的一端传送到另一端所需的时间。
网络中的时延由以下几个不同的部分组成：
- 发送时延（传输时延）：数据帧从结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，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
- 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。
- 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。
- 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
四种时延所产生的地方

5. 时延带宽积

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。
时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

6. 往返时间

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。

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（有数据通过）。
网络利用率：则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，该信道引起的时延也就迅速增加。
时延与网络利用率的关系
- 若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0 之间的关系：

1.7计算机网络的体系结构

网络协议 (network protocol)，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。
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：事件实现顺序的详细说明。
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，在接收端再进行分用。
- 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。
具有五层协议的体系结构：

PDU协议数据单元： OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的 PDU。
对等层通信：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
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规定
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。
服务访问点 SAP :同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，
- 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。
服务数据单元 SDU：OSI把层与层之间交换的数据的单位称为。
- 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
TCP/IP 的体系结构