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计算机网络概述

一、计算机网络在信息时代中的作用

21世纪的重要特征：数字化、网络化、信息化，是一个以网络为核心的时代。

1、网络现在已经成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。

2、网络的基本分类

• 电信网络：提供电话、电报及传真等服务
• 有线电视网络：向用户传送各种电视节目
• 计算机网络：使用户能在计算机之间传送数据

3、随着技术的发展，网络技术相互融合，“三网融合”

4、Internet的发展

• 自从20世纪90年代以后，以 Internet 为代表的计算机网络得到了飞速的发展。
• 已从最初的教育科研网络（免费）逐步发展成为商业网络（有偿使用）。
• 已成为全球最大的和最重要的计算机网络。
• 是人类自印刷术发明以来人类在存储和交换信息领域中的最大变革。

Internet的中文译名并不统一，现有的Internet译名有两种:

因特网，这个译名是全国科学技术名词审定委员会推荐的，但却长期未得到推广;
互联网，这是目前流行最广的、事实上的标准译名。现在我国的各种报刊杂志、政府文件以焖及电视节目中都毫无例外地使用这个译名。

二、互联网概述

2.1 互连网概念

1、互联网是由数量极大的各种计算机网络互连起来的，对于仅在局部范围内互连起来的计算机网络，只能称之为互连网

2、互连网的应用

• 互联网上网玩游戏
  互联网上购买各种物品
  看网上视频
  在互联网上购买机票或和朋友在微信上聊天
  在互联网上预订酒店、火车票
  在互联网上搜索和查阅各种信息
  利用互联网进行转账或利用互联网的电子邮件
  买卖股票等交易
  相互通信（包括传送各种照片和视频文件)工作原理与特点

3、互联网的工作特点和原理

连通性(connectivity)

• 使上网用户之间都可以交换信息（数据，以及各种音频视频)，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。
  注意,互联网具有虚拟的特点，无法准确知道对方是谁,也无法知道对方的位置。

共享(Sharing)

• 指资源共享。资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样,方便使用。

4、互连网+

• 指“互联网＋各个传统行业”。
• 利用信息通信技术以及互联网平台，让互联网与传统行业进行深度融合,创造新的发展生态。
• 特点：把互联网的创新成果深度融合于经济社会各领域之中,从而大大地提升了实体经济的创新力和生产力。

2.2 网络的网络

互联网(Internet)

特指Internet，起源于美国，现已发展成为世界上最大的、覆盖全球的计算机网络。

计算机网络(简称为网络)

由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。

互连网(internetwork或internet)

可以通过路由器把网络互连起来,这就构成了一榜个覆盖范围更大的计算机网络，称之为互连网。

“网络的网络”(network of networks)。

• 网络之间通过路由器互连起来，构成一个覆盖范围更大的计算机网络，称为互连网 — “网络的网络”
• 网络将计算机相连，路由器将网络相连接，与网络相连的计算机称为主机。

2.3 互连网基础结构发展的三个阶段

第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。

• 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通信。
• 人们把1983年作为互联网的诞生时间。
• 1990年，ARPANET正式宣布关闭。

第二阶段：建成了三级结构的互联网。

• 它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网

第三阶段:逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。

• 出现了互联网服务提供者ISP(InternetService Provider)。
• 任何机构和个人只要向某个ISP交纳规定的费用，就可从该ISP获取所需IP地址的使用权，并可通过该ISP接入到互联网。
• 根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同,ISP也分成为不同层次的ISP:主干ISP、地区ISP 和本地ISP。

2.4 互连网的标准化工作

所有互连网标准都以RFC的的形式在互联网上发表。

制定互连网的正式标准三个阶段：

• 互联网草案(Internet Draft) -—有效期只有六个月。在这个阶段还不是RFC（Request for Comments）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。

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: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）。

3.1 互联网的边缘部分

1、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，这些主机又称为端系统(endsystem)。

2、端系统在功能上可能有很大的差别

• 小的端系统可以是一台普通个人电脑,具有上福网功能的智能手机，甚至是一个很小的网络摄像头。
• 大的端系统则可以是一台非常昂贵的大型计算机。
• 端系统的拥有者可以是个人，也可以是单位通(加些校、企业、政府机关等），当然也可以是某个ISP。

3、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上的另一个进程进行通信”，简称为“计算机之旧通信“。

4、端系统之间的两种通信方式

客户 - 服务器方式（C/S方式) 即Client/Server方式，简称为C/S方式

• 客户(client)和服务器(server)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。

客户软件的特点

• 被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信(请求服务）。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很复杂的操作系统。

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,服务器程序不需要知道客户程序的地址。

• 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，客户和服务器都可发送和接收数据

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对等方式（P2P方式) 即Peer-to-Peer方式，简称为P2P方式

• ==对等连接(peer-to-peer，简写为P2P)==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)，它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。
• 例如主机C请求D的服务时，C是客户,D是服务器。但如果C又同时向F提供服务，那么C又同时起着服务器的作用。
• 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

3.2.1 基础概念

1、网络核心部分是互联网中最复杂的部分。

2、网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性,使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。

3、在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。

4、路由器是实现分组交换(packet switching)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。

3.2.2 电路交换

电路交换必定是面向连接的。电路交换分为三个阶段:

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;

通信：主叫和被叫双方就能互相通电话;

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)。

电路交换优点

1. 通信时延小;
2. 实时性强
3. 有序传输;

电路交换缺点

1. 计算机数据具有突发性
2. 通信线路的利用率很低

3.2.3 报文交换

报文交换基于存储转发原理
在报文交换中心，以每份报文为单位，根据报文的目的站地址，在进行相应的转发。

3.2.4 分组交换

分组交换采用存储转发技术

• 报文（ message)：要发送的整块数据
• 分组或包（package）：将报文划分成的等长的数据段，每个数据段前加上必要的控制信息组成的首部 header
  分组的首部也称为包头。

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:

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（假定接收端在左边):

接收端收到分组后剥去首部还原成报文。

分组首部的重要性：

每一个分组的首部都含有地址(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。用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。

互联网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在互联网的边缘部分。

互联网核心部分中的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。

主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。

路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。

3.2.5 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:

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

分组交换的缺点

• 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。

3.2.6 三种交换的比较

• 若要连续传送大量的数据，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。

四、计算机网络的类别

4.1 计算机网络的定义

关于计算机网络最简单的定义是指一些相互连接的、以共享资源为目的的、自治的计算机集合。

1、计算机网络是指将不同地理位置的具有独立功能的多台计算机及相关设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统、应用软件和网络协议的支持下,实现资源共享和数据通信的计算机系统。

2、对计算机网络的理解:

(1）不同地理位置,范围:几十米,几百米,几千米，几百千米，…。

(2) 具有独立功能的计算机系统（硬件、软件、应用程序）。

(3）通信线路连接:有线方式、无线方式。

(4）协议的控制。协议:通信双方所必须遵守的规则和约定。

(5）以实现资源共享和数据通信为目的。

4.2 不同类别的网络

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）。

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.按拓扑结构进行分类

• 总线型
• 星型
• 环型
• 网状型

五、计算机网络的性能指标

5.1 计算机网络的性能指标

5.1.1 速率

1、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。
2、Bit来源于binary digit，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。
3、速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是b/s，或kb/s,Mb/s, Gb/s 等

5.1.2 带宽

原义指某个信号具有的频带宽度。

(1）模拟信号

• 带宽――表示允许信号占用的频率范围。单位:HZ、KHZ、MHZ。如:话音的带宽为3.1 KHZ(300 HZ～3.4 KHZ )

(2）数字信号

• 带宽――表示在单位时间内网络中某个信道m所通过的最高数据率，单位是bit/s 、bps

• 在表示带宽时,更常用的带宽单位是

  千比特每秒，即 kb/s ($10^3$ b/s)

  兆比特每秒，即 Mbls ($10^6$ b/s)吉比特每秒，即Gb/s ($10^9$ b/s)太比特每秒，即Tb/s ($10^{12}$ b/s)
  请注意:在计算机上表示数据大小和磁盘容量时,K=$2^{10} $= 1024，M= $2^{20}$, G = $2^{30}$,T = $2^{40}$。
  kB/S 和kbit/s 的区别B字节bit比特1字节=8比特。

5.1.3 吞吐量

吞吐量(throughput)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。

5.1.4 时延

时延：指数据(报文或分组，比特)从网络(或一条链路）的一端传送到另一端所需的时间。
时延有以下几个组成部分:发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。

$$ 总延时 = 发送延时 + 传播延时 + 处理延时 + 排队延时 $$ （1）传播时延：指电磁波在信道中传播一定距离所需的时间 $$ 传播时延 = \frac{信道长度（米）}{电磁波在信道中的传播速率（米/秒）} $$

（2）发送延时

• 发送数据时，数据块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。

$$发送时延=\frac{数据块长度（bit）}{信道带宽（比特/秒或bps）}$$

（3）处理延时

• 交换节点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间

（4）排队延时

• 数据在交换节点等候发送时在缓存队列中排队所经历的时间
• 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。
• 有时可用排队时延作为处理时延。

5.1.5 时延带宽积

• 表示链路能容纳的比特数，又称为以比特为单位的链路长度

$$ 时延带宽积 = 传播时延 \times 带宽 = 链路的体积 $$

5.1.6 往返时延 RTT

• 数据从发送端开始发送，到发送端收到来自接收端的确认信息所经历的时间。
• 往返时延宽带积:在收到确认信息前，已经发送的比特数。

$$RTT=往返传播时延（传播时延\times 2）+末端处理时间$$

• 末端处理时间是指接收方对发送来的数据进行处理的时间

5.1.7 利用率

• 信道利用率指出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为零。

• 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。

• 时延与网络利用率的关系

  根据排队论的理论，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。

  若令$D_0$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$D_0$和$D$​之间的关系:
  $$D=\frac{D_0}{1-U}(U为网络的利用率)$$

5.2 计算机网络的非性能指标

• 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 计算机网络的体系结构的形成

相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

生活中的层次 – 邮政系统模型

划分层次的必要性

1、计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。
2、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)。
3、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。

网络协议的重要组成

• 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。“做什么”
• 语法：数据与控制信息的结构或格式。“怎么做”
• 同步：事件实现顺序的详细说明。

协议的复杂性

• 协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。
• 看一个计算机网络协议是否正确,不能光看在正常情况下是否正确，还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。

分层的好处

• 各层之间是独立的
• 灵活性好
• 结构上可分割开
• 易于实现和维护
• 能促进标准化工作

6.2 计算机网络的体系结构

• 计算机网络的体系结构(architecture)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(implementation)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。

6.2.1 OSI/RM模型

1）应用层

• 为用户的应用程序提供网络通信服务
• 识别目的通信方的可用性;
• 应用程序之间进行同步;
• 判断是否为通信过程申请了足够的资源;

2）表示层

• 数据表示问题:即信息的语法和语义。如:数据加密、解密;压缩、解压缩等

3）会话层

• 建立、管理、中止不同机器上的应用程序间的会话。
• “会话”—一完成一项任务而进行的一系列相关的信息交换。

4）传输层

• 保证多端口多进程通信;
• 端到端可靠传输;
• 流量控制;
• 拥塞控制;

5）网络层

• 路由选择、网络互联

6）数据链路层

• 差错控制
• 封装成帧

7）物理层

• 任务是透明地传送比特流

6.2.2 TCP/IP体系结构

比较：

6.2.3 具有五层协议的体系结构

TCP/IP是四层的体系结构: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。因此往往采取折中的办法，即综合OSl和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。

模拟数据的发送接收

6.2.4 实体、协议、服务

• 实体(entity)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。
• 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。
• 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(Service AccessPoint)。
  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。
  • 传输层的服务访问点是端口
  • 网络层的服务访问点是P地址。

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