一、计算机网络之概述

一.互联网概述

1.1.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)
  • 由若干节点（node）和链接这些节点的链路（link）组成。
• 互连网（internetwork）
  • 可以通过路由器把网络互连起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络，称为互连网。因此互连网是网络的网络

1.2.互联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
• 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（或园区网、企业网）
• 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（Internet Service Provider）
  • 任何机构和个人只要向某个ISP提价规定的费用，就可以从该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有用的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

1.3.互联网的标准化工作

• 互联网的标准化工作对互联网的发展起到了非常重要的作用。
• 互联网协会ISOC
  • 互联网体系结构研究委员会IAB
    • 互联网研究部IRTF
    • 互联网工程部IETE

二.互联网的组成

从互联网的工作方式上看，可以分为两大块：

• 边缘部分（资源子网）：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）和资料共享
• 核心部分（通信子网）：由大量网络和链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）。

2.1.互联网的边缘部分

• 端系统：处在互联网边缘的部分就是连额吉在互联网上的所有的主机。这些主机又称为端系统（end System）
• 计算机之间通信：即主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信
• 端系统之间通信方式：两类
  • 客户-服务器方式（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
    • 服务器软件的提点
      • 一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远程或本地客户的请求。
      • 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。
      • 一般需要更强大的硬件和高级的操作系统支持
  • 对等方式（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），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

2.2.互联网的核心部分

• 网络核心部分是互联网中最复杂的部分。
• 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（即传送或接受各种形式的数据）。
• 在网络核心部分起特殊作用的是路由器（router）
• 数据交换
  • 类型
    • 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，以保证商法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）
      • 电路交换缺点
        • 计算机数据具有突发性。
        • 这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1%）。
    • 分组交换
      • 分组交换采用分组存储转发技术。
        • 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上首部构成分组（packet）
        • 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
        • 分组首部的重要性
          • 每一个分组的首部都含有地址等控制信息。
          • 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
          • 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地
        • 接收端收到分组后剥去首部还原成报文
      • 分组交换的优点
        • 高效：动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
        • 灵活：以分组为传送单位和查找路由
        • 迅速：不必先建立连接救恩能够向其他主机发送分组
        • 可靠：保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性
      • 分组交换的问题
        • 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也造成了一定的开销
    • 报文交换
      • 这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。

三、计算机网络的类别

3.1.计算机网络的定义

• 计算机网络：
  • 精确定义：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。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

3.2.几种不同类别的网络

• 计算机网络有多重类别，典型包括
  • 1.从网路的作用范围进行划分
  • 2.从网络的使用者进行分类
  • 3.用来把网络接入到互联网的网络
• 从网络的作用范围进行分类
  • 广域网WAN：作用范围为几十到几千公里
  • 城域网MAN：作用范围约为5-50公里
  • 局域网LAN：作用在较小的范围（如1公里左右）
  • 个人区域网PAN：范围很小，大约在10米左右
• 从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
• 用来把网络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
  • 接入网是从某个端系统到另一个端系统的路径中，由这个端系统到第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一些物理链路所组成的。
  • 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联连接的桥梁作用

四、计算机网路的性能

4.1.计算机网络的性能指标

• 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
  • 速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。
• 带宽
  • 带宽(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）
  • 现在带宽是数字信道所能传送的最高数据率的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s(bit/s).
  • 常用的带宽单位是
    • 千比每秒，即Kb/s(10^3b/s)
    • 兆比每秒，即Mb/s(10^6b/s)
    • 吉比每秒，即Mb/s(10^9b/s)
    • 太比每秒，即Mb/s(10^12b/s)
  • 请注意：在计算机界，K=2^10=1024
    M=2^20,G=230,T=2^40
    )
• 吞吐率
  • **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两能够通过网络
  • 吞吐量收网络的带宽或网络的额定速率的限制。
• 时延（delay或latency）
  • 时延（delay或latency）是指数据（一个报文、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。有时也成为延迟或迟延
  • 网络中的时延由一下几个不同的部分组成：
    • （1）发送时延
      • 也称传输时延。
      • 发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒介所需要的时间。
      • 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=数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)
    • （2）传播时延
      • 电磁波在信道中需要套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。
      • 传播时延=信道长度（米）/信号在信道上的传播速率（米/秒）
    • （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）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。
  • 数据在网络中所经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和
  • 对于告诉网络链路，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
  • 提高链路带宽减小了数据的发送时延。
• 时延带宽积
  • 时延带宽积 = 传播时延X带宽
  • 链路的实验带宽积又称为以比特为单位的链路长度
• 往返时间RTT
  • 往返时间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。
  • 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。
• 利用率
  • 分为系电脑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。
  • 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main的简单公式表示D和D0之间的关系：
  • **D=D0/(1-U)
  • 其中：U是网络的利用率，数值在0到1之间

4.2.计算机网络的非性能特征

• 计算机网络的非性能特征主要包括
  • 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

五、计算机网络的体系结构

5.1.计算机网络体系结构的形成

• 计算机网络是个非常复杂的系统。相互通信的两台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。
• 开放系统互连参考模型OSI/RM
  • 应用层
  • 表示层
  • 会话层
  • 运输层
  • 网络层
  • 数据链路层
  • 物理层
• TCP/IP
  • 应用层
  • 运输层
  • 网际层
  • 网络接口层

5.2.协议与划分层次

• 计算机网络中的数据交换必须遵守事件约定的规则。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（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:事件实现顺序的详细说明。
• 分层的好处与缺点
• 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
• 缺点
  • 降低效率
  • 有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生了额外开销
• 各层完成的主要功能
  • 1.差错控制：使相应层次对等放的通信更加可靠
  • 2.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
  • 3.分组和重装：发送段将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原
  • 4.复用和分用：发送端几个高层会话服用一条低层的连接，在接收端再进行分用
  • 5.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

5.3.具有五层协议的体系结构

• 应用层
• 运输层
• 网络层
• 数据链路层
• 物理层

5.4.实体、协议、服务和服务访问点

• 实体（entity）表示任何可发送后和接受信息的硬件或然间进程
• 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合
• 协议与服务的区别
  • 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。
• 服务访问点SAP（Service Access Point）:同意系统相邻两层的实体进行交互的地方

最后

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