计算机网络第一章学习笔记

第1章  概述 

一、计算机网络的定义

1. 计算机网络的精确定义并未统一。

2. 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定目的（例如，传送数据或视频信号）。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. 通常说的三网融合指的是电信网络、有线电视网络、计算机网络。

        三网融合内涵：

        ——计算机网络不仅能否传送数据，还提供打电话、听音乐、观看视频节目。

   ——电信网络和有限电视也能够连接到计算机网络上。

4. 计算机网络：通过通信设备和线路把地理上分散的终端或计算机系统连接起来，以达到数据通信和资源共享为目的的复合系统。

5. 网络由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成

        结点？计算机、集线器、交换机、路由器

二、计算机网络的特点

1. 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。

1. 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，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。

三、互联网概述

1. 互联网定义：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。

2. internet和Internet的区别

互联网（Internet）	互连网（internet）
相似之处
网络的网络	网络的网络
不同之处
特指遵循TCP/IP标准，利用路由器将各种计算机网络互连起来而形成的、一个覆盖全球的、特定的互连网。且其前身是美国的ARPANET。	泛指由多个计算机网络互连而成的网络
使用TCP/IP	除TCP/IP外，还可以使用其他协议
是一个专用名词	是一个通用名词

• 任意把几个计算机网络互连起来（不管采用什么协议），并能够相互通信，这样构成的是一个互连网（internet），而不是互联网（Internet）。

1. 互联网基础结构发展的三个阶段

1. 第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。

2. 第二阶段：建成了三级结构的互联网。

3. 第三阶段：逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。

1. 计算机网络的组成

• 从计算机网络的工作方式上看，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。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（end system）。

• 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）。

• 从计算机网络的内容上看

• 硬件：主机（端设备）、通信链路（双绞线、光纤等）、交换设备（路由器、交换机等）、通信处理机（网卡等） 

• 软件：实现资源共享的软件，如网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等 

• 协议：规定了网络传输数据所遵循的规范

• 从计算机网络的功能上看

• 通信子网：由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，实现网络之间的数据通信（应对下三层）

• 资源子网：实现资源共享的设备及其软件的集合

1. 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。

• 对等方式（P2P方式）：即Peer-to-Peer方式，简称为P2P方式。

四、因特网的核心部分

 

1. 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）。

2. 在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。

   路由器——实现分组交换(packet switching)的关键构件。其任务——转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

3. 典型交换技术包括：

1. 电路交换

2. 分组交换

3. 报文交换

1. 电路交换

• “交换”的含义

• “交换”（switching）的含义是转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。

• 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源

• 电路交换特点

• 电路交换必定是面向连接的。

• 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）。

• 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

• 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%甚至不到1%）。

1. 分组交换

• 什么是报文？要发送的整块数据

• 分组交换的特点

• 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。

• 分组交换的传输单元：

  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）。

  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。

• 用这样的存储转发的方式，最后分组就能到达最终目的地。

• 路由器

• 在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。

• 路由器处理分组先放入缓存（暂时存储）；

• 查找转发表，找出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

优点	所采用的手段
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，是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。

1. 三大交换的比较

• 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，则电路交换的传输效率较快。

• 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。

五、计算机网络在我国的发展

到目前为止，我国陆续建造了基于互联网技术的并能够和互联网互连的多个全国范围的公用计算机网络，其中规模最大的就是下面这五个：

1. 中国电信互联网CHINANET（也就是原来的中国公用计算机互联网）

2. 中国联通互联网UNINET

3. 中国移动互联网CMNET

4. 中国教育和科研计算机网CERNET

5. 中国科学技术网CSTNET

六、计算机网络的类别

1. 分类

• 按拓扑结构来分

1. 星形网络

2. 总线型网络

3. 环形网络

4. 网状形网络

• 传输技术

1. 广播式网络（局域网一般都是，广域网的无线、卫星通信网络）

2. 点对点网络（广域网一般都是）

• 交换技术

1. 电路交换网络

2. 报文交换网络

3. 分组交换网络

• 传输介质

1. 有线网络：双绞线网络、同轴电缆网络等

2. 无线网络：蓝牙、微波、无线电等类型。

1. 计算机网络有多种类型。典型包括：

• 按照网络的作用范围进行分类

• 按照网络的使用者进行分类

• 用来把用户接入到互联网的网络

1. 按照网络的作用范围进行分类

1. 广域网WAN(Wide Area Network):作用范围通常为几十到几千公里。

2. 城域网MAN(Metropolitan Area Network):作用范围约为5~50公里。

3. 局域网LAN(Local Area Network):局限在较小的范围（如1公里左右）。

4. 个人局域网PAN(Personal Area Network):范围很小，大约在10米左右。

• 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。

1. 按照网络的使用者进行分类

1. 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。

2. 专用网（private network）

   为特殊业务工作的需要而建造的网络。

• 公用网和专用网都可以提供多种服务。如传送的是计算机数据，则分别是公用计算机网络和专用计算机网络。

1. 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者居民接入网。

• 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。

七、计算机网络的性能指标与非性能指标

1. 性能指标

   计算机网络的性能一般是指它的几个重要的虚拟特征，主要包括：

1. 速率 2.带宽 3.吞吐率 4.时延 5.时延带宽积 6.往返时间RTT 7.利用率

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。

• 比特（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.

• 速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也成为数据率（data rate）或比特率（bit rate）。

• 速率的单位是bit/s，或kbit/s，Mbit/s，Gbit/s等。例如4×10¹⁰bit/s的数据率就记为40Gbit/s。

1kb/s=10³ b/s      1Mb=10⁶ b/s

1Gb/s=10⁹ b/s     1Tb= 10¹² b/s

• 速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

   表示数据大小用B（byte,字节），  一个字节(B, byte)中包含8个位(b, bit)。

1KB=2¹⁰B   

 1MB=2¹⁰ KB=2²⁰B

 1GB=2¹⁰ MB=2³⁰B

• 常用单位

  1）通信领域，更常用的速率或带宽单位是：

千比每秒，即 kb/s （10³ b/s）表示的是1000而不是  1024

兆比每秒，即 Mb/s（10⁶ b/s）表示的是1000 000

吉比每秒，即 Gb/s（10⁹ b/s）

太比每秒，即 Tb/s（10¹² b/s）

2）请注意：在计算机界，比如文件的大小：

             KB = 2¹⁰ = 1024 Byte

             MB= 2²⁰ = 1048 576 Byte

             GB= 2³⁰ = 1073 741 824 Byte

             TB= 2⁴⁰ Byte

 

 

 

1. 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）。

• 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。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”。

• 在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一天通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

• 数组信号流随时间的变化：在时间轴上信号的宽度随带宽的增多而变窄。

1. 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。

1. 时延

• 时延（delay或latency）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。

• 有时也称为延迟或迟延。

• 网络中的时延由以下几个不同的部分组成：

1. 发送时延

• 也称为传输时延。

• 发送数据时，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。

• 发送时延=数据帧长度（bit）/ 发送速率（bit/s）

1. 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。

• 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）

1. 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。

1. 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。

• 容易产生的错误概念

• 对于高速网络链路，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。

• 提高链路带宽减少了数据的发送时延。

• 以下说法是错误的：“在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送的更快些”。

1. 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

2. 往返时间

• 互联网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互的。因此，有时很需要知道双向交互一次所需的时间。

• 往返时间RTT（round-trip time）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。

• 当使用卫星通信时，往返时间RTT相对较长，是很重要的一个性能指标。

1. 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）。

• 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。

• 时延与网络利用率的共享

• 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 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：D=D₀ / (1-U)

      其中：U是网络的利用率，数值在0到1之间。

1. 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

八、计算机网络的体系结构

1. 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。

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。

1. 分层

   每一层解决一类问题！

   “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。

2. 协议

• 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。

• 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。

1. 计算机网络体系结构：(a) OSI 的七层协议；(b) TCP/IP 的四层协议；(c) 五层协议

• 五层协议的体系结构

• 应用层 (application layer)：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用

• 运输层 (transport layer)：负责两台主机进程之间的通信，TCP可靠传输和UDP不可靠传输

• 网络层 (network layer)：将运输层的报文段封装成IP分组并选择合适的路由进行传送

• 数据链路层 (data link layer)：封装成帧，透明传输，差错校验

• 物理层 (physical layer) ：透明传输比特流

1. 实体、协议、服务、接口和服务访问点

• 实体 (entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

• 协议：规则的集合，为网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。是控制对等实体进行通信的规则的集合（水平）

• 服务：下层为紧邻的上层提供的功能调用。对等实体在协议的控制下使得本层能为上一层提供服务。（垂直）

• 接口：相邻两层间交换信息的连接点。相邻两层实体一般通过服务访问点（SAP）进行交互，SAP是个抽象的概念，是个逻辑接口

• 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。

九、本章的重要概念

1. 计算机网络（可简称为网络 ）把许多计算机连接在一起， 而互连网则把许多网络连连接在一起，是网络的网络。

2. 以小写字母i开始的internet (互连网）是通用名词， 它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。 在这些网络之间的通信协议（即通信规则）可以是任意的。

3. 以大写字母I开始的Internet C互联网）是专用名词， 它指当前全球最大的、 开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网， 并采用 TCP/IP 协议族作为通信规则， 且其前身是美国的 ARPANET。 Internet 的推荐译名是 “ 因特网 ”， 但很少被使用。

4. 互联网现在采用存储转发的分组交换技术， 以及三层 ISP 结构。

5. 互联网按工作方式可划分为边缘部分与核心部分。 主机在网络的边缘部分， 其作用是进行信息处理。 路由器在网络的核心部分， 其作用是按存储转发方式进行分组交换。

6. 计算机通信是计算机中的进程（即运行着的程序）之间的通信。 计算机网络采用的通信方式是客户－服务器方式和对等连接方式 (P2P 方式）。

7. 客户和服务器都是指通信中所涉及的应用进程。 客户是服务请求方， 服务器是服务提供方。

8. 按作用范围的不同， 计算机网络分为广域网 WAN、 城域网 MAN、 局域网 LAN 和个人区域网 PAN。

9. 计算机网络最常用的性能指标是：速率、 带宽、吞吐量、时延（发送时延、 传播时延、 处理时延、排队时延）、时延带宽积、往返时间和信道（或网络）利用率。

10. 网络协议即协议， 是为进行网络中的数据交换而建立的规则。 计算机网络的各层及其协议的集合， 称为网络的体系结构。

11. 五层协议的体系结构由应用层、 运输层、 网络层（或网际层）、 数据链路层和物理层组成。 运输层最重要的协议是 TCP 和 UDP 协议， 而网络层最重要的协议是 IP协议。