[计算机网络]-第一章计算机网络概述

因特网概述

网络与英特网

• 网络：许多个计算机连接在一起

• 互联网：许多个网络连接在一起（internet小写首字母）

• 英特网：全球最大的一个互联网（Internet大写首字母）

英特网发展的三个阶段

1. 第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。
2. 第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。
3. 第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)

万维网（World Wide Web）

WWW是基于客户机/服务器方式的信息发现技术和超文本技术的综合。因特网的迅猛发展始于 20 世纪 90 年代。由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的万维网 WWW (World Wide Web)被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。

英特网的组成

1. 边缘部分： 由所有连接在因特网上的主机组成。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。
2. 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）。

英特网的边缘部分

• 处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(end system)。
• “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”。

在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：

1. 客户服务器方式（C/S 方式），即Client/Server方式
2. 对等方式（P2P 方式），即 Peer-to-Peer方式

客户服务器方式

• 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。

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。

对等连接方式

• 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同时是服务器。
• 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。

英特网的核心部分

1. 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)。
3. 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。

分组交换的主要特点

1. 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。
2. 每一个数据段前面添加上首部构成分组。
3. 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。
4. 依次把各分组发送到接收端
5. 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
6. 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。

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。

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；分布式的路由选择协议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。

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：
  1. 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
  2. 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
  3. 把分组送到适当的端口转发出去。

几种不同类别的网络

不同作用范围的网络：

• 广域网 WAN (Wide Area Network)
• 局域网 LAN (Local Area Network)
• 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)
• 个人区域网 PAN (Personal Area Network)

从网络的使用者进行分类：

• 公用网 (public network)
• 专用网 (private network)

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。
• 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。

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)。
• 常用单位：
  1. 千比每秒，即 kb/s
  2. 兆比每秒，即 Mb/s
  3. 吉比每秒，即 Gb/s
  4. 太比每秒，即 Tb/s

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络。
• 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

时延

传输时延：

• 传输时延（发送时延 ），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。

[传输时延=frac{数据块长度（bit）}{信道带宽（b/s）} ]

传播时延：

• 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。
• 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。

[传播时延 = frac{信道长度（米）}{信号在信道上的传播速率（米/秒）} ]

处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
排队时延：结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

总时延：

[总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+处理时延 ]

四种时延产生的地方：

容易产生错误的概念：

• 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。
• 提高链路带宽减小了数据的发送时延。

时延带宽积

[时延带宽积 = 传播时延 × 带宽 ]

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。

[信道利用率=frac{有数据通过的时间}{（有+无）数据通过的时间} ]

• 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 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（U是网络利用率）：

[D=frac{D_0}{1-U} ]

计算机网络体系结构

计算机网络体系结构的形成

• 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。

两种国际标准：

• 法律上的国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。
• 非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。

划分层次的必要性

• 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。
• 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。

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。

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 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。