計算機網絡

第一章 概述

重要內容：（1）因特網的邊緣部分和核心部分的作用
（2）計算機網絡的一些性能指標
（3）計算機網絡的分層次的體系結構，包括協議和服務

1.1 計算機網絡在信息時代的作用

計算機網絡向用戶提供的功能
（1）連通性：計算機網絡使上網用戶之間都可以交換信息
（2）共享：資源共享（信息、軟件、硬件）電子文檔供用戶自由讀取下載

1.2 因特網概述

1.2.1 網絡的網絡

網絡(network)由若干結點(node)和連接這些結點的鏈路(link)組成。網絡中的結點可以是計算機、集線器、交換機或路由器等

網絡和網絡可以通過路由器互連起來，這樣就構成了一個覆蓋范圍更大的網絡，即互聯網（或互連網），因此互聯網是“網絡的網絡”(network of networks)。

因特網(Internet)是世界上最大的互連網絡（用戶數以億計，互連的網絡數以百萬計）。習慣上，大家把連接在因特網上的計算機都稱為主機(host)。

網絡把許多計算機連接在一起，而因特網則把許多網絡連接在一起。

1.2.2 因特網發展的三個階段

（1）第一階段是從單個網絡ARPANET向互聯網發展的過程。
Internet（因特網）是一個專用名詞，它指當前全球最大的、開放的、由眾多網絡相互連接而成的特定計算機網絡，它采用TCP/IP協議族作為通信的規則，且其前身是美國的ARPANET。

（2）第二階段的特點是建成了三級結構的因特網。
美國國家科學基金會NSF (National Science Foundation)就圍繞六個大型計算機中心建設計算機網絡，即國家科學基金網NSFNET。它是一個三級計算機網絡，分為主干網、地區網和校園網（或企業網）。這種三級計算機網絡覆蓋了全美國主要的大學和研究所，并且成為因特網中的主要組成部分。

（3）第三階段的特點是逐漸形成了多層次 ISP 結構的因特網。
因特網服務提供者ISP (Internet Service Provider)。在許多情況下，因特網服務提供者ISP就是一個進行商業活動的公司，因此ISP又常譯為因特網服務提供商。所謂“上網”就是指“（通過某個ISP獲得的IP地址）接入到因特網”。
主干ISP由幾個專門的公司創建和維持，服務面積最大（一般都能夠覆蓋國家范圍），并且還擁有高速主干網（例如10Gb/s或更高）。有一些地區ISP網絡也可直接與主干ISP相連。
地區ISP是一些較小的ISP。這些地區ISP通過一個或多個主干ISP連接起來。它們位于等級中的第二層，數據率也低一些。
本地ISP給端用戶提供直接的服務。本地ISP可以連接到地區ISP，也可直接連接到主干ISP。絕大多數的端用戶都是連接到本地ISP的。

因特網交換點 IXP (Internet eXchange Point)：因特網交換點IXP的主要作用就是允許兩個網絡直接相連并交換分組，而不需要再通過第三個網絡來轉發分組。例如：兩個地區ISP通過一個IXP連接起來了。這樣，主機A和主機B交換分組時，就不必再經過最上層的主干ISP，而是直接在兩個地區ISP之間用高速鏈路對等地交換分組。這樣就使因特網上的數據流量分布更加合理，同時也減少了分組轉發的遲延時間，降低了分組轉發的費用。

1.2.3因特網的標準化工作

1992年由于因特網不再歸美國政府管轄，因此成立了一個國際性組織叫做因特網協會(Internet Society，簡稱為ISOC)[W-ISOC]，以便對因特網進行全面管理以及在世界范圍內促進其發展和使用。
制定因特網的正式標準要經過以下的四個階段[RFC 2026]：
(1) 因特網草案(Internet Draft) ——在這個階段還不是RFC文檔。
(2) 建議標準(Proposed Standard) ——從這個階段開始就成為RFC文檔。
(3) 草案標準(Draft Standard)。
(4) 因特網標準(Internet Standard)。

1.3 因特網的組成

(1) 邊緣部分 由所有連接在因特網上的主機組成。這部分是用戶直接使用的，用來進行通信（傳送數據、音頻或視頻）和資源共享。
(2) 核心部分 由大量網絡和連接這些網絡的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務的（提供連通性和交換）。

1.3.1因特網的邊緣部分

端系統(end system)：處在因特網邊緣部分的連接在因特網上的所有的主機。

計算機之間通信：主機A的某個進程和主機B上的另一個進程進行通信，系統之間的通信方式通常可劃分為兩大類：客戶-服務器方式（C/S方式）和對等方式（P2P方式）。

客戶-服務器方式
客戶(client)和服務器(server)都是指通信中所涉及的兩個應用進程。客戶-服務器方式所描述的是進程之間服務和被服務的關系。客戶是服務請求方，服務器是服務提供方。服務請求方和服務提供方都要使用網絡核心部分所提供的服務。

對等連接方式
對等連接(peer-to-peer，簡寫為P2P)是指兩個主機在通信時并不區分哪一個是服務請求方還是服務提供方。只要兩個主機都運行了對等連接軟件（P2P軟件），它們就可以進行平等的、對等連接通信。這時，雙方都可以下載對方已經存儲在硬盤中的共享文檔。因此這種工作方式也稱為P2P文件共享。

1.3.2 因特網的核心部分

網絡核心部分是因特網中最復雜的部分，因為網絡中的核心部分要向網絡邊緣中的大量主機提供連通性，使邊緣部分中的任何一臺主機都能夠向其他主機通信。

在網絡核心部分起特殊作用的是路由器（router），它是一種專用計算機（但不是主機）。路由器是實現分組交換（packet switching）的關鍵構件，其任務是轉發收到的分組，這是網絡核心部分最重要的功能。

1.4 計算機網絡在我國的發展

1.5 計算機網絡的類別

按網絡的作用范圍進行分類

(1) 廣域網WAN (Wide Area Network) 廣域網的作用范圍通常為幾十到幾千公里，因而有時也稱為遠程網(long haul network)。廣域網是因特網的核心部分，其任務是通過長距離（例如，跨越不同的國家）運送主機所發送的數據。連接廣域網各結點交換機的鏈路一般都是高速鏈路，具有較大的通信容量。

（2) 城域網MAN (Metropolitan Area Network) 城域網的作用范圍一般是一個城市，可跨越幾個街區甚至整個的城市，其作用距離約為5～50km。城域網可以為一個或幾個單位所擁有，但也可以是一種公用設施，用來將多個局域網進行互連。

(3) 局域網LAN (Local Area Network)局域網一般用微型計算機或工作站通過高速通信線路相連（速率通常在10Mb/s以上），但地理上則局限在較小的范圍（如1km左右）。

(4) 個人區域網 PAN (Personal Area Network)個人區域網就是在個人工作的地方把屬于個人使用的電子設備（如便攜式電腦等）用無線技術連接起來的網絡，因此也常稱為無線個人區域網WPAN (Wireless PAN)，其范圍大約在10 m左右。

按網絡的使用者進行分類
（1) 公用網(public network) 這是指電信公司（國有或私有）出資建造的大型網絡。
（2) 專用網(private network) 這是某個部門、某個行業為各自的特殊業務工作需要而建造的網絡。這種網絡不對外人提供服務。

用來把用戶接入到因特網的網絡
這種網絡就是接入網 AN (Access Network)，它又稱為本地接入網或居民接入網。這是一類比較特殊的計算機網絡。接入網是從某個端系統到另一個端系統的路徑中，由這個端系統到第一個路由器（也稱為邊緣路由器）之間的一些物理鏈路所組成。

1.6 計算機網絡的性能

1.6.1計算機網絡的性能指標

速率
網絡技術中的速率指的是連接在計算機網絡上的主機在數字信道上傳送數據的速率，它也稱為數據率(data rate)或比特率(bit rate)。速率的單位是b/s（比特每秒）(或bit/s，有時也寫為bps，即bit per second)。

帶寬
在計算機網絡中，帶寬用來表示網絡的通信線路傳送數據的能力，因此網絡帶寬表示在單位時間內從網絡中的某一點到另一點所能通過的“最高數據率”。帶寬的單位是“比特每秒”，記為b/s。

吞吐量
吞吐量(throughput)表示在單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量。吞吐量更經常地用于對現實世界中的網絡的一種測量，以便知道實際上到底有多少數據量能夠通過網絡。

時延
時延(delay或latency)是指數據（一個報文或分組，甚至比特）從網絡（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。時延是個很重要的性能指標，它有時也稱為延遲或遲延。
（1）發送時延：發送時延(transmission delay)是主機或路由器發送數據幀所需要的時間，也就是從發送數據幀的第一個比特算起，到該幀的最后一個比特發送完畢所需的時間。因此發送時延也叫做“傳輸時延”。
（2）傳播時延：傳播時延(propagation delay)是電磁波在信道中傳播一定的距離需要花費的時間。
(3) 處理時延：主機或路由器在收到分組時要花費一定的時間進行處理，例如分析分組的首部、從分組中提取數據部分、進行差錯檢驗或查找適當的路由等等，這就產生了處理時延。
(4) 排隊時延：分組在經過網絡傳輸時，要經過許多路由器。但分組在進入路由器后要先在輸入隊列中排隊等待處理。在路由器確定了轉發接口后，還要在輸出隊列中排隊等待轉發。這就產生了排隊時延。排隊時延的長短往往取決于網絡當時的通信量。當網絡的通信量很大時會發生隊列溢出，使分組丟失，這相當于排隊時延為無窮大。
對于高速網絡鏈路，我們提高的僅僅是數據的發送速率而不是比特在鏈路上的傳播速率。提高數據的發送速率只是減小了數據的發送時延

時延帶寬積、
以上討論的網絡性能的兩個度量——傳播時延和帶寬——相乘，就得到另一個很有用的度量：傳播時延帶寬積。

往返時間RTT
往返時間RTT (Round-Trip Time)也是一個重要的性能指標，它表示從發送方發送數據開始，到發送方收到來自接收方的確認（接收方收到數據后便立即發送確認），總共經歷的時間。往返時間與所發送的分組長度有關。發送很長的數據塊的往返時間，應當比發送很短的數據塊的往返時間要多些。

利用率
利用率有信道利用率和網絡利用率兩種。
信道利用率指出某信道有百分之幾的時間是被利用的（有數據通過）。完全空閑的信道的利用率是零。
網絡利用率則是全網絡的信道利用率的加權平均值。
信道利用率并非越高越好，這是因為，根據排隊論的理論，當某信道的利用率增大時，該信道引起的時延也就迅速增加。

1.6.2計算機網絡的非性能特征

費用

質量

標準化

可靠性

可拓展性和可升級性（規模擴大、性能版本提高）

易于管理和維護

1.7 計算機網絡的體系結構

分層次的體系結構

1.7.1

系統網絡體系結構SNA (System Network Architecture)。這個著名的網絡標準就是按照分層的方法制定的。
開放系統互連基本參考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，簡稱為OSI

1.7.2協議與劃分層次

網絡協議：在計算機網絡中要做到有條不紊地交換數據，就必須遵守一些事先約定好的規則。這些規則明確規定了所交換的數據的格式以及有關的同步問題。這里所說的同步不是狹義的（即同頻或同頻同相）而是廣義的，即在一定的條件下應當發生什么事件（如發送一個應答信息），因而同步含有時序的意思。這些為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定稱為網絡協議(network protocol)。

1.7.3具有五層協議餓體系結構

TCP/IP是一個四層的體系結構（圖1-18(b)），它包含應用層、運輸層、網際層和網絡接口層（用網際層這個名字是強調這一層是為了解決不同網絡的互連問題）

（1) 應用層(application layer)
應用層是體系結構中的最高層。應用層的任務是通過應用進程間的交互來完成特定網絡應用。應用層協議定義的是應用進程間通信和交互的規則。這里的進程(process)就是指主機中正在運行的程序。對于不同的網絡應用需要有不同的應用層協議。在因特網中的應用層協議很多，如支持萬維網應用的HTTP協議，支持電子郵件的SMTP協議，支持文件傳送的FTP協議，等等。我們將應用層交互的數據單元稱為報文(message)。

（2) 運輸層(transport layer)
運輸層的任務就是負責向兩個主機中進程之間的通信提供通用的數據傳輸服務。應用進程利用該服務傳送應用層報文。所謂通用，是指并不針對某個特定網絡應用，而是多種應用可以使用同一個運輸層服務。由于一臺主機可同時運行多個進程，因此運輸層有復用和分用的功能。復用就是多個應用層進程可同時使用下面運輸層的服務，分用與復用相反，是運輸層把收到的信息分別交付上面應用層中的相應進程。

● 傳輸控制協議TCP (Transmission Control Protocol)——提供面向連接的、可靠的數據傳輸服務，其數據傳輸的單位是報文段(segment)。
● 用戶數據報協議 UDP (User Datagram Protocol)——提供無連接的、盡最大努力(best-effort)的數據傳輸服務（不保證數據傳輸的可靠性），其數據傳輸的單位是用戶數據報。

（3) 網絡層(network layer)
網絡層負責為分組交換網上的不同主機提供通信服務。在發送數據時，網絡層把運輸層產生的報文段或用戶數據報封裝成分組或包(packet)進行傳送。在TCP/IP體系中，由于網絡層使用IP協議，因此分組也叫作 IP數據報，或簡稱為數據報(datagram)。

（4) 數據鏈路層(data link layer)
數據鏈路層常簡稱為鏈路層。我們知道，兩臺主機之間的數據傳輸，總是在一段一段的鏈路上傳送的，這就需要使用專門的鏈路層的協議。在兩個相鄰結點之間傳送數據時，數據鏈路層將網絡層交下來的IP數據報組裝成幀（framing），在兩個相鄰結點間的鏈路上傳送幀（frame）。每一幀包括數據和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差錯控制等）。

（5) 物理層(physical layer)
在物理層上所傳數據的單位是比特。發送方發送1（或0）時，接收方應當收到1（或0）而不是0（或1）。因此物理層要考慮用多大的電壓代表“1”或“0”，以及接收方如何識別出發送方所發送的比特。物理層還要確定連接電纜的插頭應當有多少根引腳以及各條引腳應如何連接。

1.7.4 實體、協議、服務和服務訪問點

實體 任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程

協議 控制兩個對等實體（或多個實體）進行通信的規則的集合。

服務 在協議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務。要實現本層協議，還需要使用下面一層所提供的服務。

服務訪問點 SAP (Service Access Point)。服務訪問點SAP是一個抽象的概念，它實際上就是一個邏輯接口。

1.7.5 TCP/IP的體系結構

TCP/IP協議可以為各式各樣的應用提供服務（所謂的everything over IP），同時TCP/IP協議也允許IP協議在各式各樣的網絡構成的互聯網上運行（所謂的IP over everything）。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的《计算机网络》_学习笔记（一）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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