第一章-概述

互联网概述

1. 网络的网络

• 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。网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

• 互连网（internet）：许多由计算机等结点组成的网络再通过路由器进一步连接得来的网络。
• 主机：与网络相连的计算机常称为主机。

2. 互联网基础结构发展的三个阶段

• 阶段一：

从单个网络 ARRANET 向互连网发展的过程。

• 阶段二：

建成三级结构的互联网。分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

• 阶段三：

逐渐形成了多层次ISP（互联网服务提供者）结构的互联网。我国的中国电信、中国联通和中国移动等公司都是我国最有名的ISP。

3. 互连网与互联网的区别：

• 互连网：以小写字母i开始的internet是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。在这些网络之间的通信协议可以任意选择，不一定非要使用TCP/IP协议；
• 互联网：以大写字母I开始的Internet是一个专用名词，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联网。它采用TCP/IP协议族作为通信的规则。

即：任意把几个计算机网络互连起来（不管采用何种协议），并且能够相互通信的则为互连网，并非互联网。

互联网的组成

1. 两部分：

（1）边缘部分：

• 概念：处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有主机。这些主机又称为端系统。
• 通信方式：在网络边缘的端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：
  • 客户-服务器方式；
  • 对等连接方式（P2P）：可支持大量对等用户（如上百万个）同时工作

（2）核心部分：

• 概念：在网络核心部分起特殊作用的是路由器。它是一种专用计算机（不叫主机）。路由器是实现分组交换的关键构建。
• 交换方式：
  • 电路交换：
    • 概念：经过“建立连接（占用通信资源）==>通话（一直占用通信资源）==>释放连接（归还通信资源）”三个步骤的交换方式。
    • 特点：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。

  - 分组交换：
     - 概念：采用存储转发技术。把一个**报文**（要发送的整块数据）划分成几个分组后再进行传送。

     - 特点：

a.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；
b.能够为每一个分组独立地选择最合适的转发路由；
c.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；
d.保证可靠性的网络协议。分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性；
e.分组在个路由器存储转发时需要排队，会造成一定的时延。

计算机网络的类别

1. 计算机网络的定义

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，这些硬件并非专门用来实现某一特定目的。
即：

  - 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机；
  - 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用。

2. 几种不同类型的计算机网络

（1）按照网络的作用范围进行分类：

1. 广域网WAN：

广域网的作用范围通常为几十到几千公里，因而有时也称为远程网。广域网是互联网的核心部分，其任务是通过长距离运送主机所发送的数据。连接广域网各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量；

1. 城域网MAN：

城域网的作用范围一般是一个城市。城域网可以为一个或几个单位所拥有，但也可以是一种公有设施，用来将多个局域网进行互联。目前很多城域网采用以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围进行讨论。

1. 局域网LAN：

局域网一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连（速率通常在10Mbit/s以上），但地理上则局限在较小的范围。

1. 个人区域网PAN：

个人区域网就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络，因此也常称为无限个人区域网WPAN。

顺便指出，若中央处理器之间的距离非常近（如仅1米的数量级甚至更小），则一般称之为多处理机系统而不称它为计算机网络。

（2）按照网络的使用者进行分类：

1. 公用网：

由电信公司出资建造的大型网络。所有愿意按电信公司规定的缴纳费用的人都可以使用这种网络。因此也可称为公众网。

1. 专用网：

某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务。例如军队、铁路、银行等。

（3）用来把用户接入到互联网的网络：

• 这种称为接入网AN（Access Network），它又称为本地接入网或居民接入网。是一类比较特殊的计算机网络。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）之间的网络。

  计算机网络的性能

  1. 计算机网络的性能指标

  性能指标从不同的方面来度量计算机网络的性能，常用的有以下分为7个：

  （1）速率

• 概念：数据的传送速率，也称为数据率或比特率。
• 单位：bit/s（比特/每秒）（或b/s，有时也写为bps，即bit per second）。
• 特点：
  • 当提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，并非实际运行的速率。

换算：
k=103=千
M=106=兆
G=109=吉
T=1012=太
P=1015=拍
E=1018=艾
Z=1021=泽
Y=1024=尧
如：4×1010bit/s的数据率就记为40Gbit/s.

• 注意：

（2）带宽

• 概念：
  • 其有以下两种不同的意义：
    1. 原指某个信号具有的频带宽度。即该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。

如，在传统通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1kHz（0.3kHz~3.4kHz，即话音的主要成分的频率范围）。
这种意义的带宽的单位是赫。因此在过去，带宽即表示某信道允许通过的信号频带范围。

  2. 在计算机网络中，**网络带宽**表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的**最高速率**。即单位时间内链路能够通过的数据量。

• 上述两种表述中，前者为频域称谓，后者为时域称谓，其本质是相同的。

即：一条通信链路的带宽越宽，其所能传输的最高数据率也越高。

• 单位：与速率的单位bit/s相同。

注意：速率强调的是一种速度，而带宽强调的是某链路每秒所能通过的最大的数据量（可看作管道横截面）。虽然二者的单位相同，但在意义上不同。可比作某段公路车辆的最大通行速度和单位时间内车辆的最大通过量。

（3）吞吐量

• 概念：吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际的数据量。

• 特点：

  • 在1Gbit/s的以太网中，其额定速率为1Gbit/s，那么这个数值也是该以太网的吞吐量的绝对上限值。因此，对于1Gbit/s的以太网，实际可能只有100Mbit/s甚至更低。
  • 有时，吞吐量还可用每秒传送的字节数（byte或B，这时要注意1B=8bit的换算关系）或帧数来表示。

    （4）时延

• 概念：数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延。

• 单位：时间单位。

• 组成：由发送时延与传播时延组成：

  - 发送时延：

  - 概念：主机或路由器发送数据帧所需要的时间。即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。因此也称**传输时延**（注意与**传播时延**区分）。
  - 公式：

- 传播时延:

  - 概念：电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。
  - 公式：

- 处理时延：

  - 概念：主机或路由器在收到分组时进行处理所花费的一定时间。
  - 例子：分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等。

- 排队时延：

  - 概念：分组在路由器输入队列和输出队列等待接收处理和转发处理时花费的时间。
  - 特点：排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量。当网络的通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大。

• 总时延：

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

• 误点：

  • “在高速链路上的比特会传送得更快”是错误的。对于高速链路而言，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。这些传播速率取决于通信线路的介质材料，与发送速率无关。提高数据的发送速率只是减小了数据的发送时延。
  • 发送速率与传播速率的单位不同。发送速率的单位是每秒发送多少个比特，而传播速率是指比特在某一段传输线路上每秒能传播多少公里。
  • “光纤信道的传输速率高”是指可以用很高的速率向光纤信道发送数据，而光纤信道的传播速率实际上要比铜线的传播速率略低一点。

    （5）时延带宽积

• 概念：将传播时延和带宽相乘所得的积。即

时延带宽积 = 传播时延 + 带宽

• 概述：设上述链路的传播时延为20ms，带宽为10Mbit/s，则可计算出：

时延带宽积 = 20×10-3 × 10 × 106 = 2 ×105 bit
这表明，若发送端连续发送数据，则在发送的第一个比特即将达到终点时，发送端就已经发送了20万个比特。因此，链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

• 理解：以时间为单位表示链路长度。带宽表示单位时间内比特通过的数量，即横截面，单位bit/s。这个数乘以传播时延s可得整个链路中比特的数量，即体积。

• 分析：对于一条正在传送数据的链路，只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到充分的利用。

  （6）往返时间RTT

• 概念：计算机网络中两端双向交互一次所需的时间RTT（Round-Trip Time）。

• 例子：A向B发送数据，若数据长度为100MB，发送速率为100Mbit/s，则

若B正确收完100MB数据后，就立即向A发送确认。此时，A从发送数据到再次发送数据的过程中所需的时间，即为往返时间RTT。若RTT = 2s，那么可计算出A向B发送数据的有效数据率

比原来的数据率100Mbit/s小不少。

• 分析：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。

  （7）利用率

• 概念：利用率分为信道利用率和网络利用率。

  • 信道利用率：某信道中有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道利用率为0.
  • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。
• 分析：

  1. 信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，代表该信道引起的时延也将迅速增加。
  1. 当网络利用率达到其容量的1/2时，时延就要加倍。当接近最大值1时，网络时延趋于无穷大。

因此，信道或网络利用率过高会产生非常大的时延。

• 网络利用率与当前时延、空闲时延之间的关系：

D表示当前时延，D0 表示空闲时延，U表示网络利用率，数值在0到1之间。

2. 计算机网络的非性能指标

（1）费用

网络速率越高，价格越昂贵。

（2）质量

网络的质量取决于网络中所有构件的质量，以及这些构件是怎样组成网络的。

（3）标准化

网络的硬件和软件的设计既可以按照通用的国际标准，也可以遵循特定的专用网络标准。最好采用国际标准的设计，这样可以得到更好的互操作性，更易于升级换代和维修，也更容易得到技术上的支持。

（4）可靠性

可靠性与网络的质量和性能都有密切关系。高速网络的可靠性不一定很差，但高速网络要可靠地运行，则往往更加困难，同时所需的费用也会较高。

（5）可扩展性和可升级性

在构造网络时就应当考虑到今后可能会需要扩展（即规模扩大）和升级（即性能和版本的提高）。网络的性能越高，其扩展费用往往也越高，难度也会相应增加。

（6）易于管理和维护

网络如果没有良好的管理和维护，就很难达到和保持所设计的性能。

计算机网络的体系结构

1. 协议与划分层次

（1）协议

• 概念：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议，简称协议。
• 概述：在计算机网络中交换数据，要遵守一些事先约好的规则。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（即在一定条件下应当发生什么事件）。
• 组成：网络协议主要由以下三个要素组成：
  • 语法：即数据与控制信息的结构或格式；
  • 语义：即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：即事件实现顺序的详细说明。
• 特点：
  • 协议必须把所有不利的条件都事先估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。

（2）分层

• 概念：对于一个非常复杂的计算机网络协议，可将其划分成不同层次以让各个层次完成各种不同的工作。这种对协议的功能层次划分就称为分层；

• 好处：

  • 各层之间是独立的：某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口（即界面）所提供的服务。
  • 灵活性好：当任意一层发生变化时，只要层间接口保持不变，则在这层以上或以下的各层均不受影响。
  • 结构上可分割开：各层都可以采用最合适的技术来实现。
  • 易于实现和维护；
  • 能促进标准化工作：因为每一层的功能都可以采用最合适的技术来实现。

    （3）总结

• 体系结构的概念：

  • 计算机网络的各层及其协议的集合。
  • 计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义。

    2. 具有五层协议的体系结构

    采用对OSI七层协议体系结构（复杂又不实用）与对TCP/IP四层协议体系结构的折中分析后得出的一种只有五层协议的体系结构。
    

    （1）应用层

• 概念&任务：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。

• 协议：应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。对于不同的网络应用需要有不同的应用层协议，如：
  • 域名系统DNS
  • 支持万维网应用的HTTP协议
  • 支持电子邮件的SMTP协议
  • …

• 数据单元：报文（message）。

  （2）运输层

• 概念&任务：负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。具有复用和分用的功能。

  • 复用：多个应用层进程可同时使用其下的运输层服务；
  • 分用：把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。

• 协议：

  • 传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)：
    • 概念：提供面向连接的、可靠的数据传输服务。
    • 数据传输单位：报文段(segment)。
  • 用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)：
    • 概念：提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性）。
    • 数据传输单位：用户数据报。

      （3）网络层

• 概念&任务：

  • 负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报，或简称数据报（注意与UDP用户数据报区分）。
  • 负责选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组能够通过网络中的路由器找到目的主机。

• 互联网的网络层（也称网际层或IP层）：

  • 使用协议：

    （4）数据链路层

• 概念&任务：

  • 数据链路层简称链路层。
  • 在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成真帧，在两个相邻结点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）。
  • 在接收数据时，控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始到哪个比特结束。在收到后，可以从中提取出数据部分，上交给网络层。

• 控制信息与差错控制：

  • 控制信息能使接收端能够检测到所收到的帧中有无差错。若发现差错，数据链路层就简单地丢弃这个出了差错的帧，以免浪费网络资源。
  • 可以通过相关的协议来纠正某些错误。

    （5）物理层

• 概念&任务：

  • 在物理层上所传数据的单位为比特。
  • 考虑用多大的电压代表“1”或“0”，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。
  • 确定连接电缆的插头应该有多少根引脚以及各引脚如何连接的问题。

• 注意：

  • 传递信息所利用的某些物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，并不在物理层协议之内而是在物理层协议的下面。

    -TCP/IP

• 互联网中所使用的各种协议中最重要以及著名的就是TCP和IP两个协议。

• TCP/IP不一定单指TCP和IP这两个具体协议，往往表示互联网所使用的整个TCP/IP协议族。

  -各层之间数据传递过程-协议栈（protocol stack）

  
  
  

• 同层级之间的通信被称为“对等层”之间的通信。

• 对等层之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元PDU(Protocol Data Unit)。

• 各层的协议实际上就是各个对等层之间传递数据时的各项规定。

  实体、协议、服务和服务访问点

  （1）实体

• 概念：

  • 任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。

    （2）协议

• 概念：

  • 控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合。

    （3）服务

• 概念：

  • 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。而实现本层协议，也需要使用下面一层所提供的服务。
• 与协议之间的关系：
  • 协议的实现能够向上一层提供服务。使用本层服务的实体只能看见本层的服务而无法看见本层中具体的协议。
  • 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。
  • 只有能被高一层实体所看见的功能才能被称之为“服务”。
  • 上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。

• 数据单位：

  • 层与层之间交换的数据单位称为服务数据单元SDU(Service Data Unit)。
  • 它可以与协议数据单元PDU不一样。可以是多个SDU合成为一个PDU，也可以是一个SDU划分为几个PDU。

    （4）服务访问点

• 概念：

  • 在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方，通常称为服务访问点SAP(Sefvice Access Point)。

TCP/IP的体系结构