《计算机网络》谢希仁第7版之 概述

《计算机网络》谢希仁第7版学习笔记之 概述

网络分类

• 电信网络
• 有线电视网络
• 计算机网络

计算机网络定义

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。

计算机网络特点

• 连通性

互联网上用户不管距离多远，都能通信，就像这些用户终端都彼此连通

• 共享性

指资源共享，包含信息、软件、硬件等共享，就像资源在用户身边

计算机网络的分类

按照网络的作用范围进行分类

• 广域网 WAN (Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里
• 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：作用距离约为 5~50 公里。
• 局域网 LAN (Local Area Network) ：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。
• 个人区域网 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

按照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。

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。

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。

互联网

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 协议族作为通信规则，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。

以小写字母 “i” 开始的 internet（互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。
以大写字母 “I” 开始的的 Internet（互联网或因特网）则是一个专用名词，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计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET

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)。

互联网的组成

从互联网的工作方式上看，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。
• 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）。

“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”。

主机

与网络互连的计算机称为主机

ISP层次

• 主干ISP

由几个专门的公司创建和维持，服务面积最大（一般能够覆盖国家范围），并且拥有高速主干网（例如10Gbit/s或更高）。有一些地区ISP也可以直接与主干ISP相连

• 地区ISP

地区ISP是一些较小的ISP。这些地区ISP通过一个或多个主干ISP链接起来，它们位于等级中的第二层，数据率也低一些

• 本地ISP

本地ISP给用户提供直接的服务（这些用户有时也称为端用户，强调是末端的用户）本地ISP可以连接到地区ISP，也可以直接连接到主干ISP。

绝大多数用户都是连接到本地ISP的。本地ISP可以是一个仅仅提供互联网服务的公司，也可以是一个拥有网络并向自己的雇员提供服务的企业，或者是一个运行自己的网络的非营利机构（如大学）

XIP（互联网交换点）

允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组

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。

路由器

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

• 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。

典型交换技术包括：

“交换”的含义

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

N 部电话机两两直接相连，需 N(N –1)/2 对电线。这种直接连接方法所需要的电线对的数量与电话机数量的平方（N 2）成正比。

当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务

每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。
所采用的交换方式就是电路交换 (circuit switching)。

特点

• 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；

• 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）。

• 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% ）。

分组交换

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。
• 每一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。
• 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
• 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。

分组交换的传输单元

• 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。
• 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。

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，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。

报文交换

互联网的核心部分采用了分组交换技术。

三种交换的比较

• 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，则电路交换的传输速率较快。
• 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远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。

计算机网络的性能

性能指标

• 速率

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,它也称为数据率 (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 *1010 bit/s 的数据率就记为 40 Gbit/s。
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，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，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。

• 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。

• 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：

时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

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）

2、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）

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。

四种时延所产生的地方

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。

以下说法是错误的：

“在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送得更快些”

• 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

• 往返时间 RTT

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。

• 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：

其中：U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。

计算机网络的体系结构

• 计算机网络是个非常复杂的系统。
• 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。
• 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。

分层结构

OSI 的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。
TCP/IP 是四层体系结构：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 。

主机 1 向主机 2 发送数据 流程

1. （主机1）应用进程数据先传送到应用层，加上应用层首部，成为应用层 PDU（PDU (Protocol Data Unit)：协议数据单元。
   OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元 PDU。）

2. （主机1）应用层 PDU 再传送到运输层，加上运输层首部，成为运输层报文

3. （主机1）运输层报文再传送到网络层，加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）

4. （主机1）IP 数据报再传送到数据链路层，加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧

5. （主机1）数据链路层帧再传送到物理层，最下面的物理层把比特流传送到物理媒体

6. 电信号（或光信号）在物理媒体中传播，从发送端物理层传送到接收端（主机2）物理层

7. （主机2）物理层接收到比特流，上交给数据链路层

8. （主机2）数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层

9. （主机2）网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层

10. （主机2）运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层

11. （主机2）应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程

12. （主机2）应用进程收到数据

• 任何两个同样的层次把数据（即数据单元加上控制信息）通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的“对等层”(peer layers)之间的通信。
• 各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。
• 实体 (entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
• 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
• 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。
• 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。
• 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。
• 服务访问点SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。
• OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元 SDU (Service Data Unit)。
• SDU 可以与 PDU 不一样，例如，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。

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

• 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。
• 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。
• 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。
• 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。
• 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。