计算机网络第一章概述

第一章 概述

（1）分组交换的概念，这是现代计算机网络的技术基础。

（2）计算机网络的一些性能指标。

（3）计算机网络的分层体系结构，包括协议和服务的概念。

---

## 1.1 计算机网络在信息时代的作用##

21世纪是以数字化、网络化、信息化为主要特征的信息时代

1. 计算机网络为我们提供浏览信息和发布信息的平台。
2. 计算机网络为我们提供通信和交流平台。
3. 计算机网络为我们提供休闲和娱乐平台。
4. 计算机网络为我们提供资源共享平台。
5. 计算机网络为我们提供电子商务平台。
6. 计算机网络为我们提供远程协作平台。
7. 计算机网络为我们提供网上办公平台。
   
   以互联网互联网为基础逐渐发展起来的物联网近几年越来越受到全球的广泛关注。
   

1.2 因特网概述

1.2.1网络的网络

1. 网络（Network）：是由若干结点（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）

2. 网络的网络（Network of Networks）：网络可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网（或互连网）。

3. 网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络连接在一起。

4. 起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互连网。

5. 我们把直接连接计算机的网络称为物理网络，而互联网是由物理网络集合构成的逻辑网络。

6. 网络互连还需要在计算机上安装许多可以进行信息交换的软件才行。

1.2.2 因特网发展的三个阶段

以小写字母i开始的internet（互联网或互连网）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。其通信协议（通信规则）可以是任意的。
以大写字母I开始的Internet（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TPC/IP协议簇作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。

1. 第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展，1969年，美国国防部创建的第一个分组交换网ARPANET最初只是一个单个的分组交换网，所有要连接在ARPANET上的主机（Host）都直接与就近的结点交换机相连。1983年，TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议，是的所有使用该协议的计算机都能利用互联网相互通信，（互联网诞生时间）1990年ARPANET正式宣布关闭。

2. 第二阶段：逐步建成了三级结构的因特网它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）

3. 第三阶段：逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。从1993年开始，由美国政府资助的NDFNET逐渐被若干个商用的因特网主干网代替，而政府机构不再负责因特网的运营，而是让各种因特网服务提供商（Internet Service Provider，ISP）来运营。

基于ISP的三层结构的因特网的概念示意图

1.2.3因特网的标准化工作

因特网协会（ISOC）下面有一个技术组织叫作因特网体系结构委员会（Internet Architecture Board，IAB）。
制订因特网的正式标准要经过一下四个步骤：
1.因特网草案（Internet Draft） – 这个阶段还不是RFC（Request For Comments）文档 (有效期6个月)
2.建议标准（Proposed Standard） – 这个阶段开始成为RFC文档
3.草案标准（Draft Standard）
4.因特网标准（Internet Standard）

1.3 因特网组成

（1）边缘部分（资源子网 Resources Subnet）：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。
（2）核心部分（通信子网 communication subnet）：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（提供数据连通性和数据交换）。

1.3.1 因特网的边缘部分

端系统（End System）：连接在因特网上的所有主机，“端”就是“末端”的意思。

计算机之间的通信：主机A的某个进程和主机B的另一个进程进行通信。

网络应用程序的通信方式：

1. 客户/服务器（C/S）方式（最常用）：运行在一个端系统上的客户进程总是主动向运行在另一个端系统上的服务器进程发出服务请求，服务器进程可接受来自多个客户进程的请求，并进行响应以提供服务。
   客户端（Client）：运行客户端请求的机器，服务请求方。
   服务器（Server）：运行服务端请求的机器，服务提供方。
   例如：万维网、电子邮件、文件传输FTP等；与B/S(Browser/Server，浏览器/服务器)模式相比，C/S模式的应用系统最大的好处是不依赖企业外网环境，即无论企业是否能够上网，都不影响应用。
2. 浏览器/服务器(B/S)方式：Browser/Server结构它是随着Internet技术的兴起，对C/S结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户工作界面是通过WWW浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端（Browser）实现，但是主要事务逻辑在服务器端（Server）实现，形成所谓三层3-tier结构（表现层-UI、业务逻辑层-BLL、数据访问层-DA ）。此时浏览器为客户端，方便用户使用。
3. 对等（Peer-to-Peer，P2P）方式：网络结点之间采取对等的方式，通过直接交换信息达到共享计算机资源和服务的工作模式；每个主机或程序的实例都可以同时作为一个客户端和服务器，每个人都有同等的责任和地位，其被称为对等方。
   P2P方式可支持大量对等用户同时工作，现在很流行的BT（BitTorrent）或电驴（emule）都使用了P2P的工作方式。当然有些网络应用既不是纯C/S方式，也不是纯P2P方式，例如我们熟悉的QQ。

C/S对比B/S

C/S 模式的优点：
（1）由于客户端实现与服务器的直接相连，没有中间环节，因此响应速度快。（当数据少时，速度与B/S软件一般；当数据超过十万时，C/S软件变慢，B/S软件能维持稳定速度）
　（2）操作界面漂亮、形式多样，可以充分满足客户自身的个性化要求。（似乎可以随意排列界面，但遇到第二客户要求时又要从头做起，不叫灵活）
　（3）C/S结构的管理信息系统具有较强的事务处理能力，能实现复杂的业务流程。

C/S 模式的缺点：

（1）需要专门的客户端安装程序，分布功能弱，针对点多面广且不具备网络条件的用户群体，不能够实现快速部署安装和配置。
　　（2）兼容性差，对于不同的开发工具，具有较大的局限性。若采用不同工具，需要重新改写程序。
　　（3）开发成本较高，需要具有一定专业水准的技术人员才能完成。（就开发企业管理软件而言，C/S开发人员比B/S开发人员的成本低了许多）

B/S结构的优点：

（1）具有分布性特点，可以随时随地进行查询、浏览等业务处理。
　　（2）业务扩展简单方便，通过增加网页即可增加服务器功能。
　　（3）维护简单方便，只需要改变网页，即可实现所有用户的同步更新。
　　（4）开发简单，共享性强

B/S 模式的缺点：

（1）个性化特点明显降低，无法实现具有个性化的功能要求。（个性化的要求取决以软件框架，而非架构，分享B/S软件就蛮灵活）
　　（2）操作是以鼠标为最基本的操作方式，无法满足快速操作的要求。（如果辅助于插件，照样可以用键盘快速操作）
　　（3）页面动态刷新，响应速度明显降低。（分享软件用分页保证响应速度稳定）
　　（4）功能弱化，难以实现传统模式下的特殊功能要求。（技术问题，用微软C#或java怎么会不能解决任何要求呢）

###1.3.2 因特网的核心部分 ###
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台主机都能够与其他主机通信。其中起特殊作用的是路由器（Router），它是一种专用计算机，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功能。

1.电路交换（Circuit Switching）
电路交换是面向连接的，其具有三个阶段：
（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）数据通信：主叫和被叫双方就能互相通电话，一直占用通信资源；
（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）。

电路交换具有下面优缺点：

 优点：

（1）因为通信线路为通信两方用户专用，数据直达。所以数据传输的时延非常小。

（2）通信两方之间的屋里通路一旦建立。两方能够随时通信，实时性强。

（3）两方通信时按发送顺序传送数据，不存在失序问题。

（4）电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。

（5）电路交换的交换设备及控制均比較简单。

缺点：

（1）电路交换平均连接建立时间对计算机通信来说较长。

（2）电路交换家里连接后，物理通路被通信两方独占，即使通信线路空暇。也不能供其它用户使用，因而信道利用率低。

（3）电路交换时，数据直达，不同类型，不同规格，不同速率的终端非常难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。

2.**分组交换（Packet Swtiching）：**分组交换也称包（Packet）交换，它是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组。在每个分组的前面加上一个分组头（Header），用以指明该分组发往何地址，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将他们转发至目的地，这一过程称为分组交换。
优点：
缺点：
（1）因为数据进入交换节点后要经历存储转发这一过程，从而引起的转发时延（包含接受分组、检验正确性、排队、发送时间等），并且网络的通信量越大，造成的时延就越大，实时性较差。
（2）分组交换仅仅适用于数字信号。
（3）分组交换可能出现失序，丢失或反复分组。分组到达目的节点，对分组按编号进行排序等工作，比较繁琐。

3.报文交换（Message Switching）：这种方式不要求在两个通信结点之间建立专用通路。结点把要发送的信息组织成一个数据包——报文，该报文中含有目标结点的地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传送。每一个结点接收整个报文，检查目标结点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点。经过多次的存储——转发，最后到达目标，因而这样的网络叫存储—转发网络。
报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式，因而有以下优缺点：
**优点：**①报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文。
②由于采用存储转发的传输方式，使之具有下列优点：
a.在报文交换中便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，就可以做到某条传输路径发生故障时，重新选择另一条路径传输数据，提高了传输的可靠性；
b.在存储转发中容易实现代码转换和速率匹配，甚至收发双方可以不同时处于可用状态。这样就便于类型、规格和速度不同的计算机之间进行通信；
c.提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址，这在电路交换中是很难实现的；
d.允许建立数据传输的优先级，使优先级高的报文优先转换。
③通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路，因而大大提高了通信线路的利用率。

**缺点：**①由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等），而且网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文交换的实时性差，不适合传送实时或交互式业务的数据。
②报文交换只适用于数字信号。
③由于报文长度没有限制，而每个中间结点都要完整地接收传来的整个报文，当输出线路不空闲时，还可能要存储几个完整报文等待转发，要求网络中每个结点有较大的缓冲区。为了降低成本，减少结点的缓冲存储器的容量，有时要把等待转发的报文存在磁盘上，进一步增加了传送时延。
三种方式的特点：
电路交换——整个报文的比特流连续地从源点直达终点，像一天物理的线路直接将源点和终点连接起来一样。
报文交换——整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
分组交换——单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。（输入和输出端口可以并行工作）

##1.4 计算机网络的定义与分类 ##

1.4.1 计算机网络的定义

目前精确定义并未统一，最简单的是：一些相互连接的、自治的计算机的集合。

计算机网络的分类

1. 计算机网络常见的分类依据是网络覆盖的地理范围，按照这种分类方法，可将计算机网络分为局域网、广域网和城域网三类。
   （1）局域网(Local Area Network)简称LAN，它是连接近距离计算机的网络，覆盖范围从几米到数公里。例如办公室或实验室的网、同一建筑物内的网及校园网等。
   （2）城域网(Metropolitan Area Network)简称MAN，它是介于广域网和局域网之间的一种高速网络，覆盖范围为几十公里，大约是一个城市的规模
   （3）广域网(Wide Area Network)简称WAN，其覆盖的地理范围从几十公里到几千公里，覆盖一个国家、地区或横跨几个洲，形成国际性的远程网络。有时也称远程网（long haul network）。例如我国的公用数字数据网(China DDN)、电话交换网(PSDN)等。
   （4）个人区域网（Personal Area Network）简称PAN，个人区域网不同于以上网络，不是用来连接诶普通计算机的，而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，因此也称**无线个人区域网（Wireless PAN，WPAN），**其范围大约是10m。

2. 按拓扑结构分类
   拓扑结构就是网络的物理连接形式。如果不考虑实际网络的地理位置，把网络中的计算机看作一个节点，把通信线路看作一根连线，这就抽象出计算机网络的拓扑结构。局域网的拓扑结构主要有星型、总线型和环型三种。
   1)星型拓扑结构
   这种结构以一台设备作为中央节点，其他外围节点都单独连接在中央节点上。各外围节点之间不能直接通信，必须通过中央节点进行通信，如图7-1所示。中央节点可以是文件服务器或专门的接线设备，负责接收某个外围节点的信息，再转发给另外一个外围节点。这种结构的优点是结构简单、服务方便、建网容易、故障诊断与隔离比较简便、便于管理。缺点是需要的电缆长、安装费用多；网络运行依赖于中央节点，因而可靠性低；若要增加新的节点，就必须增加中央节点的连接，扩充比较困难。星型拓扑结构广泛应用于网络中智能集中于中央节点的场合。在目前传统的数据通信中，该拓扑结构仍占支配地位。
   2)总线型拓扑结构
   这种结构所有节点都直接连到一条主干电缆上，这条主干电缆就称为总线。该类结构没有关键性节点，任何一个节点都可以通过主干电缆与连接到总线上的所有节点通信，如图7-2所示。这种结构的优点是电缆长度短，布线容易；结构简单，可靠性高；增加新节点时，只需在总线的任何点接入，易于扩充。总线结构的缺点是故障检测需要在各个节点进行，故障诊断困难，隔离也困难，尤其是总线故障会引起整个网络的瘫痪。
   3)环型拓扑结构
   这种结构各节点形成闭合的环，信息在环中作单向流动，可实现环上任意两节点间的通信，如图7-3所示。环形结构的优点是电缆长度短、成本低。该结构的缺点是某一节点出现故障会引起全网故障，且故障诊断涉及到每一个节点，故障诊断困难；若要扩充环的配置，就需要关掉部分已接入网中的节点，重新配置困难。
   4)混合结构
   混合结构是将多种拓扑结构的局域网连在一起而形成的，混合拓扑结构的网络兼并了不同拓扑结构的优点。

3. 按通信协议分类
   通信协议是指网络中的计算机进行通信所共同遵守的规则或约定。在不同的计算机网络中采用不同的通信协议。在局域网中，以太网采用CSMA协议，令牌环网采用令牌环协议，广域网中的报文分组交换网采用X.25协议，Internet网采用TCP/IP协议，采用不同协议的网络可以称为“×××协议网”。

4. 按网络的使用者进行分类
   （1）公用网（Public Network）：指电信公司出资建造的大型网络。
   （2）专用网（Private Network）：这是某个部门为本专业的特殊业务工作的需要而建造的网络。

1.5 计算机网络的主要性能指标

1. 速率
   数据的传送速度：数据率（Data Rate）或比特率（Bit Rate） 单位是b/s（bps）、kb/s、Mb/s 、Gb/s或Tbit/s（太、10^12）；往往指额定速率或标称速率。

2. 带宽(Bandwidth)
   (1)“带宽” 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）。
   (2)在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通信线路传送数据的能力。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”。
   “带宽”的这两种表述之间有着密切的关系，一条通信的“频带宽度”越宽，其所传输数据的“最高数据率”也越高。

3. 吞吐量
   吞吐量（Throughput)也称吞吐率，表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

4. 时延
   时延（Delay或Latency）是指数据（一个报文或分组）从一个网络（或链路）的一端传送到另一个端所需要的时间。时延有时也称为延迟或迟延。它包括了发送时延，传播时延，处理时延，排队时延。(时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延)一般，发送时延与传播时延是我们主要考虑的。对于报文长度较大的情况，发送时延是主要矛盾;报文长度较小的情况，传播时延是主要矛盾。
   
   
   
   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。