计算机网络(第七版)谢希仁-第1章 概述

第 1 章 概述

计算机网络在信息时代中的作用

• 21 世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。
• 网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。
• 发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。

互联网(Internet)的发展

• 进入 20 世纪 90 年代以后，以互联网为代表的计算机网络得到了飞速的发展。
• 已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络。
• 已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。

互联网的意义

• 互联网是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。
• 现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开互联网。
• 互联网已经成为世界上最大的计算机网络。

互联网概述

网络的网络

• 起源于美国的互联网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网
• 网络(network)(计算机网络)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。
• 互连网是“网络的网络”(network of networks)。(网络之间可以通过路由器互连起来，构成覆盖范围更大的计算机网络)
• 与网络相连的计算机都称为主机(host)。
• 网络与互连网
  • 网络把许多计算机连接在一起。
       * 互连网把许多网络通过路由器连接在一起。
    
    

互联网发展的三个阶段

• 第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互连网发展的过程。
  • 1969年美国国防部创建第一个分组交换网ARPANET。最初只是一个单个的分组交换网。
  • 1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。
  • 人们把 1983 年作为互联网的诞生时间。
  • 1990年ARPANET正式宣布关闭。
• 第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网。
  • 三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。
• 第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。
  • 出现了互联网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。
  • 根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同的层次。
  • 中国电信、中国联通和中国移动都是我国最有名的ISP。
  • 根据提欧共服务的覆盖面积大小以所拥有的IP地址数目不同，ISP分为：主干ISP、地区ISP、本地ISP。
  • 互联网交换点IXP的主要作用就是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要通过第三个网络来转发分组。
    

互联网的标准化工作

• 制订互联网的正式标准要经过以下的三个阶段
  • 互联网草案(Internet Draft) ——在这个阶段还不是 RFC 文档。
  • 建议标准(Proposed Standard) ——从这个阶段开始就成为 RFC 文档。
  • 互联网标准(Internet Standard) ——达到标准后分贝一个编号STD xx。
• 各种RFC之间的关系

互联网的组成

互联网的边缘部分

• 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。
  • 处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。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”。
  • 即“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信”
• 边缘的端系统之间的通信方式通常分为两大类：客户-服务器方式(C/S)和对等方式(P2P)。( P11)

互联网的核心部分

• 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）
  • 网络核心部分是互联网中最复杂的部分。
  • 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）。
  • 在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。(电路交换、分组交换和报文交换特点 P13)
    • 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：
        • 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
        • 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
        • 把分组送到适当的端口转发出去。
  • 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。
    

计算机网络在我国的发展

• (1) 中国公用计算机互联网 CHINANET
• (2) 中国教育和科研计算机网 CERNET
• (3) 中国科学技术网 CSTNET
• (4) 中国联通互联网 UNINET
• (5) 中国网通公用互联网 CNCNET
• (6) 中国国际经济贸易互联网 CIETNET
• (7) 中国移动互联网 CMNET
• (8) 中国长城互联网 CGWNET（建设中）
• (9) 中国卫星集团互联网 CSNET（建设中）

计算机网络的类别

计算机网络的定义

• 较好的定义：计算机网络是由一些通用的、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。
• 互联网(Internet)是“网络的网络”。

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)
• 按照网络的使用者进行分类
  • 公用网 (public network)
  • 专用网 (private network)
• 用来吧用户接入到互联网的网络
  • 这种网络称为 接入网AN(Access Network)，又称为本地接入网或居民接入网。
  • 接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器之间的一种网络。
    • 从覆盖范围看，很多接入网还属于局域网
    • 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。

计算机网络的性能

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，而并非网络实际上运行的速率。
• 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）。
    • 因此，表示某信道允许通过的信号频带范围就称为该信道的带宽(或通频带)。
  • 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)。
• 上述两种表述中，前者为频域称谓，后者为时域称谓。
  • 常用的带宽单位
    • 更常用的带宽单位是
    • 千比每秒，即 kb/s （103 b/s）
    • 兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）
    • 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）
    • 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）
    • 请注意：在计算机界，K = 210 = 1024
    • M = 220, G = 230, T = 240。
  • 数字信号流随时间的变化
    • 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）的实际数据量。
  • 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(delay 或 latency)——数据从网络的一段传到另一端所需要的时间
  • 发送时延 主机或路由器发送数据帧所需要的时间。
    • 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。
  • 信号的发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。
  • 处理时延 主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理。
  • 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。
  • 数据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：
• 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，我们有时很需要知道双向交互一次所需的时间。
• 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。 (越高会产生非常大的时延)
• 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。

计算机网络的非性能特征

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 可扩展性和可升级性
• 易于管理和维护

计算机网络的体系结构

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。

关于开放系统互连参考模型OSI/RM

只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。

在市场化方面 OSI 却失败了。

• OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；
• OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；
• OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场；
• OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

协议与划分层次

• 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 。
  

• 应用层

• 运输层

• 网络层

• 数据链路层

• 物理层
  P31

实体、协议、服务和服务访问点

• 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。
• 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。
• 下面的协议对上面的服务用户是透明的。
• 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。
• 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)。
• 协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。
• 看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。
  

TCP/IP的体系结构

• 实际上现在的互联网使用的TCP/IP体系结构有时已经演变成为下图
  

• 还有一种是是：
  

• 这种像沙漏计时器形状的TCP/IP协议族表明：TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务，同时TCP/IP协议也允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行。
  P35

Internet 和 internet 的区别

• 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。
• 以大写字母I开始的的 Internet（互联网）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。

万维网 WWW 的问世

• 互联网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络，没有人能够准确说出互联网究竟有多大。
• 互联网的迅猛发展始于 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)被广泛使用在互联网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为互联网的这种指数级增长的主要驱动力。

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。

两种通信方式

客户服务器方式（C/S 方式） 即Client/Server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。

对等方式（P2P 方式） 即 Peer-to-Peer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。