计算机网络演进之路

1. 计算机网络在信息时代的作用

信息化时代的特征就是数字化、网络化和信息化，是一个以网络为核心的信息时代。网络指的是"三网"，即电信网络、有限电视网络和计算机网络。其中发展最快并起到核心作用的是计算机网络。计算机网络向用户提供的最重要的功能是连通性和共享。

2. 因特网概述

2.1 "网络的网络"
  网络有若干个节点和连接这些节点的链路组成。只有一台孤立的计算机干不了什么事情，于是把这些孤立的系统组在以前形成网络，到了后来发现单个网络构成的新的更大的系统同样没有太大意义。于是人们又把多个网络连在一起形成一个"网络的网络"，这就是所谓的因特网(互联网)。网络吧多个计算机连接在一起，而因特网把许多万柳连接在一起。

2.2 因特网近代发展的三个阶段

• 第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展过程。1983年TCP/IP 协议成为ARPANET上的标准协议，人们把1983年向称为因特网诞生时间。以小写 i 开始的单词泛指网络，以大写 I 开头的单词是互联网，前身是美国的ARPANET。

• 第二阶段建成了三级结构的因特网。分为主干网、地区网和校园网（或企业网）

• 第三阶段特点是逐渐形成了多层次ISP（因特网服务提供者）结构的因特网。用户可以通过 ISP 上网了。ISP 又可以分为多层次，有主干ISP和地区ISP以及本地ISP(校园网)

  • 2.3 因特网的标准化工作
      因特网是如何工作的，他的标准是由谁定的呢？制定因特网标准必须通过四个阶段：
  • 因特网草案(Internet Draft)，这个阶段还不是RFC(Request For Comments，一系列以编号排定的文件)文档
  • 建议标准(Proposed Standard)，从这个阶段开始成为RFC文档。
  • 草案标准(Draft Standard)
  • 因特网标准(Internet Standard)

3. 因特网的组成

3.1 因特网的边缘部分
  有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，用来进行通信和资源共享。
3.2 因特网的核心部分
  有大量网络和连接这些网络的路由器组成。为边缘部分提供服务。
  边缘部分的主机又称端系统（end system）。主机进行通信其实是指运行在主机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，简称计算机之间通信。
  计算机通信方式通常分为两大类：客户端——服务器方式(C/S方式)和对等方式(Peer-toPeer)。
  C/S模式的客户端像服务器发起请求必须知道服务器程序的地址。而服务器程序自系统启动后一直不断地运行，被动地等待并接受客户端发起的请求。因此不需要知道客户端的地址。
  P2P是指连个主机在通信时不再区分谁是服务提供者，都运行了对等连接软件，平等的进行通信。其实P2P 连接方式本质还是C/S方式，只是每一个主机既是客户端又是服务器。

网络核心部分是因特网中最复杂的部分。要想边缘主机提供连通性，其中起特殊作用的是路由器。路由器是实现分组交换(package switching)的关键构件，任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

电路交换的特点

两部电话机只需要一对电线就能互相连接起来。而5部电话机两两相连需要10对电线。N部需要N(N-1)/2对电线，时间复杂度是N的平方。当电话机数量很多时需要的电线数量更多
  当电话机很多时就要用交换机。比如一台交换机为圆心，周围360度都是连接到交换机的电话机 。交换的含义就是转接。把一条电话线转接到另一条电话线使他们连通起来，动态地分配传输线路的资源。

• 电路交换必定是面向连接的。
• 电路交换的三个阶段： 连接建立； 通信； 释放连接

电路交换传输计算机数据效率低，因为计算机数据具有突发性，这导致通信线路的利用率很低。

分组交换的主要特点

把计算机发送的数据划分为较短的，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。分组交换网就是以分组作为数据传输单元，依次把个分组发送到接收端的。

分组首都的作用：首部包含地址等控制信息。交换机以首部中的地址信息次才能知道下一步是传递给哪个交换机，这样的存储转发方式，最终到达目的地。

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，找出某个目的地址应该从哪个端点转发
• 把分组送到适当的端口转发出去
    
  主机和路由器的区别：主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。
  路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。

分组交换的优点

• 高效——动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用
• 灵活——以分组为传输单位和查找路由
• 迅速——不必先建立连接就能想其他主机发送分组
• 可靠——保证可靠性的网络协议，分布式的路由选择协议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，会造成一定的时延
• 分组必须携带首部也造成了一定的开销。

4. 计算机网络的类别

4.1 计算机网络的定义
  最简单的定义：一些互相连接的。自治的计算机的集合。
4.2 不同类型的网络
  从网络作用范围进行分类：
广域网WAN(Wide Area Network)
局域网LAN(Local Area Neatwork)
城域网MAN(Metropolitan Area Network)
个人区域为PAN(Personal Area Network)
  从网络使用者进行分类：
公用往
专用网
  用来把用户接入到因特网的网络：
AN（Access Network）接入网，也称本地接入网或居民接入网。由ISP提供的接入网至少起到让用户能够与因特网连接的桥梁作用。

5. 计算机网络的性能

5.1 计算机网络的性能指标

1. 速率：比特率(data rate)，单位b/s或kb/s，Mb/s，Gb/s。速率往往是指额定速率或标称速率。
   比特(bit)是计算机数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。bit来源于binary digit，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。
2. 带宽：信号具有的频带宽度，单位是赫(或千赫、兆赫等)
   现在"带宽"是数字信道所能传送的"最高数据率"的同义词，单位是b/s(bit/s)。
   在时间轴上信号带宽随带宽的增大而变窄(频率更高了)
3. 吞吐量：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(delay 或latency)：

• 发送时延：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要的时间：发送时间的数值大小等于数据帧长度除以发送速率。
• 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dengy 信道长度除以信号在信道上的传播速率。

• 处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
• 排队时延：结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延长短取决往往取决于网络中的当时的通信量。
  数据经历的总时延就是这些时延的总和。

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对应高速网络链路，我们提供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。

5. 时延带宽积
   时延带宽积等于传播时延乘以带宽，又被称之为以比特为单位的链路长度。
6. 利用率

• 信道利用率

• 网络利用率：全网络信道利用率的加权平均值。
  信道利用率并发越高越好，根据排队论，信道利用率增大，该信道引起的时延也就迅速增加。
  若用D0表示网络空闲时延，D表示当前时延，则时延与网络利用率的关系为：
  

  

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  U是网络利用率。
  
  

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  • 5.2 计算机网络的非性能指标
    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

6.计算机网络的体系结构

6.1 计算机网络体系结构的形成
两种国际标准：OSI并没有得到市场的认可，而非国际标准的TCP/IP获得最广的应用，被称为事实上的国际标准。
6.2 协议与划分
为进行网络中数据交换而建立的规则、标准或约定。
协议组成三要素：
语法：数据与控制信息的结构或格式。
语义：协议发出何种控制信息，完成何种动作已经做出何种响应。
同步：时间实现顺序的详细说明。
分层的好处：各层之间独立；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。
6.3 五层协议结构
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。即把TCP的网络接口层替换为了数据链路层和物理层。

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6.4 实体、协议、服务和访问点
  实体表示任何可发送或接受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。在协议控制下，两个对等实体见的通信使得本层能够像上一层提供服务。
  下面的协议对上面的服务用户是透明的，看不见的。协议是水平的，是控制对等实体间通信的规则。
  服务是垂直的，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图称为服务访问点SAP。

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