计算机网络1 概述

计算机网络在信息时代的作用

• 信息时代以网络为核心，重要特征是数字化、网络化、信息化

• 网络是信息社会的命脉，是发展知识经济的重要基础

• 互联网的两个特点：

  • 连通：任何互联网用户都可以相互交换数据，没有地域限制
  • 共享：资源共享

• 互联网的作用：

  • 给人们工作、生活、娱乐、学习提供便利
  • 计算机病毒等带来的负面影响

• 互联网+：互联网+各个传统行业，利用信息技术和互联网平台创造新的发展生态

互联网概述

起源于美国的互联网现在已经发展称为全世界最大的、覆盖全球的计算机网络

网络的定义

• 计算机网络：简称网络，是由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成

  • 结点：可以是计算机、集线器、交换机、路由器等
  • 链路：连接结点之间的线路

• 互联网：网络之间通过路由器互联起来，构成覆盖范围更大的网络，称为互联网

• 主机：与互联网相连的终端（计算机），常称为主机（host）

互联网基础结构发展的三个阶段

互联网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进

第一阶段

从单个网络ARPANET向互联网发展的过程

• 1969年创建的ARPANET只是一个单个的分组交换网，所有要连接在ARPANET上的主机都直接与就近的结点交换机相连。
• 70年代中期，ARPA开始研究多种网络互联的技术，成为互联网的雏形
• 1983年TCP/IP协议成为ARPANET的标准协议，所有遵循该协议的计算机都能相互通信
• 1990年ARPANET关闭

第二阶段

建成了三级结构的互联网

• 1985年起，美国国家科学基金会（NSF）围绕六个大型计算机中心建设计算机网络，它是三级计算机网络，分为主干网、地区网、校园网，覆盖了主要的大学和研究所
• 1991年，许多公司开始接入互联网，通信量急剧增大，美国政府将主干网交给私人公司来经营，并对接入互联网的单位收费
• 1992年互联网上的主机超过100万台
• 1993年主干网速率达到45Mbits（T3速率）

第三阶段

逐渐形成了多层次ISP结构的互联网

• 1993年开始，由美国政府资助的NSFNET逐渐被若干个商用互联网主干网替代，政府机构不再负责互联网的运营，提供互联网服务的称为互联网服务提供商ISP（Internet Service Provider），例如中国移动、中国电信
• ISP可以从互联网管理机构中申请很多IP地址，同时自己架设或租用通信线路、路由器等联网设备
• 根据提供服务的覆盖范围，及拥有的IP数量，ISP分为主干ISP、地区ISP、本地ISP
  • 主干ISP：由专门的公司创建和维持，服务面加大，拥有高速主干网
  • 地区ISP：通过一个或多个主干ISP连接起来，通常服务一个地区
  • 本地ISP：给用户提供直接的服务，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雇员提供服务的企业，或者非盈利机构，如大学等
• 随着互联网数据流量急剧增长，互联网交换点IXP应运而生
  • IXP的主要作用是允许两个网络直接相连并交换分组，不再需要通过上一层的网络转发分组
  • IXP结构复杂，典型的IXP常采用工作在数据链路层的网络交换机，这些网络交换机都用局域网互连起来
• 互联网已经成为世界上规模最大、增长速率最快的计算机网络

互联网的标准化工作

• 标准化工作的好坏对一种技术的发展有很大的影响

• 缺乏国际标准，将使得技术的发展处于混乱状态，盲目的自由竞争可能形成多种技术体制并存且互不兼容的状态

• 国际标准的制定，又涉及到很多技术和非技术问题

• 互联网标准的制定面向公众，所有RFC文档均可下载，所有人均可提建议

• 制定互联网的正式标准经过三个阶段：

  • 互联网草案：有效期6个月，这期间还不能算RFC
  • 建议标准：从这个阶段开始称为RFC文档
  • 互联网标准：达到正式标准后，每个标准分配一个编号，一个标准可以和多个RFC文档关联

互联网的组成

从工作方式看，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（连通和交换）

互联网的边缘部分

• 边缘部分就是连接在互联网上的所有主机，这些主机也称为端系统（end system）
• 边缘部分利用核心部分所提供的服务，使众多主机之间能相互通信
• 端系统之间通信的方式可以划分为两大类：客户端服务器C/S，对等方式P2P

客户端-服务器方式

• 这种方式是最传统、最常用的方式
• 客户（client）和服务器（server）指的是通信中所涉及的两个应用进程
• 客户是服务请求方，服务器是服务提供方，双方都使用网络核心部分所提供的服务

客户程序的特点：

• 被用户调用后运行。在通信时主动向远程的服务器发起通信请求，因此必须知道服务器程序的地址
• 不需要复杂的软硬件系统

服务器程序的特点：

• 是一种专门用来提供某种服务的程序，可以同时处理多个客户程序的请求
• 系统启动后便一直运行，被动等待接收客户的请求，因此不需要知道客户程序的地址
• 一般需要强大的硬件和高级操作系统的支持

对等连接方式

• 对等连接（peer to peer），两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方，哪一个是服务提供方，只要两台主机都运行了对等连接软件，即可对等连接通信。

• 实际上仍然是客户端-服务器方式，只不过每台主机，既是客户端，又是服务器

• 对等连接方式可以支持大量对等用户同时工作

互联网的核心部分

• 核心部分是互联网中最复杂的部分，由许多网络和路由器组成，它要向网络边缘的主机提供连通性
• 主机是为用户进行信息处理的，路由器是用来转发分组（分组交换）的
• 网络核心部分起特殊作用的是路由器（router），它是一种专用计算机
• 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

电路交换

• 电话问世后，人们发现将所有电话两两相连需要的电线数量太大，应该使用电话交换机
• 每一部电话都连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，其交换方式是电路交换（circuit switching），让电话用户彼此间通信
• 交换，就是按照某种方式动态分配传输线路的资源，电话通话时，建立了专用的物理通路，通话完毕后，释放这条物理通路
• 这种建立连接、通话、释放连接的交换方式，称为电路交换
• 电路交换的一个重要特点是在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用到端到端的通信资源
• 电路交换的传输效率很低

分组交换

• 分组交换采用存储转发技术 ，路由器收到分组后，先暂时存储，再检查其首部，查找路由表转发出去
• 路由器暂存的是一个短分组，而不是整个长报文，短分组暂存在路由器的内存中，保证了较高的交换速率
• 要发送的整块数据，称为一个报文（message）
• 发送前，报文被划分成更小的等长数据段（例如1024bit），在数据段前加首部header（必要的控制信息），就构成了一个分组（packet）
• 分组又称为包，分组的首部也称为包头，分组是互联网中传输的数据单元
• 互联网可以容许非常多的主机同时进行通信，而一台主机的多个进程也可以各自和不同主机的不同进程通信
• 分组交换在传送数据之前不必先占用一条端到端链路的通信资源，数据的传输效率更高
• 分组交换实质上采用了在数据通信过程中断续分配传输带宽的策略，使得通信线路的利用率大大提高了
• 为了提高分组交换网的可靠性，核心部分常采用网状拓扑结构，当发生网络拥塞或少数结点链路故障时，路由器可以选择其它线路转发分组
• 分组交换的缺点：
  • 时延：存储转发时的排队、处理等操作会造成一定的时延，而且无法保证端到端的带宽
  • 额外开销：各分组的首部携带的必要控制信息也造成了额外的开销（overhead）

三种交换的对比

• 电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传输
• 报文交换：整个报文先到达相邻结点，全部存储后转发到下一个结点
• 分组交换：单个分组传送到响铃结点，存储后查找转发表，转发到下一个结点

• 总结：
  • 若要连续传送大量的数据，且传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率块
  • 若要传输突发数据，报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，提高了整个网络的信道利用率
  • 分组交换时，分组长度小于整个报文长度，因此分组交换比报文交换时延小，同时也具有更好的灵活性

计算机网络在我国的发展

• 1980年，铁道部开始进行计算机联网实验
• 1989年11月，我国第一个共用分组交换网CNPAC建成运行
• 80年代后期，公安、银行、军队等部分相继建立了各自的专用计算机广域网
• 80年代起，许多单位相继安装了大量的局域网
• 1994年4月20日，我国用64Kbit/s专线正式接入互联网
• 1994年5月，中科院高能物理研究所设立了我国的第一个万维网服务器
• 1994年9月，中国共用计算机互联网CHINANET正式启动
• 目前最大的共用计算机网络：
  • 中国电信互联网：CHINANET
  • 中国联通互联网：UNINET
  • 中国移动互联网：CMNET
  • 中国教育和科研计算机网：CERNET
  • 中国科学技术网：CSTNET

计算机网络的类别

计算机网络的定义

计算机网络，主要是由一些通用的、可编程的硬件互联而成的，这些硬件并非专门用来实现某一个特定目的（如视频传输），而是能用来传输多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用

几种不同类别的计算机网络

按照网络作用范围分类

• 广域网WAN（Wide Area Network）：
  • 作用范围通常为几十到几千公里，是互联网的核心部分
  • 任务是通过长距离传输数据，一般使用高速链路，具有较大的通信容量
• 城域网MAN（Metropolitan Area Network）：
  • 作用范围一般是一个城市，作用距离5-50km
• 局域网LAN（Local Area Network）：
  • 一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路连接（10Mbit/s以上）
  • 地理位置局限在较小的范围
• 个人区域网PAN（Personal Area Network）：
  • 在个人工作的地方把个人使用的电子设备，用无线技术连接起来
  • 范围很小，10米左右

按照网络使用者分类

• 公用网（Public Network）：电信公司出资建造的大型网络
• 专用网（Private Network）：某个部门为满足本单位的特殊业务需求而建造的网络，不向外人提供服务

用来把用户接入到互联网的网络

接入网AN（Access Network），又称为本地接入网或居民接入网，是一种特殊的计算机网络

• 既不属于互联网核心部分，也不属于边缘部分
• 接入网是从某个用户端到互联网中的一个路由器之间的一种网络
• 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

性能指标从不同的方面来度量计算机网络的性能

速率

网络中速率指的是数据的传输速率，也称为数据率或比特率，单位是bit/s

当提到网络速率时，往往说的是额定速率或标称速率，而不是实际速率

带宽

带宽（bandwidth）：

• 原本含义：某个信号具有的频带宽度，指该信号所包含的各种不同频率成分所占的频率范围，单位是HZ
• 计算机网络中：表示某个通道传输数据的能力，网络带宽表示在单位时间内网络中某个信道所能传输的数据量，单位是bit/s

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

• 通常用于对网络速率的实际测量
• 吞吐量受网络带宽或者额定速率的限制
• 单位bit/s或Mbit/s

时延

时延是指数据从网络的一端，传送至另一端所需的时间

时延有以下部分组成：

• 发送时延（transmission deley）：是主机或路由器发送数据帧所需要的时间
  • 计算公式：发送时延 = 数据长度(bit) / 发送速率(bit/s)
  • 发送时延与数据帧长度有关
• 传播时延（propagation delay）：是电磁波在信道中传播一定距离需要的时间
  • 计算公式：传播时延 = 信道长度(m) / 传播速率(m/s)
  • 传播时间与传输介质的材料、长度有关
• 处理时延：主机或路由器在收到分组时需要花费一定的时间进行处理，例如分析头部、提取数据、差分校验、查找路由等
• 排队时延：分组在经过网络传输时，要经过多个路由器，排队等待处理产生的时延
  • 分组进入路由器后要在输入队列中排队等待处理，路由器确定转发接口后，还要在输出队列排队
  • 排灯时延取决于网络当前通信量，当通信量特别大时，会出现分组丢失，导致排队时延无限大

时延带宽积

传播时延 * 带宽

往返时间RTT

往返时间RTT（Round-Trip Time）：表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后便立即发送确认），总共经历的时延

利用率

• 信道利用率：某个信道在一段时间内，有数据通过的时间占比，完全空闲的信道利用率为0
• 网络利用率：全网络信道利用率的加权平均值

信道或网络的利用率过高会产生非常大时延

计算机网络的非性能特征

• 费用：网速越高，价格越贵
• 质量：网络的质量影响到很多方面，如网络的可靠性、管理的简易性等
• 标准化：网络的软硬件设计最好遵循国际标准
• 可靠性：可靠性与网络的质量和性能有密切关系
• 可拓展性和可升级性：在构造网络时就应当考虑到今后可能会扩展和升级，网络的性能越高，拓展费用和难度越大
• 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，为了设计这样复杂的计算机网络，ARPANET提出了分层思想，将庞大复杂的问题，转化为若干较小的局部问题。

• 1983年形成了开放系统互连基本参考模型OSI/RM（Open System Interconnection Refence Model）的正式标准
• 90年代初期，TCP/IP的互联网已经在全球相当大的范围成功运行了，而很少有符合OSI标准的商业产品，因此OSI失败了
• TCP/IP成为事实上的国际标准

协议的划分层次

为网络中的数据交换而建立的规则、标准、约定称为网络协议（Network Protocol），主要有三个要素组成

• 语法：数据和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：某一层并不知道下一层如何实现，只知道如何调用接口
• 灵活性好：当任何一层发生变化时，只要接口不变，其它层不受影响
• 结构上可分割：各层都可以采用最合适的技术来实现
• 易于实现和维护：整个系统被分为若干个相对独立的子系统，方便处理
• 能促进标准化工作：因为每一层的功能及其提供的服务已经有了明确的定义

通常各层要完成的功能主要有：

• 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠
• 流量控制：发送速率必须使接收端来得及接收
• 分段和重装：发送时分段，接收时重装
• 复用和分用：发送端的高层会话会复用一条底层的连接，在接收端进行分用
• 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

计算为网络的各层协议及其协议的集合，就是网络的体系结构，体系结构是抽象的，而实现是具体的，是真正运行的计算机软硬件

具有五层协议的体系结构

• OSI有七层协议体系结构，TCP/IP只有四层

• 学习计算机网络时，综合了OSI和TCP/IP的优点，采用五层协议的体系结构

应用层 application layer

• 任务是通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用，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使用不同的协议，如域名系统DNS、万维网HTTP、电子邮件SMTP
• 应用层交互的数据单元称为报文

运输层 transport layer

• 任务是负责向两台主机中的进程之间的通信提供通用的数据传输服务，运输层不准对特定应用
• 不同的应用均可利用运输层的服务传送报文
• 由于一台主机有多个进程，因此运输层有复用和分用的功能
• 运输层主要使用两种协议：
  • 传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）：提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段（segment）
  • 用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）：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），其数据传输的单位是用户数据报

网络层 network layer

• 任务一：负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务
• 任务二：选择合适的路由，使运输层传下来的分组，能够通过路由器找到目的主机
• 在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据段封装成分组或包进行传送，由于网络层使用IP协议，因此分组也成为IP数据报
• 互联网是由大量的异构（heterogeneous）网络通过路由器（router）相互连接起来的，互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP（Internet Procotol）和许多路由选择协议，因此网络层也叫网际层或IP层

数据链路层 data link layer

• 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数据报组装成帧，在两个相邻结点的链路上传送帧，每一帧包含数据和必要的控制信息（同步、地址、差错控制等）
• 数据链路层在收到一个帧后，提取出数据部分，上交给网络层
• 如果接收端检测到有差错，则直接丢弃这个帧

物理层 physical layer

• 物理层上所传输的数据单位是比特
• 物理层要考虑0和1如何用电压表示，接收方如何识别
• 物理层还要考虑插头的引脚数，各引脚如何连接

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， 在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块
• 协议：是控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合
• 服务访问点SAP（service access point）：服务访问点SAP实际上就是一个逻辑接口