【计算机网络】知识梳理（一）概述

1.1计算机网络在信息时代的作用

互联网的两个重要基本特点：连通性和共享

共享就是资源共享。

1.2互联网概述

1.2.1网络的网络

计算机网络（简称为网络）由若干个 节点 和 链路组成。

网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络通过路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。

1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

1、单个分组交换网络 ARPANET 诞生，军用，1983年 TCP / IP 协议称为 ARPANET 的标准协议
2、建成了 三级结构的互联网 ，分为主干网、地区网和校园网（或企业网），主要面向全美主要的大学和研究所。后来许多商业公司也开始使用互联网。互联网也从美国国营转为私人运营。
3、逐渐形成了 多层次ISP结构的互联网。由互联网服务提供者( Internet Service Provider )来负责运营互联网的运营。如中国电信、中国联通和中国移动。

ISP：互联网服务提供者。三层ISP结构分为主干ISP，地区ISP，本地ISP。本地ISP给用户提供最直接的服务，本地ISP可以连接到地区ISP，也可以连接到主干ISP。从原理上讲。只要每一个本地ISP都安装了路由器连接到某个地区ISP，而每一个地区ISP也有路由器连接到主干ISP，那么在这些相互连接的ISP的共同作用下，就可以完成互联网中的所有的分组转发任务。

IXP：互联网交换点(IXP)：为了更快地转发分组，IXP允许两个网络直接连接并交换分组，而不需要通过第三个网络来转发分组。

1.2.3互联网的标准化工作

制定互联网的正式标准的三个阶段：

（1）互联网草案

（2）建议标准、

（3）互联网标准

1.3互联网的组成

1.3.1互联网的边缘部分

●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。

端系统之间的通信方式通常可划分为两大类:
客户-服务器方式(C/S方式)即Client/Server方式，简称为C/S方式。

客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务。

对等方式(P2P方式)即Peer- to- Peer方式，简称为P2P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。

特点:每一个主机既是客户又是服务器。
 

1.3.2互联网的核心部分

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)。

在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。
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。

典型交换技术包括:
1.电路交换
2.分组交换
3.报文交换等。
互联网的核心部分采用了分组交换技术。

电路交换特点：电路交换必定是面向连接的。缺点：通信线路的利用率低。
电路交换分为三个阶段:
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.通信:主叫和被叫双方就能互相通电话;
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)。

分组交换的主要特点：
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。

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。

路由器
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。

主机和路由器的作用不同
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。
分组交换的缺点：
1.分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成- -定的时延。
2.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。

 

 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。

1.4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，我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。
●1994年4月20日，我国用64 kbit/s专线正式连入互联网，我
国被国际|正式承认为接入互联网的国家。
●1994年5月，中国科学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，中国公用计算机互联网CHINANET正式启动。

●到目前为止，我国陆续建造了基于互联网技术的并能够和互联网互连的多个
全国范围的公用计算机网络，其中规模最大的就是下面这五个:
1.中国电信互联网CHINANET (也就是原来的中国公用计算机互联网)
2.中国联通互联网UNINET
3.中国移动互联网CMNET
4.中国教育和科研计算机网CERNET
5.中国科学技术网CSTNET

1.5计算机网络的类别：

1.5.1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多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。（较好的一种定义，目前还没有明确的定义）根据这个定义:
●计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智
能手机等。
●计算机网络并非专[ J用来传送数据，而是能够支持很多种的应用
(包括今后可能出现的各种应用)。
请注意，上述的“可编程的硬件”表明这种硬件一定包含有中央
处理机(CPU)。

1.5.2几种不同类别的网络

计算机网络有多种类别。典型包括:
●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] C作的需要而建造的网络。

●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-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。

1.6计算机网络的性能

1.6.1计算机性能指标

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 x 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，-条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的"最高数据率”也越高。

吞吐率

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(- 个报文或分组，甚至比特)
从网络(或链路)的-端传送到另- -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:
①发送时延

②传播时延

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。

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

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。

 

1.6.2 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
 

1.7计算机网络的体系结构

1.7.1计算机网络体系结构的形成

为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO
于1977年成立了专门机构研究该问题。
他们提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架,
即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM (Open Systems
Interconnection Reference Model).简称为OSI。
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。OSI只获得了一些理论研究的成果，在市场化方面却失败了。原因包括:
1. OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力;
2. OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低;
3. 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;
4. OSI的层次划分也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

法律上的(de jure)国际标准OSI并没有得到市场的认可。
非国际标准TCP/IP却获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的(de facto)国际标准。
 

1.7.2协议与划分层次

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。

两种形式：一种是使用便于人来阅读和理解的文字描述。
另一种是使用让计算机能够理解的程序代码。
这两种不同形式的协议都必须能够对网络.上信息交换过程做出精确的解释。

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-条逻辑连接， 数据传送结束后释放连接。

1.7.3具有五层协议的体系结构

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 (Protocol Data Unit)。这个名词现已被许多非OSI标准采用。
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。
 

1.7.4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。

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。

1.7.5TCP/IP的体系结构

 

 另一种：

沙漏计时器形状的TCP/IP