计算机网络——概述（总）

一、概要

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1、说明

本文是对前面两篇上下概述的总结，内容基于谢希仁编著的第八版《计算机网络》一书所总结概括。

2、内容概述

(1) 互联网边缘部分和核心部分的作用，其中包含分组交换的概念。

(2) 计算机网络的性能指标。

(3) 计算机网络分层次的体系结构，包含协议和服务的概念。

二、内容

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1、计算机网络在信息时代的作用

(1) 互联网

互联网是覆盖全球的网络，局部范围互连起来的计算机网络只能叫做互连网。

(2) 互联网的两个重要基本特点

• 连通性：不管距离多远，都可以便捷、经济地交换各种信息。

• 共享：即资源共享，可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。

2、互联网概述

(1) 网络的网络

• 计算机网络基本定义

计算机网络（简称为网络）由若干节点和连接这些节点的链路组成。多个网络通过一些路由器连接起来构成的一个更大的计算机网络就叫互连网。所以互连网是“网络的网络”。

• 网络中的一些概念解释

网络把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络通过一些路由器连接在一起。与网络相连的计算机通常叫主机。

(2) 互联网基础结构发展的三个阶段

• 第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互连网发展的过程。

以小写字母i开头的internet（互连网）是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。

以大写字母I开头的Internet（互联网，或因特网）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互连网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，前身是美国的ARPANET。

• 第二阶级的特点是建成了三级结构的互联网。

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）。

• 第三阶段的特点是逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网。

这样就出现了一个新的名词：互联网服务提供者ISP（互联网服务提供商）。再之后，为了更快地转发分组，以及更加有效和更加经济地利用网络资源，就出现了IXP（互联网交换点）。

(3) 互联网的标准化工作

国际性互联网组织：互联网协会（ISOC）[W-ISOC]

• 部门及分工

互联网工程部IETF：由许多的工作组组成的论坛，具体的工作由互联网工程指导小组IESG来管理。主要针对协议的开发和标准化。

互联网研究部lRTF：由一些研究组组成的论坛，具体工作由互联网研究指导小组IRSG管理。主要是研究一些需要长期考虑的问题，包括互联网的一些协议、应用、体系结构等。

• 协议标准制定过程

① 互联网草案（此时还不是RFC文档）

② 建议标准（此时就是RFC文档）

③ 互联网标准（有专门的编号，一个协议可以与多个RFC文档关联）

3、互联网的组成

① 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。

② 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）。

(1) 互联网的边缘部分

• 计算机之间通信

主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信。

• 客户-服务器方式

客户向服务器请求服务，服务器向客户提供服务。

• 对等连接方式（P2P)

不区分服务请求和服务提供方的对等通信。

(2) 互联网的核心部分

在网络核心部分起特殊作用的是路由器。路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组。

• 数据传输方式

① 电路交换

交换：就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

传输过程：建立连接（占用通信资源）→ 通话(一直占用通信资源）→ 释放连接（归还通信资源）。

主要（重要）特点：在通话的全部时间内通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

注：当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的，线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%，已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的。

② 分组交换

技术支持：基于存储转发原理。

主要特点：通常把要发送的整块数据称为一个报文，每个报文又分成一个个的更小的等长数据段，每个数据段前面都有一个带有必要的控制信息组成的首部，然后就是数据，加起来就构成了一个分组（包）。

分组交换的优点：高效（在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用）；灵活（为每一个分组独立地选择最合适的转发路由）；迅速（以分组作为传送单位，不先建立连接就能向其他主机发送分组）；可靠（保证可靠性的网络协议：分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性）。

分组交换的问题：路由器转发时需要排队，会造成一定的时延；携带控制信息的首部也造成了一定的开销。

另一种基于存储转发原理的数据传输方式：报文交换。

③ 三种交换方式在数据传送阶段的主要特点

电路交换——整个报文的比特流连续地从源点直达终点，就像在一个管道中传送。报文交换——整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。分组交换——单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。

注：分组交换是现在用得最多的一种转发方式。若要连续传送大量的数据，且传送时间远大于连接建立的时间，则电路交换的传输速率较快。报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远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，同时也是有更好的灵活性。

4、计算机网络的类别

(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送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

(2) 几种不同类别的计算机网络

• 按照网络的作用范围进行分类

① 广域网 WAN : 作用范围通常为几十到几千公里，又叫远程网，是互联网的核心部分。

② 城域网 MAN : 作用范围一般是一个城市5 ~ 50 km。

③ 局域网LAN : 局域网的速率通常在10Mbit/s，范围较小（1km左右），一般用做校园网或企业网。

④ 个人区域网 PAN : 个人使用电子设备用无线技术连接起来的网络，通常叫无线个人区域网 WPAN 范围很小在10米左右。

• 按照网络的使用者进行分类

① 公用网：指电信公司（国有或私有）出资建造的大型网络。

② 专用网：指某个部门为满足本单位的特殊业务工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 ，又叫本地接入网或居民接入网。

5、计算机网络的性能

(1) 计算机网络的性能指标

• 速率

① 比特

“二进制数字”，一个比特就二进制数字中的一个 1 或者 0。它也是信息论中信息量的单位。

② 速率

数据的传送速率（数据率或比特率）；一般说网络速率的时候，说的都是额定速率或标称速率，并非网络上实际运行的速率。

• 带宽

① 原有定义

某个信号具有的频带宽度，单位是赫兹（HZ）。

② 在计算机网络中定义

表示某通道传送数据的能力，所以带宽就是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，比特每秒。

③ 原有定义也就是前者，是频域称谓，后者是时域称谓，二者本质上是一样的。

• 吞吐量

单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。

• 时延

① 定义

是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，也叫延迟或迟延。

② 时延组成

发送时延（传输时延）：是主机或路由器发送数据帧所需要的时间（就像汽车上高速路时，过收费站一样，过完收费站就发送上路），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。

发送时延的计算公式：发送时延 = 数据帧长度/发送速率

传播时延：是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

传播时延的计算公式：传播时延 = 信道长度/电磁波在信道上的传播速率

注：电磁波在自由空间的传播速率是光速（3.0 x 10^5 km/s），在铜线缆中的传播速率为2.3x10^5km/s。

处理时延：主机或路由器在收到多组时要花费一定时间进行处理。

排队时延：分组进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。

③ 总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

注：对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率（只是减少了数据的发送时延）而不是比特在链路上的传播速率（后者只取决于通信线路的介质材料）。

• 时延带宽积

时延带宽积=传播时延 x 带宽

• 往返时间RTT

一方发送数据到另一方，另一方发送确认，这整个该程来回就是一个RTT（往返时延）。

• 利用率

信道利用率或者网络利用率过高就会产生非常大的时延。

(2) 计算机的非性能特征

• 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

6、计算机网络体系结构

(1) 计算机网络体系结构组成

• 系统网络体系结构SNA

• 开放系统互连基本参考模型OSI/RM

• OSI是法律上的国际标准，TCP/IP是事实上的国际标准

(2) 协议与划分层次

• 协议（网络协议）的三要素

① 语法：即数据与控制信息的结构或格式；

② 语义：即需要发出向种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；

③ 同步：即事件实现顺序的详细说明；

• 网络协议分层次的好处

① 各层之间独立；

② 灵活性好；

③ 结构上可分割开；

④ 易于实现和维护；

⑤ 能促进标准化工作；

• 网络协议各层主要完成的功能

① 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠；

② 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；

③ 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；

④ 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；

⑤ 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连接；

• 体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合。

• 计算机网络的体系结构：这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义。

注：体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

(3) 具有五层协议的体系结构

• 应用层（最高层）

① 任务：通过应用进程（主机中正在运行的程序）间的交互来完成特定网络应用。

② 协议：应用层协议定义的是应用进程间通信和交互（交互的数据单元叫报文）的规则。

• 运输层

① 为两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。

② 运输层主要使用的协议

传输控制协议TCP(提供面向连接的、可靠的数据传输服务，数据传输单位是报文段);

用户数据报协议UDP(提供无连接的尽最大努力的数据传输服务，不保证数据可靠性，数据传输单位是用户数据报）；

• 网络层

① 任务：为分组交换网上的不同主机提供通信服务（网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。）；

② 使用协议：IP协议（因为使用的是IP协议，所以分组又叫IP数据报或数据报。）；

③ 因为互联网是由大量的异构的网络通过路由器相互连接起来的，而且其使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和许多种路由选择协议，因此互联网的网络层也叫作网际层或IP层。

• 数据链路层（链路层）

任务：将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧（每一帧中包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等））。

• 物理层

物理层上所传数据的单位是比特，使用的是像双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等来传输数据。

注：互联网使用的是整个TCP/IP协议族，并不单指TCP和IP这两个具体的协议（这两个协议是最重要和最著名的）。

• 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。

(4) 实体、协议、服务和服务访问点

• 名词解释

① 实体

任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

② 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。

③ 服务原语

上层使用下层所提供的服务必须通过与一下层交换的一些命令。

④ 服务数据单元SDU

OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU，与PDU不一样，可以是多个SDU合成一个PDU，也可以是一个SDU划分为几个PDU。

• 工作过程

① 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，还需要使用下面一层所提供的服务）。

② 使用本层服务的实体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实体是透明的）。

注：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），并非在一个层内完成的全部功能都称为服务，只有那些能够被高一层实体“看得见”的功能才称之为“服务”。

(5) TCP/IP的体系结构

• 结构分层

TCP/IP体系结构比较简单只有四层：应用层、运输层、网际层、链路层（网络接口层）。

• 说明（注释）

现在有些时候使用的TCP/IP体系结构已经变成了某些应用程序已经可以直接使用IP层或者最下面的链路层（网络接口层）了。