计算机网络概述

目录

注：参考内容为《计算机网络》谢希仁 编著

一、计算机网络在信息时代中的作用

二、因特网概述

三、互联网基础结构发展的三个阶段

四、互联网的标准化工作

五、互联网的组成

5.1、互联网的边缘部分

5.1.1、客户-服务器方式

5.1.2、对等连接方式

 5.2、互联网的核心部分

六、计算机网络的类别

七、计算机网络的性能

7.1、速率

7.2、带宽 

 7.3、吞吐量

7.4、时延

7.4.1、发送时延

7.4.2、传播时延

7.4.3、处理时延

7.4.4、排队时延

7.4.5、四个时延产生的地方

7.4.6、总时延

7.5、时延带宽积

7.6、往返时间

7.7、利用率 

八、计算机网络的非性能特征 

九、计算机网络体系结构

十、具有五层协议的体系结构

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注：参考内容为《计算机网络》谢希仁 编著

参考视频：【计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）】 https://www.bilibili.com/video/BV1c4411d7jb/?share_source=copy_web&vd_source=2df562c1f8e21e792514a637f0aaa668 

一、计算机网络在信息时代中的作用

1、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。

2、网络化中的网络又可分为电信网络、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。 

        随着技术的发展，电信网络和有线电视网络都逐渐融入了现代计算机网络的技术，扩大了原有的服务范围，而计算机网络也能够向用户提供电话通信、视频通信以及传送视频节目的服务。从理论上讲，把上述三种网络融合成一种网络就能够提供所有的上述服务，这就是很早以前就提出来的“三网融合”。 

现有的Internet译名有两种：
（1）因特网
        这个译名是全国科学技术名词审定委员会推荐的。虽然因特网这个译名较为准确，但却长期未得到推广。本书的前几版都采用因特网这个译名。
（2）互联网
         这是目前流行最广的、事实上的标准译名。现在我国的各种报刊杂志、政府文件以及电视节目中都毫无例外地使用这个译名。Internet是由数量极大的各种计算机网络互连起来的。

       互联网之所以能够向用户提供许多服务，就是因为互联网具有两个重要基本特点，即连通性和共享。

1、连通性 (Connectivity)  使上网用户之间都可以交换信息（数据，以及各种音频视频），好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。  注意，互联网具有虚拟的特点，无法准确知道对方是谁，也无法知道对方的位置。 

2、共享 (Sharing)  指资源共享。  资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。  由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样，方便使用。

 二、因特网概述

1、计算机网络（简称为网络）由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。

2、网络之间还可以通过路由器互连起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。这样的网络称为互连网（internetwork或internet），因此互连网是“网络的网络”。

        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路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。 

三、互联网基础结构发展的三个阶段

1、第一阶段是从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。

• internet（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计算机网络。I
• 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，且其前身是美国的ARPANET。

互联网（Internet）	互连网（internet）
相似之处
网络的网络	网络的网络
不同之处
特指遵循 TCP/IP 标准、利用路由器将各种计算机网络互连起来而形成的、一个覆盖全球的、特定的互连网	泛指由多个不同类型计算机网络互连而成的网络
使用 TCP/IP	除 TCP/IP 外，还可以使用其他协议
是一个专用名词	是一个通用名词

        可见，任意把几个计算机网络互连起来（不管采用什么协议），并能够相互通信，这样构成的是一个互连网（internet），而不是互联网（Internet）。

2、第二阶段的特点是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 ）

3、第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。

        互联网服务提供者ISP（Internet Service Provider），又常译为互联网服务提供商。例如，中国电信、中国联通和中国移动等公司都是我国最有名的ISP。

        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也分为不同层次的ISP：主干ISP、地区ISP和本地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的共同合作下，就可以完成互联网中的所有的分组转发任务。但随着互联网上数据流量的急剧增长，人们开始研究如何更快地转发分组，以及如何更加有效地利用网络资源。于是，互联网交换点IXP（Internet eXchange Point）就应运而生了。

        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，而不需要再通过第三个网络来转发分组。

        例如，在图中右方的两个地区ISP通过一个IXP连接起来了。这样，主机A和主机B交换分组时，就不必再经过最上层的主干ISP，而是直接在两个地区ISP之间用高速链路对等地交换分组。

        这样就使互联网上的数据流量分布更加合理，同时也减少了分组转发的迟延时间，降低了分组转发的费用。

        现在许多IXP在进行对等交换分组时，都互相不收费。但本地ISP或地区ISP通过IXP向高层的IXP转发分组时，则需要交纳一定的费用。

        IXP的结构非常复杂。典型的IXP由一个或多个网络交换机组成，许多ISP再连接到这些网络交换机的相关端口上。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。
 

四、互联网的标准化工作

        1992年由于互联网不再归美国政府管辖，因此成立了一个国际性组织叫做互联网协会
（Internet Society，简称为ISOC）［W-ISOC］，以便对互联网进行全面管理以及在世界范围内促进其发展和使用。

        ISOC下面有一个技术组织叫做互联网体系结构委员会IAB（Internet Architecture Board），负责管理互联网有关协议的开发。

        IAB下面又设有两个工程部：

（1）互联网工程部IETF（Internet Engineering Task Force），IETF是由许多工作组WG（Working Group）组成的论坛（forum），具体工作由互联网工程指导小组 IESG（Internet Engineering Steering Group）管理。这些工作组划分为若干个领域（area），每个领域集中研究某一特定的短期和中期的工程问题，主要是针对协议的开发和标准化。

（2）互联网研究部IRTF（Internet Research Task Force），IRTF是由一些研究组RG（Research Group）组成的论坛，具体工作由互联网研究指导小组IRSG（Internet Research Steering Group）管理。IRTF的任务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。

五、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（传送数据、音频或视频）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）。
 

  

5.1、互联网的边缘部分

        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），“端”就是“末端”的意思（即互联网的末端）。 

端系统之间通信的含义：

•  “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”。简称为“计算机之间通信”。

        在网络边缘的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）和对等方式（P2P方式） 。

5.1.1、客户-服务器方式

• 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-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
• 客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
• 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。

1、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。 

2、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。

客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据。

5.1.2、对等连接方式

• 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。

 5.2、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（router），它是一种专用计算机（但不叫做主机）。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，这是网络核心部分最重要的功能。

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

1、电路交换特点：

•  电路交换必定是面向连接的。
• 电路交换分为三个阶段：
  • 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；
  • 通信：主叫和被叫双方就能互相通电话；
  • 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）。
• 计算机数据具有突发性。
• 这导致在传送计算机数据时，通信线路的利用率很低（用来传送数据的时间往往不到 10% 甚至不到 1% ）。

2、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。

 

• 分组交换的优点： 

优点	所采用的手段
高效	在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
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，可以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。

• 分组交换带来的问题：
  • 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
  • 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。

3、报文交换特点：

• 采用了基于存储转发原理。
• 整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

 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。

六、计算机网络的类别

关于计算机网络的较好的定义是这样的［PETE11］：

        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。

1、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。
• 新的理解：
  • 不单单从网络覆盖范围区分局域网和广域网
  • 应用了局域网技术
  • 应用了广域网技术
  • 局域网：自己购买设备，自己维护，带宽固定：100M、1000M，距离100米以内
  • 广域网：花钱买服务，花钱买带宽

2.、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) 为特殊业务工作的需要而建造的网络。
• 公用网和专用网都可以提供多种服务。如传送的是计算机数据，则分别是公用计算机网络和专用计算机网络。

3、 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）之间的一种网络。
• 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。

七、计算机网络的性能

•  速率
• 带宽
• 吞吐率
• 时延
• 时延带宽积
• 往返时间 RTT
• 利用率

7.1、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。
• 比特（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 10^10 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。   

 

7.2、带宽 

两种不同意义：

• “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，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。   

 7.3、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。  

  

7.4、时延

• 时延 (delay 或 latency) 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。
• 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：
  • 发送时延
  • 传播时延
  • 处理时延
  • 排队时延 

7.4.1、发送时延

• 也称为传输时延。
• 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的时间。 

  

7.4.2、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。
• 发送时延与传播时延有本质上的不同。
• 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。 
• 与传输信道的长度（或信号传送的距离）没有任何关系。
• 与信号的发送速率无关，信号传送的距离越远，传播时延就越大。

  

7.4.3、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。

7.4.4、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。

7.4.5、四个时延产生的地方

7.4.6、总时延

 

        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”。 

7.5、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。

7.6、往返时间

• 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。

7.7、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。

补充：丢包率 

八、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

九、计算机网络体系结构

• 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。

• 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。

网络协议的三个组成要素：

• 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。

ARPANET 的研制经验表明，对于非常复杂的计算机网络协议， 其结构应该是层次式的。 

1、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。 

2、缺点：

• 降低效率。
• 有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生了额外开销。

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：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。 

十、具有五层协议的体系结构

• OSI 的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。
• TCP/IP 是四层体系结构：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 。

示例：主机1向主机2发送数据 

 

• 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。 

• 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。 

服务访问点：

• 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。