计算机网络理论

研究计算机网络在规划、设计、实施、测试、运行、应用、维护、管理等过程中的典型性问题及其解决方法的理论。它是一门综合性应用科学，除直接利用通信理论 与技术、计算机科学与技术之外，还涉及逻辑学、运筹学、统计学、模型论、图论、信息论、控制论、仿真模拟、人工智能、认知科学、神经网络等多种学科。鉴于 计算机网络规模巨大、联系面广、涉及因素多，通常要划分成各种特定问题，突出主要因素、忽略或弱化次要因素，并进行概括、抽象，建立典型化模型来加以研 究。

计算机网络优化设计  组建计算机网络时，首先要解决的具体问题和理论问题。目的是在满足应用需求和客观约束条件下，以最少的投入 （包括人力 、物力、财力、时间等)，设计、建造一个安全、可靠 、有效、运行良好 、适应性强、易管理、易维护、易改造、易扩充的计算机网络，并预计回答资金回收期限以及可能获得的最大的社会效益和经济效益等问题。优化设计分为 3个阶段 ：① 需求分析与规划阶段。应对需求和环境进行调查 ，收集 、整理必要的资料与数据，包括应用目的、信息格式、通信量、响应时间、差错率、可靠性要求、选用的标准，以及现有设备、用户分布、地理环境、自然条件 、气象特征、外界影响等 ，目的是明确需求、找出关键环节、规划项目的总体轮廓。②网络总体设计阶段。在调查分析的基础上，应根据应用需求，确定网络的总体框架和重要的网络参数， 必须对一些重要的关键问题做出抉择，如选用何种拓扑结构，设备的选型、安置和连接方法，通信介质的选择、线路布局和容量分配，通信规程以及路由、流量和差 错控制技术，网络业务的种类、服务质量及高层协议的选择等。③设计方案评测阶段。根据评测目标，建立各种数学模型（如预测模型、优化模型、性能评价模型 等），以便对网络的性能、费用、工期时限、效益概算、资金回收期限等进行分析与评价，给出技术与经济可行性结论。如果结论达不到预计要求，应视情况，部分 或全部进行重新网络优化设计。

网络体系结构研究  计算机网络体系结构是一组用于规划、设计、组建计算机网络所需遵循的原则和依据，包括 层次结构、功能划分、协议规范、过程描述等内容。对计算机网络发展最有影响的网络体系结构是国际标准化组织（ISO）建议的开放系统互连（OSI）参考模 型 。它是通过体系模型、服务定义和协议规范3 个抽象级别，逐步深入、逐步细化加以制定和描述的。体系结构模型是OSI 最高级别的抽象，它从功能和概念级上建造了一个抽象的、具有层次结构的体系模型，刻画了开放系统的整体性能 、结构要素 、行为特征、层次关系 、数据格式等内容 。OSI 体系结构模型由应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层和物理层等7层组成。服务定义是OSI低一级别的抽象，它更详细地定义每层提供的服 务，规定各层的外特性和层间抽象接口，但不涉及是否实现和如何实现的细节。协议规范是 OSI最低级别的抽象，它精确地定义某层实体为了协同工作和交互活动所需传送控制信息的语义和语法，以及采用什么样的规程去分析、解释和加工它们。体系结 构模型进一步发展趋向是研究、制定网络应用体系结构模型，目的是为网络用户创造良好的运行环境和开发环境。例如，一些网络专家在 OSI模型的基础上，提出开放应用体系结构（OAA）模型的设想。OAA由操作环境和开发维护环境两部分组成。

路径选择、流量控制和拥挤 控制  早期计算机领域中几个热门研究课题，成果多、文献量大。路径选择的主要目的是在网络中选择最佳路径 ，将源站点发送的报文信息高速、有效地传送到目的站点，其侧重点是提高网络服务质量、减少延迟时间、降低传输费用。衡量路径选择算法好坏的标准包括：①报 文信息以最短的时间、最短的路径或最少的费用，传送到目的地。②算法简单、易于实现、适应性强（能适应网络故障和结构变化所带来的影响）。③不过重增加网 络和结点的开销（包括处理机时间、存储容量 、信息传输量等)。④有助于改善网络性能、保持稳定的吞吐率、降低平均传输延迟时间、均衡网络负载等。典型路径选择算法有扩散式路径选择、随机式路径选 择、固定路径选择、自适应路径选择等。

流量控制和拥挤控制的目的是控制网络和各条通信线路上的信息流通量，保持网络处于稳定的工作状态， 以便提高网络吞吐率、减少平均延迟时间，其侧重点是改善网络工作效率和资源利用率，防止拥塞和死锁现象发生。流量控制可分为相邻结点间流控、源结点与目的 结点间流控、主机与结点间流控、主机与主机间流控四种类型。常用的控制方法有限定传输速率、拒收重传、暂停发送、限定接收发送窗口大小、预约缓冲区等。用 于拥挤控制的方法有预约缓冲区、限制管道流量、入网许可证、反向抑制等。

另外，差错控制也是网络设计中的重要研究课题，其目的是根据应用 要求、线路质量、设备性能和外界环境等因素，选择适当的控制机制和方法，查出并纠正信息传输中的差错，将其减少到允许程度之内。计算机网络中，通常采用两 种基本策略来处理信息传输中的差错：①使用纠错码。即在要发送的信息报文中附加上足够多的冗余信息，使接收方不仅能够查出、而且能够纠正信息报文中的差 错。因信息冗余量过大，且控制复杂，通常用于单向传输场合，或用作辅助措施。②使用检错码。即在要发送的信息报文中附加一定的冗余信息，使接收方能够查出 信息报文中的差错（但不知什么样的差错），并通知发送方重传原来的信息报文。通信规程和网络协议通常采用这种方法。

协议工程   计算机网络领域中最活跃的研究课题之一 ，目的是把软件工程的原理和方法用于计算机网络协议的描述、实现和验证工作 。协议工程的主要研究内容包括3 个方面：①协议形式化描述及其形式化描述语言。②协议软件的自动生成技术及其开发维护工具。③协议一致性测试技术及其测试工具 。协议工程的研究有助于加深理解计算机网络协议，有助于提高协议软件的生产效率，有助于改善网络协议软件的维护管理水平。但是，协议工程与软件工程相比， 无论在研究、开发、应用的深度和广度上说，均有距离，尚有广阔的开拓、发展前景。