第一章 互联网基本介绍

第一章 互联网基本介绍

目录

• 第一章 互联网基本介绍
  • 互联网在信息时代的作用
  • 互联网概述
  • 互联网的组成
  • 计算机网络在我国的发展
  • 计算机网络的类别
  • 计算机网络的性能指标
  • 计算机网络体系结构

互联网在信息时代的作用

常见的三大网络：电信网络（电话），有线网络（电视），计算机网络

互联网 $\ne$ 互连网

互连网：局部范围内连起来的计算机

互联网的组成：应用和服务，工作原理（互联结构，交换技术，网络协议）

互联网的两个重要特点（作用）：

• 连通性：用户之间可以便捷快速的交换信息
• 资源共享：用户之间可以实现软件共享，硬件共享，信息共享

互联网 + ：把互联网的创新成果深度融合于社会的各行各业

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互联网概述

网络的网络

计算机网络：由若干节点和链接这些节点的链路组成（除了节点都是链路）

互连网：多个网络连接起来

互联网：覆盖全球，具有连通性和资源共享性的计算机网络

互联网发展的三个阶段：

• 1969 - 1990：ARPANET（美国），从单个分组交换网到互连网
  • 1983：TCP/IP 协议成为标准协议（互联网的诞生时间）
  • 1990：ARPANET 关闭
• 1985 - 1993：国家科学基金网 NSFNET（三级结构：主干网，地区网，校园网）
• 1993 - 现在：互联网服务提供者（ISP），多层次 ISP 结构：主干 ISP，地区 ISP，本地 ISP

互联网交换点 IXP：允许两个网络直接相连并快速交换

内容提供者：在互联网上提供内容的公司

万维网 www （World Wide Web）：由欧洲原子核研究组织 CERN 开发

互联网的标准化：1983年 TCP/IP 协议

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互联网的组成

从工作方式上看：

• 边缘部分（端系统）：由连接在互联网上的主机组成，由用户直接使用，不负责信息转发，只负责信息提供
  计算机之间的通信：主机 A 的某个进程和主机 B 的另一个进程通信
• 核心部分：负责信息交换的部分

端系统之间的两种通信方式：

• 客户 - 服务器方式（C/S 方式）：进程之间服务和被服务的关系，客户机是主动请求方，服务器是被动提供方
• 对等连接方式（P2P 方式）：两台主机不区分服务请求方和服务提供方，可以看成 C/S 方式中的双方即是客户也是服务器

互联网的核心部分

提供联通性，起特殊作用的是路由器

路由器是实现分组交换的关键部件，其任务是转发收到的分组，分组转发是网络核心部分最重要的功能

交换：转接，在不同线路之间动态分配传输资源

三种交换方式：电路交换，报文交换（占用一段，释放一段），分组交换

电路交换的三个阶段：建立连接 $\to$ 通话 $\to$ 释放连接

电路交换特点：两个通信用户始终占据端到端的全部通信资源

计算机数据具有突发性，导致在传送数据时通信线路的利用率很低

分组交换的特点：采用存储转发技术

• 在发送端先把较长的报文划分成更小的等长数据段
• 数据段前面添加由协议确定的首部（head）构成了分组（packet）
• 中途节点接收到分组后先存储首部查看信息，然后转发分组到下一个节点
• 接收方收到分组后去除首部就是数据
• 路由器负责转发分组和创建及动态维护转发表
• 每一个分组都是独立选择传输路径的，由路由器决定

分组交换的优点

• 高效：动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用
• 灵活：为每一个分组独立选择传输线路
• 迅速：以分组为单位，可以不建立连接就向其他主机发送分组
• 可靠：保证可靠的网络协议

分组交换的局限

• 排队延迟：分组在各路由器转发时需要排队
• 不保证带宽：动态分配
• 增加开销：各分组必须携带首部，路由器要暂存分组和维护转发表

计算机网络在我国的发展

1994 中国公用互联网 CHINANET 正式启用

2004 第一个下一代互联网 CNGI 的主干网 CERNET2 开通

互联网的快速发展时代：2000 年前后（搜索引擎，聊天软件，网上贸易，第三方支付...）

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计算机网络的类别

计算机网络的精确定义并未统一

较好的定义：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（例如传输视频），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

计算机网络的分类

按照网络的作用范围分类

• 广域网 WAN：几十到几千公里，也成为远程网，是互联网的核心部分
• 城域网 MAN：5 - 50 公里，一般为一个城市
• 局域网 LAN：1 公里左右，采用高速通信线路
• 个人区域网 PAN：10 米左右

覆盖范围不同，功能不同，使用的通信链路和网络协议也不同

按照网络的传输技术分类

• 广播网络：一对多，每个数据包都会发送给所有机器，接收方接收，其余忽略
• 点到点网络：一对一，中途可能经过其他机器

按照网络的使用者分类

• 公用网：缴纳费用就可以用
• 专用网：为特殊业务工作而建立

按照网络的位置分类

• 接入网：用来把用户接入到互联网的网络，既不是边缘部分也不是核心部分，是从某个用户端系统到本地 ISP 的第一个路由器
• 核心网：用于传输数据，不面向用户的网络，由路由器互连组成

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计算机网络的性能指标

重要性能指标

• 速率 speed 物理概念
  • 数据的传输速率，指一段时间内网络信道能通过的最大数据量，一般由材料性质决定
  • 往往指额定速率或标称速率，而非实际速率
  • 单位：bit/s, kbit/s, Mbit/s, Gbit/s
  • 注意：速率单位之间换算相差 1000 倍
• 带宽 bandwidth 逻辑概念
  • 频域
    • 某个信道具有的频带宽度
    • 单位：赫
    • 某信道允许通过的信号频带范围称为带宽
  • 时域
    • 网络中某通道传送数据的能力，最高数据率
    • 单位：bit/s
• 吞吐量 throughput
  • 单位时间内通过某个网络的实际数据量
  • 受到网络带宽或网络额定速率限制
    • 额定速率是绝对上限值
    • 可能会远小于额定速率，甚至为 0
• 时延 delay/latency
  • 指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间
  • 包括：发送时延，传播时延，处理时延，排队时延
  • 发送时延：从发送数据帧的第一个比特到该帧最后一个比特发送完毕的时间，发送时延 = 数据帧长度 / 发送速率
  • 传播时延：电磁波在信道中传播所花的时间，传播时延 = 信道长度 / 传播速率
  • 处理时延：主机或路由器在收到分组时，为处理分组（如分析首部，查找路由，提取数据等）所花的时间
  • 排队时延：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理和转发所经历的时延
  • 哪一种时延占主导地位需要具体问题具体分析
• 时延带宽积
  • 时延带宽积 = 传播时延 x 带宽，即按比特计数的链路长度
• 往返时间 RTT
  • 表示从发送方发送完数据到发送方收到来自确认方总共经历的时间
  • 有效数据率 = 数据长度 / (发送时间 + RTT)
• 利用率
  • 信道利用率：指某信道有百分之几的时间是被利用的
  • 网络利用率：指全网络的信道利用率的加权平均值
  • 信道利用率不是越大越好，当信道利用率增大时时延也会增大
  • $D=\frac{D_0}{1-U}$，D0:空闲时延，D：当前时延，U：信道利用率

非性能特征：费用，质量，标准化，可靠性，可扩展性，可升级性，管理维护性...

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计算机网络体系结构

分层的设计方法：把复杂的通信问题划分成若干较小的局部问题

分层标准：抽象分层，统一标准，模块独立

ISO 提出的 OSI/RM 是互联网的抽象标准框架

1983年，形成了 ISO 7498 国际标准—— OSI 七层模型

网络的体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件应完成的功能的精确定义（不涉及实现）

网络协议：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

三个组成要素：

• 语法 syntax ：规定传输数据的格式 format
• 语义 semantics ：规定要完成的具体功能 meaning
• 同步 timing ：规定各种操作的顺序，又称为时序 sequencing

协议的两种表示形式：文字描述和程序代码

分层的原则：层次适度，功能确定，层次独立，层次关联，层次对等，层次协议，层次接口

分层后各层至少要完成的功能：差错控制，流量控制，分段和重装，复用和分用，连接建立和释放

TCP/IP 四层模型

• 应用层
• 运输层
• 互联网层
• 网络接口层
  • 数据链路层
  • 物理层

国际标准 OSI

• 应用层：完成特定网络应用，为用户提供服务
• 表示层
• 会话层
• 运输层：负责两台主机中进程之间的通信
• 网络层：为不同主机提供通信服务，实现路由选择和转发
• 数据链路层：实现两个相邻节点之间的可靠通信，传送单位为帧
• 物理层：把电信号转换成二进制位，实现比特的传输，传输介质在物理层之下

实体 peers ：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
协议 protocol ：控制两个对等实体进行通信的规则的集合
服务 service ：在协议的控制下，两个对等实体之间的通信使得本层能够向上一层提供服务
服务访问点 SAP（ 逻辑接口 interface ）：不同层实体之间的结构，传递服务原语

协议是水平的，服务是垂直的

在某一层发送的数据基本单位是协议数据单元 PDU(protocol data unit)，又称包 packet，包含一个包头 head

每一层实体处理的数据都是根据协议处理包头，包内部的数据是不能改变的，但是可以加密（添加新的包头），这个过程称为封装 encapsulation

物理层不需要封装，没有 PDU 的概念