计算机网络-第一章-概述

一、计算机网络的发展过程

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1.近50年通信技术的发展

• 数据传输信道的发展
  • 同轴电缆，双绞线，光纤，越洋海底电缆
  • 微波信道，短波信道无线通信，卫星通信
• 数据传输技术的发展
  • 基带传输，频带传输及调制技术，同步技术，多路复用技术
  • 数据交换技术，编码、加密、差错控制技术
• 20世纪80年代后
  • 电报 用户电报、智能电报
  • 电话 自动电话、程控电话、可视图文电话 、IP电话
  • 移动无线通信、多媒体技术、数字电视
    
    

2.计算机网络

• 计算机－计算机网络：将分散于各地的计算机用通信链路连接起来，使它们彼此之间能进行数据通信，交换数据，共享资源（互连的、自治的计算机集合，通信技术+计算机技术）
• 主要功能：数据通信、资源共享、分布式处理
  
  • 产生背景：世界上第一个分组交换网由美国国防部高级研究计划局 DARPA (Defense Advanced Research Project Agency)于1969年(冷战时期)建立，目的是建立一个用于军事作战指挥的网络系统
  • 原理：分组交换
    • 在发送方，将一个大的报文分割成很多小的分组，每个分组单独传输到接收方，再把它们组装成原来的报文
    • 目的：提高传输效率和减小延迟
  • 构成：IMP、HOST
    • IMP是ARPANET分组交换网中的节点交换机，一个节点交换机就是一个小型计算机
  • “存储－转发”方式的分组交换网
    • 每个节点：一个IMP，一台宿主机 (HOST)；宿主机报文被它的IMP截成一定长度的分组，送入网中
    • 中继IMP：将分组完整地接收下来，再为它选定一条合适的路径，传给下一个IMP
    • 目的IMP：将收到的分组组装成一个完整的报文，送给宿主机
• 变化：
  
  • 早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网
    • 各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源
  • 分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围
    • 用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源
• 发展的三个阶段
  • 萌芽
    
  • 发展
    
  • 繁荣
    
• 多级结构
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  • 
  • 
• 标准化工作
  
  
  
  
  

3.计算机网络的组成

• 从组成部分上看：一个完整的计算机网络主要由硬件、软件、协议三大部分组成。
  • 硬件：主机（端系统）、通信链路（如双绞线、光纤）、交换设备（如路由器、交换机等）和通信处理机（如网卡）等组成
  • 软件：多属于应用层，主包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件（如操作系统、邮件收发系统、FTP程序、聊天程序等）
  • 协议：计算机网络的核心，规定了网络传输数据时所遵循的规范
• 从功能组成上看：计算机网络由通信子网和资源子网组成
  • 通信子网：由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，实现联网计算机之间的数据通信
  • 资源子网：实现资源共享功能的设备及其软件的集合，提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源服务
• 从工作方式上看：计算机网络可分为边缘部分和核心部分
  
  
  • 边缘部分：由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成，用来进行通信（如传送数据、音频或视频）和资源共享
    • 处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(endsystem)
    • 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”，或简称为“计算机之间通信”
    • 两种通信方式：客户服务器方式（C/S 方式）和对等方式（P2P 方式）
  • 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提供连通性和交换服务
    • 核心功能：路由+转发，数据交换
    • 网络核心部分是因特网中最复杂的部分
    • 网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）
    • 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
      
      

二、计算机的分类

1.从网络交换功能进行分类

交换：在这里指转接————把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来；从通信资源的分配角度来看，就是按照某种方式动态分配传输线路的资源

• 电路交换
  • 必定是面向连接的
    
    • 建立连接
    • 通信
    • 释放连接
  • 特点：
    • 独占资源
    • 适合于语音通信：延迟短、独占性、宽带稳定
    • 计算机数据具有突发性
    • 导致通信线路的利用率很低
• 报文交换
  • 在20世纪40年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换
  • 报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了
  • 源（应用）发送信息整体；例如，电报；信息整体即为报文
• 分组交换
  
  
  • 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
  • 每一个数据段前面添加首部构成分组
    • 每一个分组的首部都含有地址等控制信息
    • 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机
    • 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终
      目的地
  • 优点：
    • 高效：动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用
    • 灵活：以分组为传送单位和查找路由
    • 迅速：不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽
    • 可靠：完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性
  • 缺点：
    • 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
• 三种交换的比较
  
  
  

2.从网络的作用范围进行分类

• 局域网
  • 特征：
    • 分布在单个办公室、楼宇或校园中，由一个组织所有
    • 范围较小，局限于几公里
    • 单一的传输介质和拓扑结构，大多数采用总线、环形或星型结构，介质使用双绞线、同轴电缆等
    • 速率一般在10M-1000Mbps左右
    • 广播技术
  • 典型特点：
    • 距离短
    • 通信时延小(几十us)
    • 数据速率高
    • 误码率低
• 城域网
  • 特征：
    • 范围扩充到整个城市
    • 可用是单一网络，如有线电视、也可以由若干个LAN连接而成
    • 可由一个单个公司拥有，也可由公共服务公司如电话公司来维护
    • 可传输数据、音频和视频信息，互连局域网等
  • 目前用作城域网的网络，主要有DQDB、FDDI等
• 广域网
  • 特征：
    • 范围扩充到整个国家乃至全世界
    • 能够提供数据、语音、图像和视频的远程传输，能实现广大范围内的资源共享
    • 拓扑结构不规则，为点到点。通过公共、租用或私有线路，跨越各种网络，延迟大，出错率高
    • 可以由单一公司所拥有（如公司WAN），也可以是公共网络（如 Internet ）
    • 点对点等技术
  • 广域网一般由资源子网与通信子网组成
    • 主机之间通过通信子网来传递信息，它利用公用网络系统(如公用电信网)作为通信子网来进行通信
      
      

3.从网络的使用者进行分类

• 公用网
• 专用网
  
  

4.从网络的传输技术进行分类

• 点对点网
  
  • 点对点为两个设备之间提供了一个专用的链路，所有的容量都给这两个设备
  • 电缆、微波或卫星
  • e.g.两台电脑用串口连接
• 广播网
  
  • 定义：所有计算机共享同一条通信信道
  • 特征：任一台机器发出的消息能被所有其它机器接收到
  • 目的地址类型：
    • 单点地址 (Unicast)
    • 广播地址 (Broadcast)
    • 多播地址 (Multicast)
      
      

5.按拓扑结构分类

• 概述：星型、总线型和环形网络多用于局域网，网状网络多用于广域网
• 分类：星型、总线型、环形网络和网状网络
  
  

6.按传输介质分类

• 有线网络：双绞线网络、同轴电缆网络等
• 无线网络：蓝牙、微波、无线电等
  
  

三、计算机网络的主要性能指标

1.带宽

• 本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）
• 现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)
• 常用单位
  • 千比每秒，即 kb/s （103 b/s）
  • 兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）
  • 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）
  • 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）
  • 在计算内存时，K = 210 = 1024，M = 220, G = 230, T = 240
• 带宽与信号
  
  
  

2.时延

• 
  • 发送时延(传输时延)：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间
  • 信道带宽：数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率
• 
  • 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
  • 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念
• 往返时延RTT：
  • 表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延
  • RTT是衡量网络性能的重要指标
• 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
  • 
    
    

3.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），信道利用率 = 有数据通过时间/(有+无)数据通过时间
• 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,根据排队论的理论，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
  • 
    
    

4.吞吐量

• 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
• 瓶颈链路：端到端路径上，限制端到端吞吐量的链路
  
  

5.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
• 网络中的速率是指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据率或比特率
• 速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等
• 速率往往是指额定速率或标称速率
  
  

四、计算机网络体系的结构

1.分层结构

• 网络按功能分成一系列层次，每一层完成一个特定的功能
• 相邻层中的较高层直接使用较低层提供的服务实现本层功能，同时又向它的上一层提供服务
• 服务的提供和使用通过相邻层的接口进行
• n-SDU(服务数据单元) + n-PCI(协议控制信息) = n-PDU(协议控制单元) = (n-1)-SDU(服务数据单元)
  
  

2.服务、接口和协议

• 实体：每一层的活动元素，可以是任何可发送或可接收信息的硬件或软件进程，许多情况下，实体就是一个特定的软件模块
• 对等实体：位于不同机器上同一层中的实体
• 服务提供者：N层(下层)是N+1(层)的服务提供者
• 服务用户：N+1层(上层)是N层(下层)的服务用户
• 服务访问点(SAP)：服务提供的地点，也即接口上相邻两层实体交换信息之处
  • 物理层：网卡接口
  • 数据链路层：MAC地址
  • 网络层：IP地址
  • 传输层：端口号
  • 应用层：用户界面
• 协议：为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合
• 接口：相邻两层之间的边界，在接口处规定了低层向上层提供的服务，以及服务所使用的形式规范语句(服务原语)
• 服务：某一层提供的功能，并能通过接口提供给其相邻上层
• 网络体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合，是对网络及其组成部分所应完成的功能的精确定义
• 协议栈：网络各层协议按层次顺序排列而成的协议序列
  
  

协议

• 定义：为进行计算机网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定的集合。准确地说，它是对等实体之间的通信制定的有关通信规则约定的集合
• 三要素：
  • 语义：涉及需要发出何种控制信息，完成何种动作与做出何种响应
  • 语法：涉及数据与控制信息的结构与格式
  • 时序：涉及速度匹配与事件顺序
• 协议很复杂
  • 协议必须将各种不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的
  • 应当注意：事实上难免有极个别的不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时，协议就会失败
  • 因此实际上协议往往只能应付绝大多数的不利情况
    
    

服务

• 只有那些被高一层实体“看得见”的功能才能称为服务
• 面向连接服务：面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段
• 无连接服务：
  • 两个实体之间的通信不需要先建立好连接
  • 是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(best effort delivery)或“尽力而为”
• 服务和协议的关系
  • 服务是垂直的，协议是水平的
  • N 层的服务用户只能看见 N 层的服务而无法
  • 在 N 层协议控制下两个对等实体间的通信使得 N 层能够向 N＋1 层提供服务；要实现 N 层协议，需要使用 N－1 层提供的服务
• 服务原语：
  
  • 上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在 OSI中称为服务原语
  • 请求(Request)：服务用户向服务提供者请求服务，如请求建立连接、请求发送数据、请求拆除连接等
  • 指示(Indication)：指示事件，如对方数据到达、收到对方建立连接请求
  • 响应(Response)：对指示原语响应，如接受连接
  • 证实(Confirm)：报告服务用户对先前请求的答复
    
    

3.网络参考模型

• 两个最重要的网络参考模型
  • OSI参考模型和TCP/IP参考模型
• 
• 分层的优点：
  • 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

OSI模型

• 低三层统称为通信子网，高三层统称被通信子网

• 高四层为端-端层
  
  

• 物理层

  • 功能：在物理媒体上传输原始的数据比特流
  • 内容：同具体的物理媒体有关
    • 接口特性：
      • 物理接口：
        • 机械特性：如接插件规格
        • 电气特性：如信号电平
      • 传输规则：
        • 功能特性：如引脚功能
        • 规程特性：如何通信
    • 比特编码
    • 数据率
    • 比特同步
    • 传输模式：单工、半双工、全双工
    • 时钟同步
  • 

• 数据链路层

  • 功能：在相邻节点间无差错地传输一帧数据
  • 内容：
    • 寻址和封装—加入头尾信息（如头部的源和目标的物理地址）
    • 同步—通知接收者开始接收帧数据
    • 差错控制——加入数据校验码
    • 流控制—协调收、发双方数据传输速率，以免收方缓冲溢出
    • 节点到节点的数据传输
    • 组帧、物理寻址（帧头增加物理地址）
    • 流量控制、差错控制、访问控制（接入控制）

• 网络层

  • 功能：将分组穿过通信子网从信源传输到信宿
  • 内容：
    • 路由选择：如何在多条路径中选择，穿过子网
    • 拥塞控制：控制分组流入子网的流量，以免子网过载，性能下降
    • 数据分片和组装：将长的分组分片，以使能在短分组网络上传输
    • 网络互联：多个子网之间进行互连
    • 逻辑寻址、分组转发

• 传输层

  • 功能：提供端到端的数据传输服务
  • 内容：
    • 连接管理：建立连接、发收数据、拆除连接
    • 报文分割和装配：将上层的长数据报文分割成小的段进行传输
    • 端到端的差错控制与流量控制
    • 分流和多路复用

• 会话层

  • 功能：在两个互相通信的进程之间建立、组织和同步会话、会话活动管理、对话控制
  • 内容：
    • 会话管理—负责建立、清除对话连接，进行对话管理，用数据令牌跟踪控制哪一方有权发送数据
    • 同步—在数据流中插入同步点，网络故障时从最近的同步点恢复
    • 活动管理——一次会话分成多个活动，对各个活动进行管理

• 表示层

  • 功能：提供数据或信息语法的表示变换，以确保不同表示方法的计算机能互相通信
  • 内容：
    • 各机器内部的数据表示与网络传输的抽象数据表示之间的变换
    • 数据的压缩/解压缩
    • 数据的加密/解密
    • 语法、语义问题（编码）

• 应用层

  • 功能：是直接面向用户的一层。它为应用进程提供访问OSI环境的手段，同时为应用进程提供服务。对于一些普遍需要的网络应用（如文件传输、电子邮件、域名服务等）制定了一系列标准
    
    

TCP/IP参考模型

• ip协议是因特网中的核心协议：
  • TCP/IP可以为各式各样的应用提供服务
  • TCP/IP协议也允许IP协议在各种网络构成的互联网上运行
    
    
• 应用层
  • 为用户提供访问 Internet 的一组高层协议 (如FTP、TELNET、SMTP等)
• 传输层
  • 为源和目的主机的应用程序间提供端-端的数据传输服务 (如TCP、UDP)
• 网络互联层(网际层)
  • 把分组独立地从信源传送到信宿。解决路由选择、拥塞控制和网络互联等问题 (如IP)
• 网络接口层
  • 负责将IP分组封装成适合在物理网络上传输的幀格式并传输，或将从物理网络接收到的幀解封，取出IP分组交给网络互联层 (如Ethernet、PPP)
    
    

五层协议的体系结构

五、应用层的客户——服务器方式

• 在 TCP/IP 的应用层协议使用的是：客户-服务器方式
• 计算机的进程(process)就是运行着的计算机程序
• 为解决具体应用问题而彼此通信的进程称为“应用进程”
• 应用层的具体内容就是规定应用进程在通信时所遵循的协议