第1章 计算机网络的概述
第1章 计算机网络的概述
1.计算机网络的概述
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定义
- 是指一些相互连接的、以共享资源为目的的、自治的计算机集合
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形成与发展
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- 以数据通信为主的第一代计算机网络
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- 以资源共享为主的第二代计算机网络
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- 体系标准化的第三代计算机网络
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- 以Internet为核心的第四代计算机网络
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功能和应用
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- 资源共享
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- 数据通信
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- 集中管理和远程控制
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- 分布式信息处理
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- 提高计算机系统的可靠性
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- 娱乐和电子商务
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分类
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作用范围分类
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广域网(WAN,Wide Area Network)
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城域网(MAN,Metropolitan Area Network)
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局域网(LAN,Local Area Network)
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使用者分类
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公用网
- 我国的公用网一般由政府电信部门组建、管理和控制
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专用网
- 由部门或企事业单位自行组建，不允许其它部门或单位使用
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通信方式分类
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点到点网络
- 网络中的两台主机、两台结点交换机之间或主机与结点交换机之间都存在一条物理信道
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广播式网络
- 广播式网络结构中，所有主机共享一条信道，某主机发出的数据，其他主机都能收到
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拓扑结构分类
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拓扑结构一般是指由点和线排列成的几何图形
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计算机网络的拓扑结构是指一个网络的通信链路和计算机结点相互连接构成的几何图形
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网络结构
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资源子网
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构成
- 是由处于网络外围的主机构成
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任务
- 负责信息处理
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共享
- 不仅共享通信子网的资源，还共享硬件资源和软件资源。
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通信子网
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构成
- 由网络中的通信链路和用于信息交换的交换机结点构成
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主要任务
- 负责全网网络互连和数据通信
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数据交换技术
主要有三种
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电路交换
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必须经过“建立连接 通信 释放连接”三个步骤的连网方式为面向连接的
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举例
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缺点
- 由于计算机数据具有突发性，导致通信线路的利用率很低
- 由于计算机数据具有突发性，导致通信线路的利用率很低
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报文交换
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原理
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基于存储转发
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在报文交换中心，以每份报文为单位，根据报文的目的站地址，在进行相应的转发
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缺点
- 延迟时间较长，几分钟到几小时不等
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分组交换
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原理
- 基于存储转发技术
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优点
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高效
- 分组过程中动态分配传输带宽，对通信电路逐段占用
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灵活
- 每个节点均为智能，为每一个分组独立地选择转发路由
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迅速
- 以分组作为传送单位，可以不先建立连接就向其它主机发送分组；网络使用高速链路
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可靠
- 完善的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使用网络有很好的生存性
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缺点
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有一定的时延
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各分组所携带的控制信息会造成一定的开销（overhead）
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需要专门的管理和控制机制
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组成
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一个完整的计算机网络系统是由网络硬件和网络软件所组成的
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网络硬件
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- 主机
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- 网络工作站
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- 网络终端
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- 通信处理机
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- 通信线路
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- 信息变换设备
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网络软件
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- 网络操作系统
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- 网络协议软件
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- 网络管理软件
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- 网络通信软件
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- 网络应用软件
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网络连接设备
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- 中继器
- 当主机之间的距离大于一定数值时，就需要中继器延长通信介质的距离
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- 集线器
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实现中继功能（它实质上是一个多端口的中继器）
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汇接多台主机，被形象地称为Hub
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- 网桥
- 互联两个局域网
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- 交换机
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由网桥发展而来的，它相当于一个多端口的网桥
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还具有提高局域网性能的作用
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- 路由器
- 当要互联的局域网之间需要对信息交换施加比较严格的控制时，或者把局域网通过广域网与远程的局域网互联时，一般采用路由器作为互联设备
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- 调制解调器
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俗称“猫”
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将电脑中表示数据的数字信号在模拟电话线上/不同线路传输
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构成
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调制
- 将电脑中表示数据的数字信号在模拟电话线上/不同线路传输
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解调
- 将电话线上的模拟信号转换成数字信号，由电脑接收并处理
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- 网卡/网络适配器NIC
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通过网络线（如双绞线、同轴电缆或光纤）与网络交换数据、共享资源
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每块网卡都拥有唯一的ID号，也叫做MAC地址（48位），MAC地址被烧录在网卡的ROM中，就像我们每个人的遗传基因DNA一样，即使在全世界也绝不会重复。
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传输介质
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传输介质就是通信中实际传送信息的载体，在网络中是连接收发双方的物理通路
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常用的传输介质分为有线介质和无线介质
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性能指标
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- 速率
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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
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单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等
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速率往往是指额定速率或标称速率
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- 带宽
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模拟信号
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表示允许信号占用的频率范围。
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单位
- HZ、KHZ、MHZ
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数字信号
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表示数字信道发送数字信号的速率，即比特率或数据率或传输速率，也称为吞吐量
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单位
- 比特/秒，bit/s，bps
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- 吞吐量
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表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量
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吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制
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- 时延
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传播时延
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指电磁波在信道中传播一定距离所需的时间
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发送时延
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发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间
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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
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处理时延
- 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间
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排队时延
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结点缓存队列中分组排队所经历的时延
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排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量
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总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
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- 时延带宽积
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传播时延 x 带宽 = 链路的体积
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表示链路能够容纳的比特数
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- 往返时延RTT
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数据从发送端开始发送，到发送端收到来自接收端的确认信息所经历的时间
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数据从发送端开始发送，到发送端收到来自接收端的确认信息所经历的时间
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- 利用率
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信道利用率
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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为零
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信道利用率并非越高越好
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网络利用率
- 全网络的信道利用率的加权平均值
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拓扑结构
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概念
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拓扑的概念来源于几何学，主要描述几何图形中点和线的关系
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计算机网络拓扑是指计算机或设备与传输媒介形成的结点与线的物理构成模式
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常见的网络拓扑结构
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星型拓扑
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树型拓扑
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总线型拓扑
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环型拓扑
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网状拓扑
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有关的网络标准组织与管理机构
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有关的标准组织
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- 国际标准化组织
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- 国际电信联盟
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- 美国电子工业协会
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- 电气和电子工程师协会
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Internet管理机构
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- Internet协会
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- Internet体系结构组
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- Internet工程任务组
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- Internet工程指导组
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- Internet编号管理局
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- Internet名字和编号分配组织(ICANN)
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- Internet网络信息中心和其他注册组织
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RFC文档与Internet标准
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RFC文档
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所有的因特网标准都是以 RFC的形式在因特网上发表。RFC (Request For Comments的意思就是“请求评论”。所有的RFC文档都可从因特网上免费下载。但应注意，并非所有的RFC文档都是因特网标准，只有一小部分RFC文档最后才能变成因特网标准
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形成阶段示意图
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因特网标准形成阶段
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(1)因特网草案(Internet Draft)
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(2)建议标准(Proposed Standard)
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(3)草案标准(Draft Standard)
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(4)因特网标准(Internet Standard) 还有三种RFC，即历史的、实验的和提供信息的。
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2.计算机网络体系结构
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概述
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分层模型
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层次划分的必要性
- 计算机网络是由许多硬件、软件和协议交织起来的复杂系统。由于网络设计十分复杂，如何设计、组织和实现计算机网络是一个挑战，必须要采用科学有效的方法。
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层次划分的方法
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计算机网络应当具有相对独立的功能
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梳理功能之间的关系，使一个功能可以为实现另一个功能提供必要的服务，从而形成系统的层次结构
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为提高系统的工作效率，相同或相近的功能仅在一个层次中实现，而且尽可能在较高的层次中实现
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层次划分的优点
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（1）各层之间相互独立，每一层只实现一种相对独立的功能
- 使问题复杂程度降低
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（2）灵活性好
- 各层内部的操作不会影响其他层
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（3）结构上可分割开
- 各层之间都可以采用最合适的技术来实现
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（4）易于实现和维护
- 因为整个系统已被分解成相对独立的子系统
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（5）能促进标准化工作
- 因为每一层的功能及其提供的服务都有了精确的说明
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模型
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概念
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定义
- 计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合
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术语
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（1）实体
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表示进行信息交换时任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
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在具体实现时，可以是一个特定的软件模块或软、硬件结合的设备
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可理解为信息的发送者和接收者
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（2）服务
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描述为体系结构中下一层为其上一层提供支持
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也就是说下一层为上一层提供需要的服务，上一层利用下一层提供的服务实现自己的功能，并同时再向更上一层提供所需要的服务
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（3）接口
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指同一系统上下层之间提供服务与被服务的一种接口
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任何上下层之间都存在接口
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（4）服务访问点（SAP）
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是上下层实体在接口上交换信息的地方，即上下层实体间的逻辑接口
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上下层实体之间通过服务访问点利用服务原语进行信息交换
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（5）网络协议（network protocol）
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三要素
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语法
- 定义通信双方交换信息时的数据与控制信息的结构或格式
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语意
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即语法定义的结构或格式中具体的含义
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表示要发出何种控制信息、完成何种动作以及作出何种相应等
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时序
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也称为定时或同步
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即事件实现顺序的详细说明
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即网络中的结点为进行数据交换和通信而建立的规则、标准或约定的集合，简称协议
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即两个对等实体之间进行通信的规则的集合
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协议与服务的关系
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（1）在协议的控制下，两个对等实体之间的通信可以使本层能够向上一层提供服务
- 协议的实现保证了下一层能够向上一层提供服务。要想实现本层的协议，还需要使用其下一层所提供的服务。
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（2）使用本层的服务实体，即服务接受者只能看见下层的服务而无法看见协议
- 下面的协议对上面的实体用户是透明的。
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（3）协议是控制对等实体之间的通信规则，是在“水平方向”的
- 而服务是由下层向上层通过层与层之间的接口提供的，是“垂直方向的”。
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ISO/OSI网络参考模型
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ISO／OSI参考模型
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OSI/RM模型结构
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层次
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物理层
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数据链路层
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网络层
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运输层
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会话层
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表示层
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应用层
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模型图
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参考模型
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OSI参考模型各层的功能
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（1）物理层
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物理层是最重要、最基础的一层，位于OSI参考模型的最低层。
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物理层为数据链路层提供服务，屏蔽了具体使用的通信介质与设备通信方式的差异。
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主要任务
- 为通信双方提供数据传输的物理连接，并实现透明传输比特流。
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功能
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①为两个数据链路层实体之间数据的传输建立、维持和拆除相应的物理连接。
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②位同步传输。在物理连接上的数据传输一般是串行传输。物理层要保证按位传输的信息的正确性。
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③物理层管理。管理物理层内的一切活动。
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④实现机械特性、电气特性、功能特性和规程特性的匹配。
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（2）数据链路层
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主要任务
- 检测并校正物理传输介质上产生的差错
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传输单位
- 帧
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功能
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① 数据链路的建立、维持和拆除
- 链路两端的结点在通信前要先建立数据链路，在传输过程中也要维持，并在传输完毕后拆除相应的数据链路。
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② 数据帧同步
- 数据帧首部和尾部用来表示数据帧的开始与结束，接收方必须能够明确地从物理层收到的比特流中区分出完整的数据帧，以便进行同步。
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③ 差错控制
- 数据帧信息在传输过程中可能会出现差错。通常采用检错、重发方式等差错控制技术保证数据传输的正确性。
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④ 流量控制
- 通过采取一定措施使网络中部分或全部链路上的信息流量不超过规定的阈值，以保证信息传输通畅顺利。
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（3）网络层
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主要任务
- 在数据链路层的基础上，实现通信子网内部的连接，并向运输层提供端到端的数据传输，为报文或分组通过通信子网以最佳路径到达目的主机。对于跨越多个网络的实体，网络层还需要提供网络互连和路由选择服务等
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功能
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①网络连接的建立、维持与拆除
- 为运输层实体之间的通信提供服务
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②路由选择
- 在通信子网中根据一定路由选择算法，选择一条从源结点到目的结点的最佳路由
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③流量控制
- 对整个通信子网内的数据流量和布进行控制与管理，以免发生网络阻塞和死锁，进而提高通信子网的传输效率和吞吐量
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④网络层需要对通信子网中传输的数据进行控制与同步，包括组包、拆包、重装以及包信息的同步
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（4）运输层
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OSI参考模型中负责通信的最高层是运输层，网络中两个主机间端到端的可靠通信要依赖运输层
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运输层是OSI参考模型中用户功能的最低层，也是唯一负责数据传输与控制的层次
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功能
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①运输层传输连接的建立、维持和拆除管理
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②寻址
- 运输层的寻址可以正确识别网络上两台主机间相互通信的应用进程
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③多路复用
- 运输层支持向上的复用，即一个运输层协议可同时支持多个进程连接，可将多个进程连接绑定在一个虚电路或数据报的网络连接上；运输层也支持向下的复用，即一个运输层可以使用多个网络连接
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④流量控制
- 运输层需要对发送端实体发向接收端实体的数据流实施端到端的流量控制，使其不超过接收端的接收能力
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⑤差错控制
- 运输层面向连接的可靠传输服务需要运输层提供如重传策略、重复检测和故障恢复等的差错控制机制
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（5）会话层
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会话服务是在传输连接的基础上，在会话层实体之间建立会话连接。
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功能
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①提供会话连接的建立、数据传送和释放功能。
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②管理会话双方的会话活动，包括对单工、半双工、全双工数据传送方式的设定和会话权限管理
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③在数据传送流中可以插入适当的同步点，会话用户可以在发生差错是从双方确认的同步点重新开始
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（6）表示层
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表示层是为应用进程之间传输的信息提供表示服务，处理与语法有关的语法转换和上下文控制服务
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表示层的功能是表示连接的管理、语法转换和上下文表示控制
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（7）应用层
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OSI参考模型的最高层是应用层，即用户与网络的界面
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任务
- 采用不同的应用协议为用户解决不同类型的应用需求，为应用进程访问OSI参考模型环境提供服务。
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OSI模型中的数据传输过程
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OSI模型的数据传输流程
- 流程图
- 流程图
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OSI模型协议数据单元PDU的封装与拆封
- 略
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TCP／IP模型
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模型概述
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TCP／IP参考模型
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TCP／IP与OSI/RM的对应关系
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各层主要协议
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图
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应用层
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DNS：域名系统或域名服务器
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HTTP：超文本传输协议
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FTP：文件传输协议
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TELNET：远程登录（终端）仿真协议
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NNTP：网络新闻传输服务协议
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SMTP：简单邮件管理协议
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SNMP：简单网络管理协议
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运输层
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TCP:传输控制协议，提供可靠的面向连接服务
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UDP:用户数据报协议，提供无连接服务
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网际层
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IP：Internet协议
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IGMP： Internet组管理协议
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ICMP： Internet控制消息协议
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ARP：地址解析协议
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RARP：反向地址解析协议
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网络接口层
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无网络协议
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支持各种接口类型的网络
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OSI模型和TCP／IP模型的比较
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相同之处
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（1）层次结构划分思想相同
- 两种体系结构都是以协议栈，即不同协议形成的层次结构，为基础进行层次结构的划分，而且协议栈中的协议相互彼此独立。这样做的好处是，可以大大简化各种网络协议的设计，只需要为不同协议提供关联接口即可
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（2）总体层次结构相似
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这两个体系结构虽然总的层数和对应层次名称都有所不同，但总体层次结构极其相似
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TCP/IP协议体系结构中的网络接口层对应了OSI/RM最低的数据链路层和和物理层
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TCP/IP协议体系结构的应用层对应OSI/RM中的应用层、表示层和会话层
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OSI/RM中的网络层虽然与TCP/IP的网际层名称上不同，但功能却完全一样，至于运输层两种结构都是完全一样的
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在这两种结构中，运输层以下都属于通信子网部分，运输层及以上各层都提供了端到端、与网络无关的服务，属于资源子网部分
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（3）核心组成一样
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两种体系结构中都定义了服务、接口和协议三个重要核心概念
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服务定义了各层应该做些什么，要提供哪些功能
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接口，也就是SAP（服务访问点），为对应的上层提供了获取本层服务的逻辑接口，规定了有哪些参数可以使用，以及使用这些参数的结果是什么
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协议就是标准中所说的“通信规程”，它是各层服务功能的具体实现者
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当然同一服务在不同网络中可以用不同的协议来实现
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各层中的协议各自实现自己的功能，并不影响其他层，任何的一层都只为相邻的上一层提供服务
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不同之处
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（1）适用范围不同
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OSI/RM是先有理论模型，后面才开发标准化协议，所以OSI/RM不偏重于任何特定的网络类型，具有最广泛的理论参考性，是一个理想化的模型
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而TCP/IP协议体系结构则相反，它是在TCP/IP协议族的基础上，专门针对这些协议进行的功能描述和层次划分，与协议的关系非常紧密，仅适用于TCP/IP网络，最具实践性
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（2）层次结构不同
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TCP/IP协议体系结构中没有会话层和表示层，事实已证明这两层没有多大用途，即使在OSI/RM中也一样，所以最后取消了，它们的功能合并在应用层之中
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另外，OSI/RM中的物理层和数据链路层的功能在TCP/IP协议体系结构中合并到网络接口层，尽管实际上在TCP/IP协议体系结构中对这个层中的具体功能并没有明确规定，实际上这层功能就是OSI/RM物理层和数据链路层的功能
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这也是TCP/IP协议体系结构层次划分中不科学的一个重要方面。
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（3）支持的网络通信模式不同
- OSI/RM的网络层同时支持无连接和面向连接的网络通信，TCP/IP模型的网络层只提供无连接的服务
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（4）所包括的通信协议不同
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OSI/RM是一种开放型的适用于所有类型计算机网络的理想化体系结构模型，所以它的通信协议不仅非常多而且类型复杂，适用于各类网络
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但是，由于现在网络系统设计者通常不是参考OSI/RM，而是以目前占据了绝大部分市场的TCP/IP体系结构作为设计参考，所以现在OSI/RM中的许多通信协议都已过时
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尽管TCP/IP网络也在OSI/RM的设计范围内，但TCP/IP网络中的通信协议是专门针对具体的TCP/IP协议体系结构而开发，更具有TCP/IP协议体系结构的特点，而且这些协议在不断改进，非常适用于目前广泛应用的TCP/IP网络。
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