计算机网络——概述

互联网的描述

网络的网络

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。网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

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(intenetwork或internet)。因此互连网是“网络的网络” (network of networks)。

网络把许多计算机连接在了一起，而互联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通常称为主机。

互联网基础结构发展的三个阶段

• 第一阶段是从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。

• 第二阶段的特点是建成了三级结构互联网

  • 主干网
  • 地区网
  • 校园网

• 第三阶段的特点是逐渐形成了多层次的ISP结构的互联网。

  • 互联网服务提供者ISP。ISP可以从互联网管理机构申请到很多IP地址（互联网上的主机都必须有IP地址才能上网），同时拥有通信线路（大ISP自己建造通信线路，小ISP则向电信公司租用通信线路）以及路由器等连网设备，因此任何机构和个人只要向某个ISP交纳规定的费用，就可从该ISP获取所需IP地址的使用权，并可通过该ISP接入到互联网。所谓“上网”就是指“（通过某ISP获得的IP地址）接入到互联网”。IP地址的管理机构不会把一个单个的IP地址分配给单个用户（不“零售”IP地址），而是把一批IP地址有偿租赁给经审査合格的ISP（只"批发”IP地址）。由此可见，现在的互联网已不是某个单个组织所拥有而是全世界无数大大小小的ISP所共同拥有的，这就是互联网也称为“网络的网络”的原因。
  • 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 (Internetexchange Point)就应运而生了。

互联网转化的IXP的主要作用是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要通过第三个网络来转发分组。

互联网的标准化工作

1992年成立了互联网协会ISOC以便对互联网进行全面管理，ISOC下有一个技术组织叫做互联网体系结构委员会IAB，负责互联网有关协议的开发。IAB下面又有两个服务：

• 互联网工程部IETF
• 互联网研究部IRTF

所有的互联网标准都是以RFC的形式在互联网上发表的。

制定互联网的正式标准要经历一下三个阶段：

• 互联网草案——有效期只有六个月，这个阶段还不能算是RFC文档。
• 建议标准——从这个阶段就是RFC文档。
• 互联网标准

互联网的组成

互联网的拓扑结构虽然非常复杂，并且在地理上覆盖了全球，但从其工作方式上看，可以划分为以下两大块：

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)。

图1-6给出了这两部分的示意图。下面分别讨论这两部分的作用和工作方式。

在网络边缘的端系统之间的通信方式通常划分为：客户——服务器方式和对等方式。

• 客户——服务器方式

  客户和服务器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。

  客户是请求方，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。
  

  • 客户程序
    1. 在被用户调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信，因此客户程序必须知道服务器程序的地址。
    2. 不需要特殊的硬件和复杂的操系统。

  • 服务器程序
    1. 是一种专门用来提供服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
    2. 系统启动后即自动调用并一直不断运行着，被动地等待并接受来自各地用户的通信请求。因此，服务器并不需要知道客户程序的地址。
    3. 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，通信是双向的，客户和服务器都可以接收和发送信息。

• 对等连接方式

  是指两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方。

  只要两台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。这时，双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。因此这种工作方式也称为P2P方式。在图1-8中，主机C, D, E和F都运行了 P2P软件，因此这几台主机都可进行对等通信（如C和D, E和F,以及C和F）o实际上，对等连接方式从本质上看仍然是使用客户-服务器方式，只是对等连接中的每一台主机既是客户又同时是服务器。例如主机C,当C请求D的服务时，C是客户，D是服务器。但如果C又同时向F提供服务，那么C又同时起着服务器的作用。

  

互联网的核心部分

网路中心的核心部分需要向网络边缘中的大量主机提供连通性，是边缘中的任何一台主机都能向其他主机通信。

在网络核心部分起特殊作用是路由器。路由器是实现分组交换的关键构建，其任务是转发收到的分组。为了弄清分组交换，下面先介绍电路交换的基本功能。

• 电路交换的主要特点

  从通信资源的分配角度来看，交换（switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。在使用电路交换通话之前，必须先拨号请求建立连接。当被叫用户听到交换机送来的振铃音并摘机后，从主叫端到被叫端就建立了一条连接，也就是一条专用的物理通路。这条连接保证了双方通话时所需的通信资源，而这些资源在双方通信时不会被其他用户占用。此后主叫和被叫双方就能互相通电话。通话完毕挂机后，交换机释放刚才使用的这条专用的物理通路（即把刚才占用的所有通信资源归还给电信网）。这种必须经过“建立连接（占用通信资源）-> 通话（一直占用通信资源）-> 释放连接（归还通信资源）”三个步骤的交换方式称为电路交换。如果用户在拨号呼叫时电信网的资源已不足以支持这次的呼叫，则主叫用户会听到忙音，表示电信网不接受用户的呼叫，用户必须挂机，等待一段时间后再重新拨号。

  图1-10为电路交换的示意图。为简单起见，图中没有区分市话交换机和长途电话交换机。应当注意的是，用户线是电话用户到所连接的市话交换机的连接线路，是用户独占的传送模拟信号的专用线路，而交换机之间拥有大量话路的中继线（这些传输线路早己都数字化了）则是许多用户共享的，正在通话的用户只占用了中继线里面的一个话路。电路交换的一个重要特点就是在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

  

  当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的，因此线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%。已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的。例如，当用户阅读终
  端屏幕上的信息或用键盘输入和编辑一份文件时，或计算机正在进行处理而结果尚未返回时，宝贵的通信线路资源并未被利用而是白白被浪费了。

• 分组交换的主要特点

  分组交换采用存储转发技术。通常我们把要发送的整块数据称为一个报文。在发送报文之前，先把较长的报文划分为一个个更小的的等长数据段，例如，每个数据段为1024bit。在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部后，就构成一个分组。分组又称为包，而分组的首部也可称为包头。分组是在互联网中传送的数据单元。分组中的“首部”非常重要，正式由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要的控制信息，每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径，并正确地交付到分组传输的终点。

  

  位于网络边缘的主机和位于网络核心部分的路由器都是计算机，但它们的作用却很不一样。主机是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器则是用来转发分组的，即进行分组交换的。路由器收到一个分组，先暂时存储一下，检査其首部，査找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发岀去，把分组交给下一个路由器。这样一步一步地（有时会经过几十个不同的路由器）以存储转发的方式，把分组交付最终的目的主机。各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息，以便创建和动态维护路由器中的转发表，使得转发表能够在整个网络拓扑发生变化时及时更新。

  

  当我们讨论互联网的核心部分中的路由器转发分组的过程时，往往把单个的网络简化成一条链路，而路由器成为核心部分的结点，如图1-12(b)所示。这种简化图看起来可以更加突出重点，因为在转发分组时最重要的就是要知道路由器之间是怎样连接起来的。

  现在假定图l-12(b)中的主机H1向主机H5发送数据。主机Hi先将分组逐个地发往与它直接相连的路由器A。此时，除链路H1-A外，其他通信链路并不被目前通信的双方所占用。需要注意的是，即使是链路H1-A，也只是当分组正在此链路上传送时才被占用。在各分组传送之间的空闲时间，链路H1-A仍可为其他主机发送的分组使用。

  路由器A把主机H1发来的分组放入缓存。假定从路由器A的转发表中查出应把该分组转发到链路A-C。于是分组就传送到路由器C。当分组正在链路A-C传送时，该分组并不占用网络其他部分的资源。

  路由器C继续按上述方式查找转发表，假定査出应转发到路由器E。当分组到达路由器E后，路由器E就最后把分组直接交给主机H5。

  假定在某一个分组的传送过程中，链路A-C的通信量太大，那么路由器A可以把分组沿另一个路由传送，即先转发到路由器B，再转发到路由器E,最后把分组送到主机H5。在网络中可同时有多台主机进行通信，如主机H2也可以经过路由器B和E与主机氏通信。这里要注意，路由器暂时存储的是一个个短分组，而不是整个的长报文。短分组是暂存在路由器的存储器(即内存)中而不是存储在磁盘中的。这就保证了较高的交换速率。

  在图中只画了一对主机Hi和H5在进行通信。实际上，互联网可以容许非常多的主机同时进行通信，而一台主机中的多个进程（即正在运行中的多个程序）也可以各自和不同主机中的不同进程进行通信。

  应当注意，分组交换在传送数据之前不必先占用一条端到端的链路的通信资源。分组在哪段链路上传送才占用这段链路的通信资源。分组到达一个路由器后，先暂时存储下来，查找转发表，然后从一条合适的链路转发出去。分组在传输时就这样一段一段地断续占用通信资源，而且还省去了建立连接和释放连接的开销，因而数据的传输效率更高。互联网釆取了专门的措施，保证了数据的传送具有非常高的可靠性。

  当网络中的某些结点或链路突然出现故障时，在各路由器中运行的路由选择协议（protocol）能够自动找到转发分组最合适的路径。

  从上所述可知，采用存储转发的分组交换，实质上是采用了在数据通信的过程中断续分配传送带宽的策略。这对传送突发式的计算机数据非常合适，使得通信线路的利用率大大提高了。

  为了提高分组交换网的可靠性，互联网的核心部分常采用网状拓扑结构，是得当发生网络拥塞或少数节点、链路出现故障时，路由器可灵活地改变转发路由器由而不致引起通讯中断或全网瘫痪。

  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路由转发。
  迅速	以分组作为传送单位，可以先不建立连接就能向其它主机发送分组。
  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。

  分组交换也带来了一些新的问题。例如，分组在各路由器存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。此外，由于分组交换不像电路交换那样通过建立链接来保证通信时所需的各种资源，因而无法确保通信时端到端所需的带宽。

  • 电路交换——整个报文的比特流连续地从源点到达终点，好像在一个管道中传送。
  • 报文交换——整个报文先到达相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。
  • 分组转换——单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到写一个分组。

  从图1-13可看出，若要连续传送大量数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的速度快。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以提高整个网络的信道利用率。由于一个分组的长度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，同时也有更好的灵活性。

计算机网络的类别

按照网络的作用范围进行分类

1. 广域网WAN (Wide Area Network) 广域网的作用范围通常为几十到几千公里，因而有时也称为远程网(long haul network)。广域网是互联网的核心部分，其任务是通过长距离(例如，跨越不同的国家)运送主机所发送的数据。连接广域网各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。
2. 城域网MAN(Metropolitan Area Network) 城域网的作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，其作用距离约为5 ~ 50 km。城域网可以为一个或几个单位所拥有，但也可以是一种公用设施，用来将多个局域网进行互连。目前很多城域网釆用的是以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围进行讨论。
3. 局域网LAN (Local Area Network) 局域网一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连(速率通常在10 Mbit/s以上)，但地理上则局限在较小的范围(如1 km左右)。在局域网发展的初期，一个学校或工厂往往只拥有一个局域网，但现在局域网己非常广泛地使用，学校或企业大都拥有许多个互连的局域网(这样的网络常称为校园网或企业网)。
4. 个人区域网PAN (Personal Area Network) 个人区域网就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备(如便携式电脑等)用无线技术连接起来的网络，因此也常称为无线个人区域网WPAN (Wireless PAN),其范围很小，大约在10 m左右。

按照网络的使用者进行分类

1. 公用网(public network) 这是指电信公司(国有或私有)出资建造的大型网络。“公用"的意思就是所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都可以使用这种网络。因此公用网也可称为公众网。
2. 专用网(private network) 这是某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务。例如，军队、铁路、银行、电力等系统均有本系统的专用网。

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。

计算机网络的性能

计算机网络性能的指标

计算机网络的非性能特征

• 质量
• 费用
• 标准化
• 可靠性
• 可拓展性和可升级性
• 易于管理和维护

计算机网络体系结构

协议与划分层次

在计算机网络中要有条不紊地交换数据，就必须要遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确贵规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。网络协议主要由一下三个要素组成

1. 语法：即数据与控制信息的结构或格式。
2. 语义：即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
3. 同步：即事件实现顺序的详细说明。

APPANET的研究表明，对于非常复杂的网络协议，其结构应该是层次式的。分层可以带来很多好处。例如

1. 各层之间是独立的。某一层并不需要知道它的下一层是如如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。
2. 灵活性好。当任何一层发生变化时，只要层间的接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响。
3. 结构上可分割开。各层都可以采用最合适的技术实现。
4. 易于实现和维护。
5. 能促进标准化工作。

分层时应注意使每一层的功能非常明确，通常每一层应有以下功能。

1. 差错控制
2. 流量控制
3. 分段和重装
4. 复用和分用
5. 连接建立和释放

当然分层也会有一些缺点，例如，有些功能会在不同的层次中重复实现。

计算机网络的各层及其协议的集合就是体系结构。

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，理论也比较完整，但它既复杂又不实用。

TCP/IP体系则不同，它得到了非常广泛的应用。

TCP/IP是一个四层体系结构，它包含应用层，运输层，网际层和接口层。不过从实质讲，TCP/IP只有最上面三层，因为最下面的网络接口层没有什么具体内容。

因此在学习计算机网络的原理时，往往采取折中的方法，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。

1. 应用层

   应用层是网络体系结构中的最高层。应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定的网络作用。应用层协议定义的是应用进程通信间通信和交互的规则。这里的进程实质主机中正在运行的程序。对于不同的网络应用需要有不同的应用层协议。我们把应用层交互的数据单元称之为报文。

2. 运输层

   运输层的任务就是向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。应用进程可以利用该服务传送应用层报文。所谓“通用的“，是指多种应用可以使用同一个运输层服务。由于一台主机可以同时运行多个进程，因此运输层有复用和分用功能。复用就是多个应用层进程可同时使用下层的运输层服务，分用和复用相反，是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。运输层主要是以下两种协议：

   • 运输控制协议TCP——提供面向链接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段。
   • 用户数据报协议UDP——提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务，其数据传输单位是用户数据报。

3. 网络层

   网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报，或简称数据报。

   网络层的另一个作用就是选择合适的路由，使源主机运输层传下来的分组，能用过网络中的路由器找到目的主机。

4. 数据链路层

   我们知道，两台主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的，这就需要专门的链路层协议。

   在两相邻节点之间传送数据时，链路层将网络层交下来的IP数据组装成帧，在相邻节点的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息，地址信息，差错控制等）。

   这样在就收数据时，控制信息使接收端能够知道一个帧从哪一个比特开始到哪一个比特结束。这样数据链路层在收到一个帧后，就能从中提取出数据部分，上交给网络层。

   控制信息还使接收端能够检测到所收到的帧中有无差错。如果发现有差错，数据链路层就简单地丢弃了这个出差错的帧，以免白白浪费网络资源。如果需要改正出现的差错，那么就需要采用可靠的传输协议来纠正出现的差错。

5. 物理层

   在物理层上传输的单位是比特。发送方发送1时，对方接收到1。因此物理层要考虑多大的电压代表”1“或”0“，以及接收方如何识别对方所发送的比特。物理层还要确定连接电缆的插头应该有多少引脚以及引脚该怎么连接。

   注意：传递信息所利用的一些物理媒体，如双绞线，同轴电缆，光缆，无线信道等，并不在物理层的协议内，而是在物理层的下面，因此也有人把物理层下面的物理媒体层当作第0层。

实体、协议、服务和服务访问点

当研究开放系统中的信息交换时，往往使用实体表示任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。在多数情况下，实体就是一个特定的软件模块。

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，还需要使用下一层所提供的服务。

TCP/IP的体系结构

TCP/IP的体系结构比较简单，它只有四层。注意：图中路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用到运输层和应用层。