计算机网络 第一章

计算机网络第一章

重点：

（1）分组交换的概念，这是现代计算机网络的技术基础

（2）计算机网络的一些性能

（3）计算机的分层体系结构，包括协议和服务的概念

1、计算机网络在信息时代中的作用

计算机网络为我们提供浏览信息和发布信息的平台

计算机网络为我们提供通信和交流的平台

计算机网络为我们提供休闲和娱乐的平台

计算机网络为我们提供资源共享的平台

计算机网络为我们提供了电子商务的平台

计算机网络为我们远程协作的平台

* 以互联网为基础逐渐发展起来的物联网（物可以是所有可标识的“物”）

2、因特网概述

网络：由若干结点和链接这些结点的链路组成

互联网：“网络的网络”  网络通过路由器互连起来，构成了一个覆盖范围更大的网络

因特网是世界上最大的互联网（Internet） 在因特网上的计算机成为主机（终端）   因特网是最大的计算机网络

网络把许多计算机连接起来了（物理网络），而互联网把许多网络连接起来了（由物理网络集合构成的逻辑网络）

△ 互联网（internet）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络

△ 因特网（Internet）是一个专有名词，它是指全球最大的、开放的、有众多网络相互连接而成的特定计算机网络

因特网的发展阶段：

① 采用了TCP/IP协议簇作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET

②三级结构的因特网，NSF（national science foundation）美国国家科学基金会 建设 NSFNET（国家科学基金网）分为主干网、地区网和校园网（或者企业网）

③形成了多层次ISP结构的因特网（ISP Internet service provider 因特网服务提供者/商）

ISP：第一层（因特网主干网） 第二层（区域性和国家性覆盖 为第一层ISP的用户 与少数第一层ISP相连接 如：广州宽带） 第三层（本地ISP 第二层ISP的用户且只有本地范围 如校园网）

一旦一个用户可以接入到因特网，那么ta可以成为一个ISP

万维网（www world wide web）

3、制定因特网的正式标准要经过四个阶段：

（1）因特网草案 （还不是RFC文档）

（2）建议标准（开始时RFC文档）

（3）草案标准

（4）因特网标准

ISOC：Internet Society 因特网协会

IAB：Internet Architecture Board 因特网体系结构委员会

IETF：Internet Engineering Task Force 因特网工程部

IRTF：Internet Research Task Force 因特网研究部

RFC：Request For Comment “请求评论”

4、因特网组成

（1）边缘部分：由所有连接在因特网的主机（端系统）组成，用户直接使用

主机有时被划分为：客户机和服务器

一种网络应用程序的工作方式— 客户/服务器 方式（C/S）

运行在一个端系统上的客户进程总是主动向运行在另一个端系统上的服务器进程发出服务请求，服务器进程可接受来自多个客户进程的请求，并进行响应以提供服务

客户进程间通常不直接进行通信

客户是服务请求方，服务器是服务提供方

对等网络应用—peer to peer （P2P）通常没有固定的服务请求方和服务提供者，分布在网络中的应用程序是对等的（被称为对等方）

（2）核心部分：大量网络和连接这些网络的路由器组成， 为边缘部分提供服务的（提供连通性和数据交换）

5、因特网的核心部分

路由器：实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组

①电路交换

必须经过“建立连接-通话-释放连接”三个步骤的交换方式

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

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，计算机数据是突发式地出现在传输线路上。

②分组交换

把要发送的整块数据称为报文

在发送报文之前，先把较长的报文划分成一个个更小的等长数据段，在每个数据段前面加上一些由必要的控制信息组成的首部，就构成了一个分组（分组又称为包，分组的首部也可以称为包头）分组是在因特网上传送的数据单元

计算机把分组通过通信链直接发送给分组交换机，分组交换机收到了分组，先将分组暂时存储下来，再检查其首部，按照首部中的目的地址查找转发表，找到合适的端口（就是分组交换机和外部连接的接口）转发出去，把分组交给下一个分组交换机，这样子一步一步经过多个分组交换机把分组转发到最终的目的计算机

由于每个分组交换机都是将收到的分组先存储再转发，因此该方法被叫做存储转发方式

每个分组交换机都有多条链路与之相连，对于每条链路，该分组交换机有一个输出缓存（即输出队列）用于存储分组交换器准备发往哪条链路的分组

如果发现某条需要转发的链路忙着传输其他分组，则分组必须在该输出缓存中等待（即排队）当输出缓存已满时，将发生分组丢失

当网络中有大量分组需要从某条链路转发时可能出现分组丢失的情况，我们称之为网络发生了拥塞

最重要的分组交换机是 路由器

位于网络边缘的主机（用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他的主机通过网络交换信息）和位于网络核心位置的路由器（用来转发分组的，即进行分组交换的）都是计算机  

分组交换的优点

优点：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的）灵活（为每一个分组独立的选择转发路由）迅速（以分组为传送单位，可以先不建立连接就能向其他主机发送分组）可靠（分布式多路由的分组交换网，让网络有很好的生存性）

分组交换的缺点

缺点：时延（路由器在转发分组的时候需要花费一定的时间）网络阻塞（无法保证通信时端到端所需的带宽，在通信量较大的时候容易造成网络阻塞）开销（各分组中必须携带的控制信息即首部中的控制信息，也会造成一定的开销）整个分组交换网还需要专门的管理和控制机制

③三种交换方式在数据传送阶段的主要特点

电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直流到终点，好像是一条物理的线路将源点和终点连接起来一样

报文交换：整个报文先传到相邻结点，全部存储下来之后查找转发表，转发到下一个结点

分组交换：单个分组（整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来之后查找转发表，转发到下一个结点（分组交换结点的输出接口和输入接口能够并行工作，当输出端口在发送一个分组时，其输入端口可以同时接收下一个分组）

6、计算机网络的定义和分类

一些互相连接的、自治的计算机的集合

从网络的作用范围进行分类：局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）、个人局域网（PAN  也有一些无线个人区域网 WPAN）

从网络的实验者进行分类：公用网（电信公司出资建造的大型网络）、专用网（某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络）

7、计算机网络的主要性能指标

速率：数据的传送速率（也称为数据率或者比特率）

比特（bit）是计算机中数据量的单位（二进制数字）因此一个比特就是二进制数字中的0或者1

在网络技术中速率的单位是 bit/s （比特每秒，b/s，有时也写作bps）

Kbit/s（K=1000=千）、Mbit/s（M=10^6=兆）、Gbit/s（G=10^9=吉）、Tbit/s（T=10^12=太）

计算机的数据量往往用字节为度量的单位

一个字节（byte 为大写的B）代表8个比特

千字节（大写的K 即1024，2^10）KB 

MB：2^20  GB：2^30

但是通信领域小k表示10^3

带宽：①带宽本来是指某个信号具有的频带宽度   ②在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一个所能通过的“最高数据率”   带宽的单位：bit/s

时延：数据（一个报文或者分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端到另一端所需要的时间  

网络中的时延有以下几个不同的部分组成

（1）发送时延 （传输时延）

是主机或路由器将分组发送到通信线路上所需的时间，也就是从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送到线路上所需要的时间

公式是（发送时延=分组长度 b /发送速率或者是信道带宽 b/s）

（2）传播时延

是电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间

传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率

发送时延发生在机器内部的发送器中（一般发生在网络适配器）

传播时延发生在机器外部的信道传输媒体上

（3）处理时延

主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理

（4）排队时延

分组在进行网络传输时，要经过许多路由器，但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延

分组时延= 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率，提高数据的发送速率只是减少了数据的发送时延

利用率：有信道利用率和网络利用率两种

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）完全空闲的信道利用率是0

网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值

Do 表示网络空闲时的时延 D表示网络当前的时延，利用率U

在适当的假定条件下  D = Do/（1-U）

信道或网络利用率过高会产生非常大的时延

8、计算机网络体系结构

网络协议：网络中的数据交换的而建立的规则、标准或约定

网络协议由三要素组成：语法、语义、同步（或时序）

计算机网络的体系结构：计算机网络的层次结构模型与各层协议的集合（换句话说，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的的功能的精确定义）

体系结构是抽象的，而实现是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件

按照层次结构来设计计算机网络的体系结构有以下好处：

①各层之间是独立的  ②灵活性好  ③结构上可分割开 ④易于实现和维护 ⑤有利于功能复用 ⑥能促进标准化工作

OSI七层体系结构：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层

TCP/IP四层体系结构：网络接口层、网际层IP、运输层（TCP或UDP）、应用层（各种应用层协议如HTTP，FTP，SMTP等）

原理体系结构（综合OSI）五层结构：物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层

此处关于综合OSI的结构详细内容在后续的章节复习中列出

9、实体、协议和服务

协议：谈判，同等地位

服务：下对上

TCP/IP协议：可以为各种各样的应用提供服务（everything over IP），同时TCP/IP协议也允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行（IP over everything）