第一章 概述

1.1 计算机网络的定义

1. 计算机网络的精确定义并未统一。
2. 其中较好的定义为： （P.19）
   • 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，这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号。）这些可编程的硬件能够用来传送多种不同的数据类型，并能支持广泛的和日益增长的应用。
3. 根据上述定义：
   • 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机。
   • 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用。
   • 上述的“可编程的硬件”表名这种硬件一定包含有处理器（Processor）

1.2 互联网概述

互联网的两个重要特点

互联网之所以能够向用户提供许多服务，是因为互联网具有连个重要基本特点：

1. 连通性（connectivity）
   • 使上网用户之间都可以交换信息（数据，以及各种音视频），好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。
   • 注意：互联网具有虚拟的特点，无法准确知道对方是谁，也无法知道对方的位置。
2. 共享（Sharing）
   • 指资源共享
   • 资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。
   • 由于网络的存在，这些资源就好像在用户身边一样，方便使用

Internet中文译名

Internet的中文译名并不统一。现有的Internet译名有两种：

• 因特网，这个译名是全国科学技术名词审定委员会推荐的，但是长期未得到推广。

• 互联网，这是目前最流行的、事实上的标准译名。该译名能够体现出Internet最主要的特征：由数量极大的各种计算机网络互连起来的。

1.2.1网络的网络

• 计算机网络（network，简称为网络）：

由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成

• 互连网（internetwork或internet）

• 可以通过路由器把网络互连起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络，称之为互联网。

• ”网络的网络“（network of networks）。

• 互联网（Internet）

​ 专有名词，特指互联网的一个实现，即源于美国、世界上最大的、覆盖全球的、大家正在使用的互连网。

• 关于云

当使用一朵云来表示网络时，可能会有两种不同的情况：

1. 云表示的网络已经包含了和网络相连的计算机。
2. 云表示的网络里面就只剩下许多路由器和连接这些路由器的链路，把有关的计算机画在云的外面。习惯上与网络相连的计算机常称为主机（Host）。

• 基本概念

• 网络把许多计算机连接在一起。

• 互连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常称为主机。

• internet和Internet的区别

• internet（互连网）：是一个通用的名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。

• Internet（互联网、因特网）：则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的由众多网络相互连接而成的特定互连网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET

• 简单地说：Internet时特殊的internet，即互联网是特殊的互连网。

1.2.1 互联网基础结构发展的三个阶段

1. 第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展的过程

2. 第二阶段：建成了三级结构的互联网

3. 第三阶段：逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。

1.2.3 互联网的标准化工作

互联网的标准化工作对互联网的发展起到了非常重要的作用。

• 成为互联网正是标准要经过三个阶段（所有互联网标准都已RFC的形式在互联网上发表）

• 互联网草案（Internet Draft）——有效期只有6个月。在这个阶段还不是RFC文档

• 建议标准（Proposed Standard）——从这个阶段开始就成为RFC文档

• 互联网标准（Internet Standard）——达到正式标准后，每个标准就分配到一个编号 STD xxxx。一个标准可以和多个RFC文档关联。

• 各种RFC之间的关系

除了建议标准和互联网标准这两种RFC文档外，还有三中RFC文档，即历史的、实验的和提供信息的RFC文档。

1.3 互联网组成

从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块：

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（提供连通信和交换）。

1.3.1 互联网的边缘部分

• 处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有主机。这些主机又称为端系统（end system）

• 端系统在功能上可能有很大的差别

• 小的端系统可以是一台普通个人电脑，具有上网功能的只能手机，甚至是一个很小的网络摄像头

• 大的端系统则可以是一台非常昂贵的大型计算机。

• 端系统的拥有者可以是个人，也可以是单位（如：学校、企业、政府机关等），当然也可以是某个ISP。

• 端系统之间通信的含义

• 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“。简称为”计算机之间通信“。

• 端系统之间的两种通信方式

• 客户-服务器方式（C/S方式）：即Client/Server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。

• 客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

==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。==

• 对等方式（P2P方式）：即Peer-to-Peer方式，简称为P2P方式

• 对等链接（peer-to-pear，简写为P2P）是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方

• 只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），他们就可以进行平等的、对等连接通信。

• 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

1.3.2 互联网的核心部分

• 网络核心部分是互联网中最复杂的部分。
• 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，是边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接受各种形式的数据）。
• 在网络核心部分其特殊作用的是路由器（rooter）
• 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。

1. 电路交换

• 电路交换的主要特点：

电路交换必定是面向连接的

• 电路交换分为三个阶段：

• 建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用。

• 通信：主叫和被叫双方能互相通电话。

• 释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路（即释放刚才占用的所有通信资源）。

• 电路交换的缺点：

​ 计算机数据具有突发性，这导致在传送计算机数据时，通信线路的利用率很低（用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%）

2. 分组交换

• 分组交换的主要特点

• 分组交换采用存储转发技术。

• 在发送端，先把较长的报文划分为较短的、固定长度的数据段。

每一个数据段前面添加上首部构成分组（packet）。

• 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端

• 分组首部的重要性

• 每一个分组的首部都含有地址（注入目的地址和源地址）等控制信息。

• 分组骄傲环网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。

• 每个分组在互联网中独立的选择传输路径。

• 用这样的存储转发方式，最后分组就能达到最终目的地。

• 分组交换在接收端发收到的数据恢复成为原来的报文。

3. 互联网的核心部分

• 互联网的核心部分是由许多网络和把他们互连起来的路由器组成，而主机处在互联网的边缘部分。
• 互联网核心部分中的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分通常以相对较低速率的链路相连接。
• 主机的用途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。路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换。

4. 路由器

• 在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。
• 路由器处理分组的过程是：
• 吧收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
• 查找转发表，找出到某个目的地址应从那个端口转发；
• 把分组送到适当的端口转发出去。

5. 主机和路由器的作用不同

• 主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接受分组。
• 路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。

6. 分组交换的优点

7. 分组交换带来的问题

• 分组在各节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。

8. 三种交换的比较

• 若需要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。
• 报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传输突发发数据时可提高整个网络的信道利用率。
• 由于一个分组的长度往往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，同时也具有更好的灵活性。

1.4 计算机网络在我国的发展

1.5 计算机网络的类别

1.5.1 按照网络的作用范围进行分类

• 广域网WAN（Wide Area Network）：作用范围通常为几十到几千公里。
• 城域网MAN（Metropolitan Area Network）：作用距离约为5~50公里。
• 局域网LAN（Local Area Network）：局限在较小的范围（如1公里左右）。
• 个人区域网PAN（Personal Area Network）：范围很小，大约在10米左右。

==若中央处理及之间的距离非常近（如仅1米的数量级甚至更小些），则一般就称之为多处理机系统，而不称它为计算机网络。==

1.5.2 按照网络的使用者进行分类

• 公用网（public network）

• 按规定缴纳费用的人都可以使用的网络。因此也可以称为公众网（商业经营）。

• 先建设，后使用。

• 专用网（private network）

• 为特殊业务工作的需要而建设的网络。

• 同期建设

• 免费使用

==公用网和专用网都是可以提供多种服务。如传送的是计算机数据，则分别使用公用计算机网络和专用计算机网络。==

1.5.3 用来把用户接入到互联网的网络

• 接入网AN（Access Network），它又称为本地接入网或者居民接入网。
• 接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不数据互联网的边缘部分。
• 接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络。
• 从覆盖的范围看，很多接入网还是属于局域网。
• 从作用上看，接入网只是起到让用户能够与互联网连接的“桥梁”作用。
• 从实现技术上看，接入网既有利用现有网络（电话网、闭路电视网）实现，也可专门建设实现。

1.6 计算机网络的性能指标

1.6.1计算机网络的性能指标

1. 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。
• 比特（bit）来源于binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。
• 速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率（data rate）或比特率（bit rate）。
• 速率的单位是bit/s，或Kbit/s、Mbit/s、Gbit/s等。例如4×10^10^bit/s的数据率就记为40Gbit/s。
• 速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

2. 带宽

带宽有两种不同的意义：

• “带宽”（bandwidth）本来是指信号具有的频带宽度，其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
• 在计算机网络中，带宽用来表示网络中某信道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位是bit/s，即“比特每秒”。

==在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。==

3. 吞吐率

• 吞吐量（throughput）表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
• 吞吐量更经常的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。

4. 时延

• 时延（delay或latency）是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一段传送到另一端所诉要的时间。

• 有时也称为延迟或迟延。

• 网络中的时延由一下几个不同的部分组成：

1. 发送时延（transmission delay）

• 也称为传输时延，注意：不是传播时延。

• 发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。

• 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要的时间。

2. 传播时延（propagation delay）

• 电磁波在信道中传播一定距离而花费的的时间。

• 发送时延与传播时延有本质上的不同。

• 信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。

3. 处理时延

• 主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。

4. 排队时延

• 分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。

• 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

• 数据在网络中经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和。

• ==总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延==

• 必须指出，在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析。

5. 时延带宽积

链路的时延带宽积又称为以比特位单位的链路长度。

6. 往返时间RTT

• 互联网上的信息不仅仅单项方向传输，而是双向交互的。因此有时很需要知道双向交互一次所需的时间。
• 往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经理的时间。
• 在路联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。当使用卫星通信时，往返时间RTT相对较长，是很重要的一个性能指标。

7. 利用率

• 分为信道利用率和网络利用率。
• 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）。完全空闲的信道利用率是 零。
• 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。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。

时延与网络利用率的关系

• 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。

• 若令D~0~表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示D和D~0~之间的关系：

1.6.2计算机网络的非性能特征

1. 费用
2. 质量
3. 标准化
4. 可靠性
5. 可扩展性和可升级性
6. 易于管理和维护

1.7 计算机网络的体系结构

1.7.1 计算机网络体系结构的形成

1.7.2 协议与划分层次

• 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。
• 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。
• 网络协议（network protocol），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。

网络协议的三个组成要素

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

==由此可见，网络协议是计算机网络的不可缺少的组成部分。==

协议的两种形式

• 一种是使用便于人来阅读和理解的文字描述。

• 另一种是使用让计算机能够理解的程序代码。

==这两种不同形式的协议都必须能够对网络上信息交换过程做出精确的解释。==

分层的好处与缺点

1.7.3 具有五层协议的体系结构

• OSI参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该等的协议数据单元 PDU（Protocol Data Unit）。这个名词现已被许多非OSI标准采用。

• 任何两个同样的层次把数据（即数据单元加上控制信息）通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的“对等层”（peer layers）之间的通信。

• 各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。

 

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

• 实体（entity）表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
• 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，还需要使用下层所提供的服务。

协议和服务在概念上是不一样的

• 协议的实现保诚了能够向上一层提供服务。
• 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。即下面的协议对上面的服务是透明的。
• ==协议是”水平的“，即协议是控制对等实体之间通信的规则。==
• ==服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。==
• 上层使用服务原语获得下层所提供的服务。

服务访问点

• 同意系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP （Service Access Point）。

• 服务访问点SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。

• OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元 SDU（Service Data Unit）。

• SDU可以与PDU不一样。例如：可以是多个SDU合称为一个PDU，也可以是一个SDU划分为几个PDU。

协议很复杂

• 协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非理想的。
• 看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。

1.7.5 TCP/IP的体系结构