计算机网络概述¶

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互联网概述¶

基本概念¶

网络（Network） 由若干 结点（Node） 和连接这些结点的 链路（Link） 组成。
internet（互连网）：通用名词，泛指多个计算机网络互连而成的计算机网络，对网络间的协议没有要求。
Internet（互联网、因特网）：专有名词，指全球范围的众多网络互连而成的特定的互连网，采用 TCP/IP 协议族。互联网的两个重要基本特点是 连通性和资源共享，是 Internet 提供诸多服务的基础。
Ethernet（以太网）：当今现有 局域网 采用的最通用的通信协议标准。

发展历程¶

ARPANET：1968 年出现，最初只是一个单个的分组交换网，不是一个互连网。1983 年，TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议，使得所有使用 TCP/IP 协议的计算机都能利用互连网相互通信。
- 人们将 1983 年作为互联网的诞生时间
国家科学基金网 NSFNET ：三级结构： 主干网、地区网和校园网（或企业网），覆盖了全美国主要的大学和研究所，并且成为互联网中的主要组成部分。
互联网服务提供者 ISP（Internet Service Provider）：提供接入到互联网的服务并需要收取一定的费用
- 其具有 多层次 ISP 结构：主干 ISP、地区 ISP 和本地 ISP，其区分依据是覆盖面积大小和所拥有的 IP 地址数目的不同
万维网 WWW（World Wide Web）：由欧洲原子核研究组织 CERN 开发，成为互联网指数级增长的主要驱动力

因特网的标准化¶

因特网所有的 RFC（Request For Comments）技术文档都可从因特网上免费下载
- 任何人都可以随时用电子邮件发表对某个文档的意见或建议
- 但 并非所有的 RFC 文档都是互联网标准，只有很少部分的 RFC 文档最后才能变成互联网标准
组织架构
- 因特网协会 ISOC：负责对因特网进行全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用
- 因特网体系结构委员会 IAB：负责管理因特网有关协议的开发
- 因特网工程部 IETF：负责研究中短期工程问题，主要针对协议的开发和标准化
- 因特网研究部 IRTF：从事理论方面的研究和开发一些需要长期考虑的问题

互联网的组成¶

边缘部分（资源子网）¶

组成：连接在互联网上的所有主机，又称为 端系统（end system）
作用：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。
端系统间的通信：主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信，通信方式有 C/S 和 P2P 两种方式。
- 客户服务器通信方式 C/S（Client/Server）：
  - 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。
  - 客户与服务器的通信关系建立后，通信 可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据。
  - 特点：
    - 客户程序
      - 被用户调用 后运行，需主动向远地服务器发起通信（请求服务）
      - 必须知道服务器程序的地址
      - 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统
    - 服务器 程序
      - 专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个客户请求
      - 一直 不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求
      - 不需要知道客户程序的地址
      - 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持
- 对等连接方式 P2P（Peer-to-Peer）：
  - 两台主机在通信时 不区分服务请求方和服务提供方。
  - 只要都运行了 P2P 软件，就可以进行 平等的、对等连接通信。
  - P2P 从本质上看仍然是使用 C/S 方式，只是对等连接中的每一个主机 既是客户又是服务器

核心部分（通信子网）¶

组成：大量网络和连接这些网络的路由器
作用：为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）。
特点：是互联网中 最复杂 的部分
路由器（router）
- 在网络核心部分起特殊作用
- 实现 分组交换（packet switching）的关键构件，其任务是转发收到的分组。
- 分组转发是网络核心部分最重要的功能

互联网的三种交换方式¶

互联网的核心部分采用 分组交换技术

电路交换¶

有连接：电话交换机接通电话线的方式，直接进行两两连接，因此 \(N\) 台计算机就需要 \(\frac{N(N-1)}{2}\) 对电线。
使用交换机
- 当电话机的数量增多时，使用电话交换机将这些电话连接起来。
- 每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。
三个阶段
- 建立连接：建立一条专用的物理通路（占用通信资源）。
- 通话：主叫和被叫双方互相通电话（一直占用通信资源）。
- 释放连接：释放刚才使用的专用的物理通路（归还通信资源）。
线路利用率低。

分组交换¶

无连接
分组交换采用了 存储转发 机制。
步骤
- 报文分组：在发送端，先把较长的报文划分成更小的等长数据段，数据段前面添加首部就构成了分组（packet）。
  - 分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”。
- 分组发送：发送端依次把各分组发送到接收端。
- 存储转发：路由器根据分组控制信息进行存储转发
  - 根据首部中包含的目的地址、源地址等重要控制信息进行转发
  - 每一个分组在互联网中独立选择传输路径
  - 可能经历多个交换机
  - 位于网络核心部分的路由器负责转发分组，即进行分组交换。
  - 路由器要创建和动态维护转发表
- 报文还原：接收端收到分组后剥去首部，还原成原来的报文。
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
- 灵活：为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
- 迅速：以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
- 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
缺点
- 排队延迟：分组在各路由器存储转发时需要排队。
- 不保证带宽：动态分配。
- 增加开销：各分组必须携带控制信息；路由器要暂存分组，维护转发表等。

报文交换¶

无连接
主要用于早期的电报通信网，现在较少使用
可以视为不进行报文分组的分组交换

三种交换方式的对比¶

三种交换方式的对比

电路交换：连续传送 大量的数据，且其 传送时间远大于连接建立时间
报文交换/分组交换：
- 不需要预先分配传输带宽，在传送 突发数据 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

计算机网络的定义与分类¶

定义¶

简单定义：一些互相连接的、自治的计算机的集合。
- 互连︰计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信
- 自治︰独立的计算机，有自己的硬件和软件，可以单独运行使用
- 集合：至少需要两台计算机
完整定义：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，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的，而是能够用来 传送多种不同类型的数据，并能 支持广泛的和日益增长的应用。

分类¶

按作用范围分类¶

广域网 WAN：覆盖范围通常为几十公里到几千公里，有时也称为远程网。广域网是因特网的核心部分。
城域网 MAN：覆盖范围一般是一个城市，作用距离为 5 至 50 公里。
局域网 LAN：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。通常采用高速通信线路。
个人区域网 PAN：范围很小，大约在 10 米左右。有时也称为无线个人区域网 WPAN（Wireless PAN）。

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

按使用者分类¶

公用网（public network）：按规定交纳费用的人都可以使用的网络，也可称为公众网
专用网（private network）：为特殊业务工作的需要而建造的网络

公用网和专用网都可以传送多种业务。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。

接入网 AN（Access Network）¶

又称为本地接入网或居民接入网。
作用：将用户接入互联网。
特点：
- 实际上就是本地 ISP 所拥有的网络，既不是互联网的核心部分，也不是互联网的边缘部分。
- 是从某个用户端系统到本地 ISP 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。

计算机网络的性能¶

性能指标¶

速率¶

定义：数据的传送速率，也称为 数据率（data rate）或 比特率（bit rate），最重要的一个性能指标。
单位：bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、Gbit/s 等。
说明：
- 速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。
- 网络与容量的速率单位换算不同：
  - 网络：
    - 千 \(= K = 10^3 = 1000\)
    - 兆 \(= M = 10^6 = 1000~K\)
    - 吉 \(= G = 10^9 = 1000~M\)
  - 容量：
    - 千 \(= K = 2^{10} = 1024\)
    - 兆 \(= M = 2^{20} = 1024~K\)
    - 吉 \(= G = 2^{30} = 1024~M\)

带宽（bandwidth）¶

频域
- 定义：某个信号具有的频带宽度。
- 单位：Hz（赫兹），或 kHz、MHz、GHz 等。
- 带宽：某信道允许通过的信号频带范围称为该信道的带宽（或通频带）。
时域
- 定义：网络中某通道传送数据的能力，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：与数据率单位相同，bit/s
  - 两者本质相同：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

吞吐量（throughput）¶

定义：单位时间内通过某个网络的实际数据量，是通过测量现实世界的网络后得出的
受网络带宽和额定速率 的限制
- 额定速率是绝对上限值。
- 可能会远小于额定速率，甚至下降到零！
单位：有时可用每秒传送的字节数或帧数来表示

时延（delay or latency）¶

定义：数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。有时也称为延迟或迟延。
组成：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延
- 发送时延/传输时延：
  - 定义：主机或路由器发送数据帧所需要的时间，即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。
  - 发送时延 \(=\frac{\text{数据帧长度(bit)}}{\text{发送速率(bit/s)}}\)
- 传播时延：
  - 定义：数据在信道中传播所需要的时间。
  - 传播时延 \(=\frac{\text{信道长度(m)}}{\text{电磁波传播速率(m/s)}}\)
  - 发送时延与传播时延在本质上的不同：
    - 发送时延发生在机器内部的发送器中，与传输信道的长度（或信号传送的距离）没有任何关系。
    - 传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上，而与信号的发送速率无关。信号传送的距离越远，传播时延就越大。
- 处理时延：
  - 定义：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。
- 排队时延
  - 定义：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理和转发所经历的时延。
  - 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大。
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
- 总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析。

时延带宽积¶

定义：表示链路上当前可容纳的数据量，又称为以比特为单位的链路长度。
时延带宽积 = 传播时延 × 带宽
管道中的比特数表示从发送端发出但尚未到达接收端的比特数。
只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分利用。

往返时间（RTT，Round-Trip Time）¶

定义：表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间，即 双向交互一次的时间。

往返时间

在互联网中，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，此时，RTT 是很重要的一个性能指标。

利用率¶

信道利用率：该信道有百分之几的时间是被利用的，即有数据通过的。
网络利用率：全网络的 信道利用率的加权平均。
当信道的利用率增大时，该信道引起的时延也会增加。因此 信道利用率并不是越高越好。

非性能特征¶

费用：标准化
质量：可靠性
管理和维护：可扩展性和可升级性

计算机网络体系结构¶

网络的体系结构（Network Architecture）是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义（不涉及实现）。
实现（implementation）是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题。
体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

计算机网络体系结构的形成¶

法律上的国际标准：OSI 参考模型
- 由国际标准化组织 ISO 在 1984 年提出
- 没有获得市场认可
事实上的国际标准：TCP/IP 体系结构
- 互联网的基础
- 得到广泛认可和使用

协议与划分层次¶

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。
- 计算机网络不可缺少的组成部分
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。
层次式协议结构
- 将网络协议划分为若干层次，每一层次都完成特定的功能。
- 每一层次都向上一层次提供服务，并使用下一层次所提供的服务。
- 每一层次都通过协议与对等层次进行通信。
- 优点：
  - 各层之间相互独立
  - 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
- 缺点：
  - 有些功能重复出现，增加开销
  - 降低效率
- 各层完成的主要功能
  - 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。
  - 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。
  - 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。
  - 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。
  - 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。

具有五层协议的体系结构¶

体系结构

应用层¶

任务：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。
协议：定义的是应用进程间通信和交互的规则。
报文（message）：应用层交互的数据单元
例如：DNS，HTTP，SMTP

运输层¶

任务：负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。
作用：具有复用和分用的功能。
协议：
- 传输控制协议：TCP（Transmission Control Protocol）
  - 提供面向连接的、可靠的数据传输服务。
  - 数据传输的单位是报文段（segment）。
- 用户数据报协议：UDP（User Datagram Protocol）
  - 提供无连接的尽最大努力（best-effort）的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性）。
  - 数据传输的单位是用户数据报（datagram）。

网络层¶

任务：为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
具体任务：
- 路由选择：通过一定的算法，在互联网中的每一个路由器上，生成一个用来转发分组的转发表。
- 转发：每一个路由器在接收到一个分组时，要依据转发表中指明的路径把分组转发到下一个路由器。
互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议 IP（Internet Protocol）和许多种路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做网际层或 IP 层。
- IP 协议分组也叫做 IP 数据报，或简称为数据报。

数据链路层/链路层¶

任务：实现两个 相邻节点 之间的可靠通信。
具体任务：
- 在两个相邻节点间的链路上传送帧（frame）。
- 如发现有差错，就简单地丢弃出错帧。
  - 如果需要改正出现的差错，就要采用可靠传输协议来纠正出现的差错。这种方法会使数据链路层协议复杂。

物理层¶

任务：实现比特（0 或 1）的传输。
具体任务：确定连接电缆的插头应当有多少根引脚，以及各引脚应如何连接。
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，并不在物理层协议之内，而是在物理层协议的下面

数据在各层之间的传递过程¶

数据在各层之间的传递过程

对等层与协议数据单元：
- OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的 协议数据单元 PDU（Protocol Data Unit）。
- 任何两个同样的层次把 PDU （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”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。

实体、协议、服务和服务访问点¶

实体（entity）：任何可发送或者接收信息的 硬件或软件进程。
- 对等实体：收发双方相同层次中的实体。
协议：控制两个 对等实体 进行逻辑通信的规则集合。
- 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。
服务
- 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。
协议与服务的比较
- 协议是“水平的”，服务是“垂直的”。
- 实体看得见相邻下层所提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。也就是说，下面的协议对上面的实体是"透明"的。
服务访问点 SAP：在同一系统中 相邻两层的实体交换信息的逻辑接口
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，这些命令称为服务原语。
- 协议数据单元 PDU：对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元。
- 服务数据单元 SDU：同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元。
- 多个 SDU 可以合成为一个 PDU；一个 SDU 也可划分为几个 PDU。

相邻两层之间的关系

TCP/IP 的体系结构¶

TCP/IP 的体系结构

有些应用程序可以直接使用 IP 层，或甚至直接使用最下面的网络接口层。