【计算机网络-概述（计算机网络结构体系）】

计算机网络概述

Internet

Internet：
（1）因特网，这个译名是全国科学技术名词审定委员会推荐的。
（2）互连网，目前流行最广、事实上的标准译名。
互连网：
仅在局部范围互连起来的计算机网络，只能称之互连网，而不是互联网（Internet）。
两个重要的基本特点：
（1）连通性（connectivity）：互联网使上网用户之间，不管相距多远，都可以非常便捷、非常经济地交换各种信息
（2）共享：资源贡献，其含义是多方面的，可以是信息贡献、软件共享，也可以是硬件共享。

计算机网络

由若干节点（node）和连接这些节点的链路（link）组成。互连网（internetwork/internet）是“网络中的网络”（network of networks），习惯上，与网络相连的计算机常称为主机（host）。路由器是一种特殊的计算机。
网络把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络通过一些路由器连接在一起，与网络相连的计算机常成为主机。

互联网基础结构发展的三个阶段

（1）第一阶段是从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。
internet（互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。
Internet（互联网或者因特网）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。
（2）第二阶段的特点是建成了三级结构的互连网络。
（3）第三阶段的特点是逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网。

互联网的标准化工作

互联网协会（Internet Society）ISOC[W-ISOC],ISOC下面有个技术组织叫作互联网体系结构委员会IAB（Internet Architecture Board），负责管理互联网有关协议的开发。其中又设有两个工程部：
（1）互联网工程部IETF（Internet Engineering Task Force）
（2）互联网研究部IRTF（Internet Research Task Force）
制定互联网正式的标准需要经过的阶段
（1）互联网草案（Internet Draft）：有效期只有六个月
（2）建议标准（Proposed Standard）：成为RFC文档
（3）互联网标准（Internet Standard）：STDxx。一个互联网标准可以和多个RFC文档关联。

计算机网络的定义

谢：

计算机网络的精确定义并未统一。
关于计算机网络较好的定义是这样的【PETE12】：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成，而这些硬件并非专门实现某一特定目的。这些可编程的硬件能够用来传送不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
（1）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或者智能电视机；
（2）计算机网络并非专门用来传输数据，而是能支持很多应用。当然没有数据的传送这些应用是无法实现的。

天勤：

最简洁的定义：计算机网络就是一些互连的、自洽的计算机系统的集合。
在计算机网络发展的不同阶段，对计算机网络的定义是不一样的，但这个不是考试的重点。
广义观点的定义：计算机网络是能实现远程信息处理的系统或进一步能达到资源贡献的系统。
资源共享观点的定义：计算机网络是以能够相互共享资源的方式互连起来的、自治的计算机系统集合。
用户透明性观点的定义：计算机网络是一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，它能够调动用户所需要的资源，整个网络像一个大的计算机系统一样对用户透明。

王道：

和天勤差不多。

计算机网络的组成

谢

（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）和资源贡献。

同时在边缘部分介绍了：计算机的两大类通信方式：
<1>客户-服务器方式
<2>对等链接方式（P2P）

（2）核心部分：由大量网络和链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）。

同时在核心部分介绍了：三种不同的数据传输的方式：
<1>电路交换
<2>报文交换
<3>分组交换

天勤

（1）物理组成：
1.硬件：由主机、通信处理机、通信线路交换设备组成。
2.软件： 主要包括实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件。
3.协议：就是一种规则，数据在线路上传输也必须遵循一定的规则。
（2）工作方式组成
从工作方式上看，计算机网络可以分为边缘部分和核心部分。
<1>边缘部分：由所有连接在互联网上，供用户直接使用的主机组成，用来进行通信和资源共享。
<2>核心部分：由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务。
（3）功能组成
<1>通信子网：由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，为网络提供数据传输、交换和控制能力，实现联网计算机之间的数据通信。
通信子网包括物理层。数据链路层和网络层
<2>资源子网：由主机、终端以及各种软件资源、信息资源组成，负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与服务。

计算机网络分类

谢

1.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公里到几千公里，因而有时候也称为远程网（long　haul　network），谢这本书不讨论广域网。
（2）城域网　MAN（Metropolitan　Area　Network）
（3）局域网　LAN（Local　Area　Network）
（４）个人区域网PAN（Personal　Area　Network）
顺便指出，若中央处理器之间的距离非常近（如仅一米的数量级或者更小），则一般称为多处理机系统儿不称它为计算机网络。
2.按照网络的使用者进行分类
（１）公用网（public　network）
（２）专用网（private　network）

天勤

（１）按分布范围：广域网、城域网、局域网、个人区域网。
（２）按拓扑结构分类：星型网络、总线型网络、环形网络、网状形网络。
（３）按传输技术分类：广播式网络、点对点网络。
（４）按使用者分类：公用网、专用网。
（５）按数据交换方式分类：电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络。.

计算机网络结构体系与参考模型

谢

计算机网络体系结构的形成

计算机相互传送文件需要的准备：
（１）一条传送数据的通路
（２）发起通信的计算机必须将数据通信的通路激活（activate）。所谓激活就是要发出一些信令，保证要传送的计算机数据能在这条通路上正确的发送和接收。
（３）告诉网络如何识别接收数据的计算机。
（４）发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已经开机，并且与网络连接正常。
（５）发起通信的计算机中的应用程序必须弄清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好接收文件和存储文件的准备工作。
（６）若计算机文件格式不兼容，则至少其中一台计算机应完成格式转换功能。
（７）对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或者丢失，网络中某个节点交换机出现故障等，应当有可靠的措施保证对方计算机最终能收到正确的文件。
　
　为了设计这样复杂的计算机网络，早在最初的ARPANET设计时即提出了分层的方法。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干个较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。
　国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题。开放系统互连基本参考模型OSI／ＲＭ（Open　Systems　Interconnection　Reference　Model）称为OSI。
　OSI失败的原因可归纳为：
　（1）OSI的专家们缺乏实际经验，他们在完成OSI标准时缺乏商业驱动力。
　（2）OSI的协议实现起来太过复杂，而且运行效率很低。
　（3）OSI标准的指定周期太长，因而使得按OSI标准的设备无法及时进入市场。
　（4）OSI的层次划分不太合理，有些功能在多个层次重复出现。
　TCP/IP常被称为事实上的国际标准。

协议与划分层次

在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵循一些事先约定好的规则。

这些规则明确规定了所交换的数据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（network protocol）。 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各种相应；
（3）同步，即事件实现顺序的详细说明。
网络分层带来的好处
（1）各层之间是相互独立的。
（2）灵活性好。
（3）结构上可分割开。
（4）易于实现和维护。
（5）能促进标准化工作。
各层所需要完成的功能
（1）差错控制 使相应层次对等方的通信更加可靠。
（2）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。
（3）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。
（4）复用和分用 发送端几个高级会话复用一条底层的连接，数据传送结束后释放连接。
（5）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。
分层当然也有缺点，例如，有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生额外开销。

计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的结构体系（architecture）。换种说法，计算机网络的结构体系就是整个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义，总之，结构体系是抽象的，而现实是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

具有五层协议的体系结构

OSI的七层协议体系结构和TCP/IP的四层结构体系
（1）应用层（application layer）
通过应用程序进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。

应用层交互的数据单元称为报文（message）。

（2）运输层（transport layer）
运输层的任务就是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。
运输层主要使用以下两种协议
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，其数据传输单位是报文段（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）的传输服务（不保证数据传输的可靠性），其数据传送的单位是用户数据报。

（3）网络层（network layer）
网络层负责为分组交换网上不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层吧运输层产生的报文段或用户数据分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，或简称为数据报。
此书网络层、网际层、IP层都是同义语。

（4）数据链路层（data link layer）
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，这就需要使用专门的链路层的协议。在两个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧（framing） 在两个相邻的节点间的链路上传送帧（frame）。每一帧包括数据和必要的控制信息，可以帮助接收端检测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了差错的帧。

（5）物理层（physical layer）
在物理层上所传数据的单位时比特。注意传递信息所利用的一些物理传输媒介，并不在物理层协议之内么人实在物理层协议下面。因此也有人把物理层下面的物理传输媒体当作第0层。

TCP/IP协议族（protocol suite）
OSI参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的数据协议单元PDU（Protocol Data Unit）

实体、协议、服务和服务访问点

（1）协议是控制两个对等实体（或多个实体）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服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。也就是说下面的协议对上面的实体是透明的

协议是“水平的”，但服务时“垂直的”。
OSI把层与层之间交换的数据单位称为服务数据单元SDU（Service Data Unit）

天勤

网络分层结构

TCP/IP折中采用了4层结构模型（在教材中为了更好地描述各层的工作原理经常被看作5层）
三个专业术语：
（1）实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是一个特定的软件模块。
（2）对等层：不同机器上的同一层。
（3）对等实体：同一层上的实体。

协议

协议是一种规则，并且是控制两个对等实体进行通信的规则，也就是水平的。
协议由一下三个部分组成。
（1）语义：对构成协议元素的含义的解释。
（2）语法：数据与控制信息的结构或格式。
（3）同步：规定了事件的执行顺序。

接口

接口又称服务访问点，从物理层开始，每一层都向上层提供服务访问点，即没有接口就不能提供服务。
（1）服务数据单元（SDU）。第n层的服务数据单元，记作n-SDU
（2）协议控制信息（PCI）。第n层的协议控制信息，记作n-PCI
（3）接口控制信息（ICI）。第n层的接口控制信息，记作n-ICI
（4）协议数据单元（PDU）。第n层的数据服务单元（SDU）+第n层的协议控制信息（PCI）=第n层的协议数据单元，即n-SDU+n-PCI=n-PDU，表示的是同等层实体间传送的数据单元。
（5）接口数据单元（IDU）。第n层的数据服务单元（SDU）+第n层的控制接口信息（ICI）=第n层的接口数据单元，即n-SDU+n-ICI=n-IDU，表示的是在相邻层接口间传送的数据单元。

服务

服务指下层为相邻上层提供的功能调用。协议是水平的，而服务是垂直的，即下层向上层通过接口提供服务。
1.面向连接的服务和面向无连接的服务。
2.有应答服务与无应答服务。
3.可靠服务与不可靠服务。

计算机网络的性能

谢

计算机网络的性能指标

性能指标从不同的方面来度量计算机网络的性能。

1.速率

网络技术中的速率指的就是数据的传输速率，它也称为数据率（data rate）或者比特率（bit rate），速率的单位是bit/s（比特每秒）或bps bit per second。
当提到网络的速率的时，往往指的是额定速率或标称速率，并非网络实际上的速率。

2.带宽（bandwidth）

（1）带宽本来是指某个信号具有的频带宽度。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。因此，表示某信道允许通过的信号频带范围就成为该信道的带块（或通频带）。
（2）在计算机网络中，带宽用来表示网络中通道传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位事件内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。这种意义的带宽单位就是数据率的单位bit/s,是比特每秒。
前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的

3.吞吐量（throughput）

表示在单位事件内通过某个网络的实际数据量。
可用每秒传送的字节数或帧数来表示。

4.时延（delay 或 latency）

是指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间。时延是个很重要的性能指标，它有时也称为延迟或者迟延。

（1）发送时延 发送时延（transmission delay）是主机或路由器发送数据帧所需要的时间。（我们也叫传输时延，不过一般不叫和传播时延做区分）

发送时延=数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s）

（2）传播时延 传播时延（propagation delay）是电磁波在信道中传播一定距离需要花费的事件。

传播时延=信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速率（m/s)

发送时延发生在机器内部的发送器中（一般就是发生在网络适配器中）与传输信道的长度（或信号的传送距离）没有任何关系。

传播时延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。

（3）处理时延 ：主机或路由器需要花费一定的时间进行处理。
（4）排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但在分组进入路由器后要现在输入队列中排队等待处理。

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

5.时延带宽积

把以上讨论的网络性能的两个度量——传播时延和带宽——相乘，就得到另一个很有用的度量：传播时延带宽积。

时延带宽积=传播时延×带宽

时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

6.往返时间RTT（Round-Trip Time）

双方交互一次所需的时间。

发送时间=数据长度/发送速率

有效数据率=数据长度/(发送时间+RTT)

有文献把RTT称为往返时延（Round-Trip Time delay），强调发送方只要需要经过多长这样多的时间，才能知道自己所发送的数据是否被对方接收了。

利用率

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。

网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。

信道利用率或者网络利用率过高就会产生非常大的时延

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）易于管理和可升级性

天勤

时延

时延带宽积

往返时间

利用率