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第一章 概述
本章最重要的内容:
(1)互联网边缘部分和核心部分的作用,包含分组交换的概念;
(2)计算机网络的性能指标;
(3)计算机网络的分层体系结构,包含协议和服务的概念。
需要说明,这一章作为全书的概述,后面的章节均是由本章所提到的 5 层计算机网络体系结构,按照 应用层 -> 运输层 -> 网络层 -> 数据链路层 -> 物理层 的顺序进行展开。
一、计算机网络的概念和发展
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三类网络
电信网络、有线电视网络、计算机网络 -
计算机网络(简称网络)基本组成
由若干结点(计算机(主机Host)、集线器、交换机、路由器等)和连接这些结点的链路组成,是一些相互连接的、自治的计算机的集合。 -
互连网(interconnection network 或 internet)
由若干网络经路由器连接构成,是“网络的网络”,一般适用于局部范围内连接起来的计算机网络

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互联网(Internet)
最大的计算机网络,覆盖全球范围。 -
互联网两大基本特点
连通性:互联网使上网用户之间,不管距离多远,都可以非常便捷、经济的交换彼此信息,就好像互相连通一样。
共享性:就是指多方面的资源共享,包括信息共享,软件共享,硬件共享等。
二、计算机网络的组成
- 互联网组成(按工作方式区分)
边缘部分:由所有连接在互联网上的主机组成,用户直接使用,用于主机之间的通信和资源共享。
核心部分:由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,提供连通性和交换。

- 互联网的边缘部分
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计算机通信(主机通信)
指处于互连网边缘部分的主机间的进程之间的通信。两类主机(或称端系统)通信方式:客户-服务器方式(Client/Sever,C/S方式)和对等方式(Peer-to-Peer,P2P方式)。 -
客户-服务器方式(Client/Sever,C/S方式)
主机A如果运行客户端程序,而主机B运行服务端程序,客户A向服务端B发送请求服务,服务器B向客户A接收服务,这种情况下,就是以C/S的方式进行通信。我们所指的客户和服务器都是值通信中涉及的两个应用进程,而不是具体的主机。
客户程序必须知道服务器程序的地址。
常见应用有发送电子邮件、上网查阅找资料、QQ登录及维持登录状态。
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- 对等方式(Peer-to-Peer,P2P方式)
以对等方式进行通信,并不区分客户端和服务端,而是平等关系进行通信。在对等方式下,可以把每个相连的主机当成既是主机又是客户,可以互相下载对方的共享文件。
一般需要强大的硬件和复杂的操作系统。
常见应用有迅雷下载、uTorrent、酷狗音乐、QQ用户之间的信息传递。
- 对等方式(Peer-to-Peer,P2P方式)

- 互联网的核心部分
- 实现方式(也是核心功能):通过路由器(一种专用计算机,Router),实现分组交换(Packet switching)功能,转发收到的分组。
- 交换的概念:按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
- 三种交换方式及其特点:
- 电路交换(Circuit switching):整个报文的比特流连续地从源点直达终点,好像在一个管道中传送,电话。
- 报文交换(Message switching):报文交换一—整个报文先传送到相邻结点,全部存储下来后查找转发表,转发到下一个结点,电报。
- 分组交换(Packet switching):分组交换一—单个分组(这只是整个报文的一部分)传送到相邻结点,存储下来后查找转发表,转发到下一个结点,因特网。
其中,报文交换和分组交换为存储转发方式(Store-forward)。
- 电路交换
- 工作方式:直接利用可切换的物理通信线路,连接通信双方
- 三个步骤:建立连接 (占用通信资源,即拨号等待时间) -> 通话 (一直占用通信资源) -> 释放连接 (归还痛惜资源)
- 优缺点:
- 建立专用连接,可靠性高
- 数据传输延迟较短
- 一旦建立连接,整个通道将被独占
- 线路的传输效率往往非常低


- 报文交换
工作原理:信息以报文(逻辑上完整的信息段)为单位进行存储转发,报文长度固定,不进行分组操作。无需建立连接,一站站往下传,只要下一站不忙即发送。数据中必须包含目的地址,采用存储转发机制。
优缺点:
- 线路利用率高
- 要求中间结点(网络通信设备)缓冲大
- 延迟时间长
- 分组交换
- 工作原理:信息以分组为单位进行存储转发。源结点把报文分为分组,在中间结点存储转发,目的结点把分组合成报文。
- 报文(Message):要发送的整块数据
- 分组(Packet):又称包,比报文还小的信息段,可定长,也可变长
- 首部(Header):含有地址等控制信息
- 存储转发(Store-forward):交换机(路由器)接收分组并存储,然后根据接收到的分组首部中的地址信息,通过查询自身的转发表,从而把分组转发到下一个结点交换机,继续此过程直到最终目的地
- 实现存储转发的关键构件:路由器(一种专用计算机,Router)
- 路由器处理分组的过程:
- 把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哪个端口转发;
- 把分组送到适当的端口转发出去 - 优点:
- 高效:在分组传输过程动态分配传输带宽,对通信链路逐段占用
- 灵活:为每个分组独立选择最合适的转发路由
- 迅速:以分组为单位传输,不用建立和释放连接
- 可靠:保证可靠性的网络协议;分布式多路由器的分组交换网,有很好的生存性 - 缺点:
- 分组在各结点存储转发时需要排队,这就会造成一定的时延
- 非面向连接,无法保证通信时端到端的带宽
- 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


- 三种交换方式的比较
- 电路交换适用于需要传送大量数据,且传送时间远大于连接建立时间的情形,在线路带宽较低的情况下使用比较经济,如实时信息和模拟信号传送(例如视频、音频);
- 报文交换和分组交换无需预先分配带宽,在传送突发性数据时信道的利用率较高;但报文交换延迟大,一般不用于网络通信;
- 分组交换缩短了延迟,也能满足一般的实时信息传送。在高带宽的通信中更为经济、合理、可靠。
三、计算机网络的类别
- 按网络尺度分类
- 个人局域网(PAN):如 WPAN(蓝牙/ZigBee)
- 局域网(LAN):如校园网,WiFi
- 城域网(MAN):如有限电视网,WiMAX
- 广域网(WAN):如通信子网(ISP提供), 4G,5G…

- 按拓扑结构分类

- 按网络使用者进行分类
- 公用网 (Public Network) :公众网,对外开放。例如电信的中国公用计算机互联网CHINANET
- 专用网 (Private Network):不对外开放,例如教育网、科技网或军队、铁路、电力等部门的专用网络