计算机网络——一、概述

第一章 概述

一、网络

网络的功能：1、数据通信 2、资源共享

二、互联网概述

• 计算机网络（简称网络）：将分布在不同物理位置的具有独立功能的计算机系统（若干节点）利用通信设备和线路相互连接起来（链路），在网络协议和软件的支持下进行数据通信实现资源共享的计算机系统的集合。
• 互连网（internet）（“网络的网络”）：通过路由器将网络互连起来。

• 互连网与互联网的区别：

  互联网：指Internet，又称国际网络指的是网络与网络之间所串连成的庞大网络。这些网络以一组 通用的协议相连，形成逻辑上的单一巨大国际网络。
  互连网：是由开关元件按一定拓扑结构和控制方式构成的网络。就是几台电脑相互通过某种协议连起来，就算是一个互连网。

  现在基本上通用了。

• 互联网发展的三个阶段：

  1. 第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。

     1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议。

     人们把1983年作为因特网的诞生时间。

  2. 第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。

     三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

  3. 第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。

     出现了 ISP (Internet Service Provider)因特网服务提供者。

三、因特网的组成：

• 从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：
  1. 边缘部分 ：由所有连接在因特网上的主机组成。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（提供连通性和交换）。

• 边缘部分

  1. 处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(end system)。
  2. 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”。
  3. 即“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信” 。

• 在网络边缘的端系统中运行的程序之间的工作方式通常可划分为两大类：

  1. 客户服务器方式（C/S 方式）， 即 Client/Server方式

     客户(client)和服务器(server)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。
     在这里插入图片描述

  2. 对等方式（P2P 方式），即 Peer-to-Peer方式 （更快）

     在对等连接(peer-to-peer，简写为P2P) 方式的网络应用中，通常没有固定的服务请求者和服务提供者，分布在网络中的应用进程是对等的，被称为对等方。

     对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。

     例如主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户，D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。

  

四、计算机网络的分类

• 从网络的作用范围进行分类
  1. 广域网 WAN (Wide Area Network) 范围：几十到几千公里（跨越不同国家）。
  2. 城域网 MAN (Metropolitan Area Network) 范围：5~50km（城市之间）。
  3. 局域网 LAN (Local Area Network) 范围：1km左右（企业网、校园网）。
  4. 个人区域网 PAN (Personal Area Network) 范围：10m（ 个人工作或学习）。
• 从网络的使用者进行分类
  1. 公用网 (public network) ：电信公司建造，交钱就能用，即公众网。
  2. 专用网 (private network) ：特殊部门或行业专用，不对外。例：军队，铁路，银行等。

五、计算机网络的主要性能指标

• 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。

  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。

  速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等。

• 带宽：“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度（模拟信号），单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。

  现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语（数字信号），单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。

• 吞吐量：吞吐量/吞吐率(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

  吞吐量更经常地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。

  受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

• 时延

  • 发送时延（传输时延 ）： 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。发送速率 通常是以信道最高数据率发送数据，因此就是信道带宽。

• 传播时延 ：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

• 处理时延 ：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。

• 排队时延 ：结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量，随时间变化会很大。

• 三种时延所产生的地方
  

• 丢包率

  丢包率越大，网络越差

  丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，分组在传输过程中丢失的分组数量与总的分组数量的比率。

  具体：接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等。

  在现代计算机网络中网络拥塞是丢包的主要原因。因此，丢包率往往反映了网络的拥塞情况。

六、计算机网络的非性能特征

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 可扩展性和可升级性

七、计算机网络协议与划分层次

• 网络协议（简称协议）：是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

• 协议三要素：

  1. 语义：规定通信双方需要发出什么样的控制信息，完成什么样的动作以及做出什么样响应等等。（做什么，What） 。
  2. 语法：规定传输的数据格式与通信的控制信息的格式（怎么做，How），例如，地址字段多长以及它在整个分组中的什么位置。
  3. 时序（同步）：通信进程的时间顺序和传输速度匹配（何时做，When），包括数据应该在何时发送出去以及数据应该以什么速率发送。

• 分层：可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

• 分层的好处：

  1. 各层之间是独立的。
  2. 灵活性好。
  3. 结构上可分开。
  4. 易于实现和维护。
  5. 能促进标准化工作。

• 邮政系统分层实例：

• 计算机网络的三种体系结构：

  1. OSI（开放系统互连参考模型OSI/RM）：应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。

  2. TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。但最下面的网络接口层并没有具体内容。

  3. 将OSI与TCP/IP采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。

OSI与TCP/IP的比较：

• 五层协议的主要功能：

  1. 物理层 : 如何在物理媒体上传送比特流。（单位：比特流）
  2. 数据链路层:相邻节点间分组(帧)的传输 。 （单位：帧） （PPP, 以太网）
  3. 网络层: 如何将分组从源主机通过中间路由器传送到目的主机 。(单位：分组)（IP, 选路协议）
  4. 运输层:提供不同主机上应用程序间的数据传输服务 。 （单位：报文） （TCP, UDP）
  5. 应用层:如何通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。（单位：报文)（FTP, SMTP, STTP）

• 数据在各层之间的传递过程：

1. 数据封装：数据在发送前，必须在其头部或尾部加上必要的信息，这些信息包含了提供给网络设备和接收方的控制信息，以确保数据能够在网络中正确地传输，接收方可以正确解释这些信息。
2. 数据的解封装：数据解封装是指当网络中的接收方通过网络介质收到比特流后，将数据从物理层依次上传给OSI参考模型的上层的过程。数据解封装与数据封装正好相反，是将数据从OSI参考模型的下层上传到上层时，将封装过程中加上的控制信息去掉。

• 实体、协议和服务 ：

  • 实体：任何可发送信息或接收信息的硬件或软件进程。

  • 对等实体：处于不同系统的相同层次的实体称为对等实体。

  • 协议：两个对等实体之间进行通信的规则的集合。

  • 接口：同一系统相邻层之间都有一个接口（Interface）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。