第一章、概述

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#网络协议 #信息与通信 #智能路由器

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1.1、计算机网络在信息时代中的作用

21世纪一些重要特征：数字化、网络化、信息化，它是一个以网络为核心的信息时代

三类网络：电信网络、有线电视网络、计算机网络

电信网络：向用户提供电话、电报以及传真等服务
有线电视网络：向用户传送各种电视节目
计算机网络：使用户能够在计算机之间传送数据文件

以Internet为代表的计算机网络得到了飞速发展

Internet译名：因特网、互联网（覆盖全球的、由数量极大的各种计算机网络互连起来的）

对于仅在局部范围互连起来的计算机网络，只能称之为互连网

互联网之所以能够向用户提供许多服务，就是因为互联网具有两个重要的基本特点：连通性和共享

连通性：互联网上面的用户不管距离多远都能交换各种信息，好像这些用户终端彼此连接一样；

共享：所谓共享就是资源共享（信息共享、软件共享、硬件共享），好像资源都在用户身边一样

1.2、互联网概述

1.2.1、网络的网络

计算机网络（简称网络）由若干节点和连接这些节点的链路组成（节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器登）

互连网（网络的网络）：多个网络通过路由器连接在一起

与网络相连计算机称为主机，路由器是一种特殊的计算机，但是不能称之为主机

网络将许多计算机连接在一起，而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

1.2.2、互联网基础结构发展的三个阶段

##第一阶段：最初为单个分组交换网ARPANET，后来这个单个的网络不能满足所有的通信需求，于是开始研究多种网络（如分组无线电网络），这就导致了互连网络的出现，称为现今互联网的雏形，后来TCP/IP协议称为APRANET 的标准协议，使得所有使用这个协议的互连网都能相互通信。

注意：

internet（互连网）：泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络，通信协议可以任意选择，不一定使用TCP/IP协议
Internet（互联网）：是一个专用名词，它指的是当前全球最大的、开放的、由众多网络互连而成的特定互联网，采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET

##第二阶段：特点是建立成了三级结构的互联网，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）；1993年互联网主干网的速率提高到45Mbit/s（T3速率）

这种结构的互联网就是为了让连接到互联网上的用户可以相互通信，地区网只能保证本地区的校园网和企业网的用户相互通信，而主干网可以使得不同地区的用户相互通信

###第三阶段：形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网，由美国政府资助的NSFNST逐渐被若个商用的互联网主干网代替；ISP（互联网提供商 Internet service Provider）

1.2.3、互联网的标准化工作

1992年建立国际性组织：互联网协会（ISOC）。其下有一个互联网体系结构委员会IAB负责管理互联网有关协议的开发。IAB其下设有两个工程部：互联网工程部IETF，具体工作由互联网工程指导小组IESG管理；互联网研究部IRTF，具体工作由互联网研究指导小组IRSG管理

制定互联网标准工作要经过三个阶段：

互联网草案
建议标准
互联网标准

1.3、互联网的组成

边缘部分：由所有连接在互联网上面的主机组成，这部分是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）

1.3.1、互联网的边缘部分

这些连接在网络上面的主机又称为端系统

计算机之间的通信实际上是一个计算机上的一个进程和另一个计算机上的一个进程进行通信

网络边缘部分的端系统通信方式分为两种：

1、客户-服务器模式（C/S）

2、对等连接方式（peer-to-peer，P2P）

客户端可以起到服务器的作用

1.3.2、互联网的核心部分

在网络核心部分起到重要作用的是路由器，它是一种专用计算机。路由器是实现分组交换的关键构建，其任务是转发收到的分组

三种交换方式：

1、电路交换：

建立连接（占用通信资源）-> 通话（一直占用通信资源）-> 释放连接（归还通信资源）

特点是在通信的过程中，通信的两个用户始终占用端到端的通信资源

用来作计算机通信效率很低，因为计算即通信时数据时突发式的出现在传输路线上的，真正用来进行传输的时间占比很低，因此被占用的通信路线在绝大部分时间内都是空闲的，资源没有得到充分利用并且还被占用，造成浪费

2、分组交换

将数据报文分为很多分组，在分组首部加上地址信息，每一个分组在互联网上尽心独立传输；

分组到一个路由器就查看转发表确定下一步往哪走（存储转发），每一个分组独立且可以有不同的路线

分组交换的特点：

高效：在分组交换的过程中动态分配传输宽带，对通信链路逐段占用
灵活：每一个分组独立的选择合适的转发路由
迅速：以分组作为传输单位，不先建立连接就能向其他主机发送分组
可靠：保证可靠的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使得网络有很好的生存性

缺点：有时延

3、报文交换

同样采用转发分组（存储转发），但是每一次转发的都是整个报文

4、三种交换方式比较

若要传输大量数据并且传送时间远大于连接建立时间就使用电路交换；报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传输突发数据时可以提高网络信道的利用率。由于一个分组的长度往往远远小于一个报文的长度，因此分组交换的时延比报文交换的小，也更加灵活

1.4、计算机网络的类别

1.4.1、计算机网络的定义

主要由一些通用的、可编程的硬件互连而成，这些硬件并非专门用来实现某一特定目的。这些硬件能够用来传输多种不同的类型的数据，并且能够支持广泛和日益增长的使用。

1.4.2、几种不同类别的计算机网络

1、按照网络作用范围：

广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个人区域网PAN

但是不能仅仅靠距离来分辨使用网络的类型。例子：两个用户距离很近，10m吧，但是他们进行通信时连接的都是广域网

2、按照网络的使用者分类

公用网、专用网

3、用来把用户接入到互联网的网络

接入网 AN（access Network）：起到用户和互联网进行连接的桥梁作用

1.5、计算机网络的性能

1.5.1、计算机网络的性能指标

1、速率

计算机发送的信号都是数字形式的，也就是0或1，即比特；网络中的速率值得就是数据的传输速率，也称比特率，单位bit/s；提到网络速率时，指的一般是额定速率，而不是网络实际上运行的速率

2、带宽

带宽原本指的是信号具有的频带宽度（一个信号所包含的各种频率所占据的频率范围）这种带宽的单位是赫

在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传输数据的能力，即数据传输的’最高数据率‘，单位为bit/s

前者为频域称谓，后者为时域称谓

3、吞吐量

表示单个时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量；

4、时延

发送时延（传输时延）：主机或者路由器发送数据帧所需要的时间；发送时延=数据帧长度/发送速率

传播时延：电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间，电磁波在自由空间的传播速率是光速，即3.0*10^5km/s，在网络传输媒体中比在自由空间要略低一些：在铜线电缆上的传播速率约为2.3*10^5km/s，在光纤中传播速率约为2.0*10^5km/s；

处理时延：主机或者路由器在收到分组之后要花时间进行处理

排队时延：在路由器确定转发接口之后，还要在输出队列中排队等待转发

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

在实际问题中，要分清是哪种时延占据主导地位

5、时延带宽积

传播时延和带宽相乘，也可以表示这个管道的体积即这样的链路可以容纳多少个比特位

6、往返时间RTT

往返时间即一个信号从A已经发出之后由B收到并且给A返回收到信息的时间

有效数据率=数据长度/（发送时间+RTT）

7、利用率

信道利用率：信道有百分之几是有数据经过的；

网络利用率：所有信道的利用率的加权平均值

利用率不是越高越好，这好比是公路上的车流一样，若是利用率很高，那么交通拥堵，这样走相同距离的路所要的时间就增加了；所以信道利用率过高就会产生很大的时延

一些较大主干网的ISP通常控制信道利用率低于50%，若超过了就要增加线路的带宽来扩容

1.5.2、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、易于管理和维护

1.6、计算机网络体系架构

计算机采用分层的体系架构，可将庞大的问题转为简单、局部的问题去解决

国际标准化组织ISO提出 开放系统互连基本参考模型（OSI）-- 法律上的国际标准

事实上的国际标准 TCP/IP

1.6.1、协议与划分层次

网络协议：为进行网络中数据交换而建立的规则、标准或约定

网络协议三要素：

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

分层的好处：

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

各层需要完成的功能：

差错控制
流量控制
分段和重装
复用和分用
建立连接和释放

计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构；即计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成功能的精确定义

体系结构是抽象的，但是实现是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件

1.6.2、具有五层协议的体系结构

OSI简记：物联网叔会使用；

TCP/IP简记：接网叔用；

五层协议简记：物联网叔用

五层协议的体系结构简单介绍：

（1）应用层：

任务：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用，针对的是应用进程间通信和交互的规则；数据单位为报文

（2）运输层：

任务：向两台主机间进程之间的通信提供通用的数据传输的服务

运输层主要使用的两种协议：

传输控制协议TCP--通过面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段
用户数据报协议UDP--提供无连接的尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），其用户传输的单位是用户数据报

（3）网络层：

负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务；在发送数据时网络层把运输层产生的报文段或数据封装程分组或者包进行传送；在TCP/IP体系中，分组也叫IP数据报

网络层的具体任务有两个：1、通过一定的算法，在互联网中每一个路由器上面生成一个用来转发分组的转发表；2、在路由器接收到一个分组时，依据转发表中指明的路径将分组转发到下一个路由器

（4）数据链路层：

两台主机间的传输，是一段一段的链路上传输的，这就要使用专门的链路层的协议，在两个节点之间传输数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在相邻两个节点间传输帧；帧包括数据和控制信息；控制信息发现差错要进行处理，那么数据链路层不仅要检错还要纠错。

（5）物理层

在物理层上传输的单位是bit

协议数据单元PDU：对等层次之间传输数据的单位称为协议数据单元

1.6.3、实体、协议、服务和服务访问点

实体：表示任何可发出或接收信息的硬件或软件进程

协议：控制两个或者多个实体之间通信规则的集合

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次提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务；

使用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，而服务是垂直的

服务访问点（SAP）：同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方