第一章 概述

 

1.1 计算机网络在信息时代中的作用

 

有三大类大家很熟悉的网络，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。按照最初的服务分工，电信网络向用户提供电话、电报及传真等服务；有线电视网络向用户传送各种电视节目；计算机网络则使用户能够在计算机之间传送数据文件。这三种网络在信息化过程中都起着十分重要的作用，但其中发展最快并起着核心作用的则是计算机网络，而这正是本书所要讨论的内容。

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基本特点，即连通性和共享。所谓连通性，就是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，好像这些用户终端都彼此直接连通一样。所谓共享就是指资源共享。资源共享的含义是多方面的，可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。

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1.2 互联网的概述

 

计算机网络的定义

计算机网络，是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多台计算机及其外部设备连接起来，在功能完善的网络软件和协议管理下，实现网络的硬件、软件及资源共享和信息传递的系统。计算机网络由若干节点和连接这些节点的链路组成。

互连网和互联网

以小写字母 i 开始的 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。在这些网络之间的通信协议(即通信规则)可以任意选择，不一定非要使用TCP / IP协议。

以大写字母I开始的 Internet(互联网)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。

互联网的发展分为三个阶段

1. 从单个网络APPANET向互联网发展；TCP / IP协议的初步成型
2. 建成三级结构的互联网；分为主干网、地区网和校园网；
3. 形成多层次ISP结构的互联网; 互连网服务提供者ISP首次出现。ISP又被称为互联网服务提供商，例如：中国电信，中国联通，中国移动

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1.3 互联网的组成

 

从工作方式来看，可以分为两部分

1.互连网的边缘部分（资源子网）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)和资源共享。

在网络边缘的端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：客户-服务器方式(C/S方式)和对等方式(P2P方式)

（1）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。客户是服务请求方，服务器是服务提供方。

（2）对等连接方式是指两个主机运行对等连接软件，进行平等的、对等连接通信，不区分服务请求方和提供方。

2.互连网的核心部分 （通信子网）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)。网络核心部分是互联网中最复杂的部分。

网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信 (即传送或接收各种形式的数据)。

在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。

路由器是实现分组交换(packet switching) 的关键构件,其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

（1）电路交换

电路交换分为三个阶段：

1.建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用；

2.通信：主叫和被叫双方就能互相通电话；

3.释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路 (释放刚才占用的所有通信资源)。

特点：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

用来传输计算机资源时，效率低：计算机数据具有突发性。这导致在传送计算机数据时，通信线路的利用率很低 。

（2）报文交换：通过中间的节点直接存储信息，可以直接传输，资源利用率高，但需要存储整个报文，所以会有延迟

（3）分组交换（是报文交换的进阶）：分组交换采用存储转发技术。

基本原理：在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。发送端，在每一个数据段前面添加上首部构成分组（首部中含有目的地址和源地址）。接收端，收到分组后剥去首部还原成报文。

三种交换的比较

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1.4 计算机网络在我国的发展

 

我国建造的规模最大的基于互联网技术并能够和互联网互连的多个全国范围的公用计算机网络：

(1)中国电信互联网CHINANET (也就是原来的中国公用计算机互联网)

(2) 中国联通互联网UNINET

(3) 中国移动互联网 CMNET

(4)中国教育和科研计算机网 CERNET

(5) 中国科学技术网 CSTNET

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1.5 计算机网络的类别

 

按照网络的作用范围进行分类

广域网 WAN（几十到几千公里，高速链路）、城域网（5-50公里）、

局域网 LAN（1公里左右）、个人区域网 PAN（10米左右）

按照网络的使用者进行分类

公用网(public network) 、专用网(private network)

用来把用户接入到互联网的网络

接入网 AN (Access Network)

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1.6 计算机网络的性能

 

1.计算机网络的性能指标

（1）速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率(datarate)或比特率(bit rate)。单位是bit/s（比特每秒）或b/s、bps。当速率较高时，就常常在bit/s的前面加上一个字母，例如k(kilo)=103=千，M(Mega)=106=兆，G(Giga)=109=吉,T(Tera)=1012=太，P(Peta)=1015=拍，E(Exa)=1018=艾，Z(Zetta)=1021=泽,Y(Yotta)=1024=尧

当提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，而并非网络实际上运行的速率。

 

（2）带宽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”。单位是bit/s

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。

 

（3）吞吐量 表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

 

（4）时延是指数据 (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。

网络中的时延由以下几个不同的部分组成：

① 发送时延，也称为传输时延。

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 = 数据帧长度 (bit) / 发送速率 (bit/s)

② 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。

传播时延= 信道长度(米)/信号在信道上的传播速率 (米/秒)

③ 处理时延

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。

④ 排队时延

分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。

总时延 =发送时延+传播时延 +处理时延 +排队时延

对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。

提高链路带宽减小了数据的发送时延。

 

（5）时延带宽积

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

时延带宽积(bit)=传播时延(s)×带宽(bit/s)

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。

 

（6）往返时间

往返时间RTT 表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。

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。

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）

 

（7）利用率

分为信道利用率和网络利用率。

信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)。

完全空闲的信道的利用率是零。

网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。

信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

 

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

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1.7 计算机网络体系结构

 

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(networkprotocol)。网络协议也可简称为协议。主要由以下三个要素组成：

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何种响应；
3. 同步，即事件实现顺序的详细说明。

计算机网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。

体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。

实现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。

 

五层协议的体系结构

1 物理层 在物理媒体上透明传输比特率

2 数据链路层 在两个相邻结点间的链路上传输帧数据

3 网络层 为分组交换网上的不同主机提供通信服务

4 运输层 为两个主机中的进程间通信提供服务

5 应用层 为用户的应用进程提供服务

（运输层最重要的协议是TCP 和UDP 协议，而网络层最重要的协议是IP协议）

 

• 实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
• 协议是控制两个对等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。
• 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP(Service Access Point)。
• 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。
• 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。