计算机网络

第一章 概述

1.1计算机网络

<1>重要特征：1.数字化 2.网络化 3.信息化 ——以网络为核心的信息时代

<2>三种网络：1.电信网络 2.有线电视网络 3.计算机网络

<3>三网融合 三网融合为现代计算机网络

<4>互联网 （因特网、Internet）： 由极大数量的各种计算机网络互连在一起。

<5>互联网的两个基本特点：a.连通性 b.共享：信息共享、软件共享、硬件共享…

<6>互联网+：一种新的经济形态，把互联网的创新成果深度融合于经济社会的各领域之中。

1.2互联网概述

1.2.1网络的网络

<1>网络：计算机网络的简称

<2>计算机网络：由若干节点和连接这些节点的链路组成

<3>节点：计算机、集线器、交换机或路由器等

<4>路由器：是一种特殊的计算机（有中央处理器CPU、存储器、操作系统OS等），但不能称为主机

<5>主机：网络把许多计算机连接在一起，而互联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通常称为主机。

<6>网络互连：在已安装可正常工作的软件的计算机之间通过网络交换信息。

1.2.2互联网基础结构发展的三个阶段

第一阶段：单个网络ARPANET向互联网发展的过程

<1>TCP/IP协议：1983年，TCP/IP协议为ARPANET的标准协议，所有使用TCP/IP的计算机才能利用互连网相互通信。

<2>Internet与internet

a.Internet是互联网，全球最大的、开放的、由众多网络相互连接形成的特定互联网。采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET（美国是69年建立的ARPNET -- 中国是89年建立的CNPAC -- TCP/IP协议是74年产生的）。

b.internet是互连网，多个计算机网络互连而成的计算机网络。这些网络之间的通信协议可以任意选择，不一定为TCP/IP协议。

理解：类似于c++中的类和对象关系 internet是类 Internet是前者实例化的最大对象。

第二阶段：三级结构的互联网（NSFNET国家科学基金网），它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网、校园网（或企业网）。

<1>主干网：可以使不同地区之间的用户相互通信。

<2>地区网：可以完成本地区管辖范围内各校园网或企业网之间的相互通信。

第三阶段：逐渐形成全球范围的多层次ISP结构的互联网：1993年开始，NSFNET逐渐被若干个商用的互联网主干网取代，出现了互联网服务提供者ISP，也称为互联网提供商，例如中国电信、中国联通、中国移动

<1>ISP：互联网服务提供者，可以从互联网管理机构申请到许多IP地址（互联网的主机必须有IP地址才能上网），同时拥有通信线路、路由器等联网设备。根据提供服务的覆盖面积和拥有的IP地址数目的不同，ISP分为主干ISP、地区ISP、本地ISP。

a.主干ISP：由几个专门的公司创建和维护，并拥有高速主干网

b.地区ISP：一些较小的ISP，通过一个或多个主干ISP连接在一起

c.本地ISP：给用户（也称作端用户）提供直接的服务。绝大多数用户都是直接连接本地ISP（互联网服务的盈利公司、企业、非盈利机构--大学）。

<2>.IXP：（互联网交换点）允许两个ISP网络直接相连并交换分组，IXP由一个或多个网络交换机组成。

<3>内容提供者（content provider）,类似于京东 淘宝 4399小游戏

<4>万维网（WWW）：Web 可以用链接的方法从互联网上的一个站点访问另一个站点。

1.2.3互联网标准化工作

<1>互联网协会（ISOC）：对互联网进行全面管理以及在世界范围内促进其发展和使用

<2>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

<3>IETF与IRTF：

a.IETF：（互联网工程部IETF），IETF是由许多工作组WG组成的论坛,研究短期、中期的工程问题，主要针对于协议的开发和标准化。

b.IRTF（互联网研究部），IRTF是由许多研究组RG组成的论坛研究一些需要长期考虑的问题，包括互联网的一些协议、应用、体系结构等

<4>RFC文档：（Request For Comments）所有互联网的标准都是以RFC的形式在互联网上发表，开放、面向公众。RFC文档按照发表时间先后编上序号，即RFC XXXX.

<5>制定互联网正式标准的三个阶段：

a.互联网草案 （有效期六个月）

b.建议标准（在此阶段开始成为RFC文档）

c.互联网标准（编号为STDXX）

<6>其他三种RFC文档：

a.历史的RFC文档

b.实验的RFC文档

c.提供信息的RFC文档

拓展：IEEE 802委员会 专门制定局域网和城域网的标准的机构 802.3 - 以太网工作组 802.11 无线局域网工作组 802.15 无线个人局域网工作组

1.3互联网的组成

1.3.1互联网的边缘部分

<1>计算机之间的通信：主机A的某个进程和主机B的某个进程进程进行通信

<2>端系统的两种通信方式:

a.客户-服务器方式（C/S方式）

b.平等连接方式（P2P方式）

<3>客户程序：被用户调用运行后，在通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务），客户必须要知道服务器程序的地址，不需要特殊的硬件和复杂的操作系统。

<4>服务器程序：一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求，系统启动后即不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。服务器程序不需要知道客户程序的地址。一般需要有强大的硬件和高级的操作系统支持。

<5>补充：

a.处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机，这些主机又称为端系统，大的端系统可以是一台价格极其昂贵的大型计算机（通常称为服务器）

b.客户（服务请求方）和服务器（服务提供方）都要使用网络核心部分提供的服务。

1.3.2互联网的核心部分

<1>网络核心部分是互联网中最复杂的部分，网络的核心部分（常采用网状拓扑结构）要向网络的边缘部分的大量主机提供连通性，是边缘部分中的任何一台主机都能够与其他主机通信

<2>路由器:一种专用计算机，实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组。在路由器收到一个分组后，先暂时存储一下，检查包头，查找转发表，按照包头的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器。每个路由器之间必须经常交换掌握彼此间的路由信息，以便创建和动态维护路由器中的转发表，使转发表能够在整个网络拓扑中发生变化时及时更新。

<3>交换：按照某种方式动态的分配传输线路的资源

<4>电路交换：经过 ” 建立连接 ” -> ” 通话 ” -> ” 释放连接 ”三个步骤的交换方法叫做电路交换。特点:在通话全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源

<5>报文：发送的整块数据

<6>分组：再发送报文之前，会将报文划分为一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息（目的地址、源地址等重要信息）组成的首部（包头）后，就构成了一个分组（包）

<7>分组交换（包交换）：分组交换采用存储转发技术，实现通信双方数据交互的通信方式。

<8>分组交换的优点：

a.高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用

b.灵活：为每一个分组独立的选择最合适的转发路由

c.迅速：以分组作为传送单位，不先建立连接就能向其他主机发送分组

d.可靠：保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，是网络有很好的生存性

<9>三大交换特点：

1.电路交换：整个报文的比特流连续的从源点直达终点

2.报文交换：整个报文先传送到相邻节点，全部储存下来后查找转发表，转发到下一个节点

3.分组交换：单个分组（只是报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。

1.4计算机网络在我国的发展

<1>1980年开始计算机联网实验，1989年11月建成第一个公用分组网CNPAC。

<2>1994年4月20日，我国以64kbit/s专线正式进入互联网——我国被正式认可为接入了互联网的国家。

<3>中科院高能物理研究所同年5月建立了第一个万维网服务器，并于9月中国公用计算机联网CHINANET正式启动

<4>五个规模最大的共用计算机网络:

a.中国电信互联网CHINANET

b.中国联通互联网UNINET

c.中国移动互联网CMNET

d.中国教育和科研计算机网CERNET

e.中国科学技术网CSTNET

1.5计算机网络类别

1.5.1计算机网络的定义

<1>计算机网络定义：计算机网络主要是由一些通用的、可以编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的，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。

<2>所连硬件：a.不限于一般的计算机，而是包括了智能手机、智能电视机

b.计算机网络并非专门用来传送数据，而是支持很多应用

c.可编程的硬件说明一定要包含中央处理器CPU

1.5.2几种不同类别的计算机网络

<1>按照网络的作用范围分类

a.广域网WAN（或称远域网）几十到几千公里

b.城域网MAN 5~50km

c.局域网LAN 1km左右

d.个人区域网PAN 10m左右

注意：当CPU之间的距离<1m，则一般称为多处理机系统，而不成为计算机网络

<2>按照网络的使用者分类

a.公用网

b.专用网

<3>用来把用户接入到互联网的网络：接入网AN（又称本地接入网、居民接入网），很多接入网还是属于局域网

1.6计算机网络的性能

1.6.1计算机网络的性能指标

<1>速率：数据的传输速率（也称数据率、比特率），一般所提到的网络的速率指的是额定速率或标称速率，而非网络实际运行的速率.单位：bit/s

k = 10^3 M = 10^6 G = 10^9 T = 10^12

数据量：B 1B =8bit k =2^10 M = 2^20 G = 2^30 T = 2^40

<2>带宽：两种含义：

a.频域：某个信号具有的频带宽度，信号的带宽指的是该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围，单位为Hz。比如电话信号的标准带宽为3.1KHz（从300Hz到3.4Hz，即话音的主要频率范围）

b.时域：计算机网络中表示网络中某通道传送数据的能力，表示单位时间内网络中某信道所能通过的 ”最高数据率” ，单位：bit/s

<3>吞吐量：单位时间内通过某个网络的实际数据量，吞吐量受网络带宽、网络额定速率的限制，接入到互联网的主机的实际吞吐量取决于网络的具体情况。

高速网络链路，提高的仅仅只是数据的发送速率而不是传播速率

<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要的时间.

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

a.发送时延：主机或路由器发送数据帧所花的时间。发送时延 = （数据帧长度）/（发送速率）

b.传播时延：电磁波在信道中传播一定距离所花时间。传播时延 = （信道长度）/（电磁波在信道上的传播速率）。

c.处理时延：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理

d.排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但是分组进入路由器后要现在输入队列中排队等待处理，在路由器确定转发接口后，再在输出队列中排队等待转发。排队时延的长短取决于网络的通信量，如果网络的通信量很大导致队列溢出则会导致分组丢失，相当于排队时延为无穷大

<5>时延带宽积（又称为以比特为单位的链路长度）：

传播时延*带宽，只有代表链路的管道都充满比特时，链路才得到最充分的利用。

<6>往返时间RRT（或往返时延）：双向交互一次所需的时间。

<7>利用率：

a.信道利用率：完全空闲的信道利用率为0，当信道的利用率增大时，该信道引起的时延会迅速增加

b.网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值，当网络通信量很少时，网络产生的时延并不大，反之，会急剧增大。

D：网络当前时延

Do：网络空闲时延

U：网络利用率

D = （Do）/（1 - U）

当信道利用率或网络利用率过高时就会产生非常大的时延。因此，对于一些拥有较大主干网的ISP通常控制信道利用率不超过50%。超过了，就要准备扩容，增大线路的带宽。

1.6.2 计算机网络的非性能特征

费用、质量、标准化、可靠性、可扩展型和可升级性、易于管理和维护。

1.7 计算机网络的体系结构

1.7.1计算机网络体系结构的形成

<1>开放系统互连基本参考模型OSI/RM

正式文件：ISO 7498国际标准

<2>OSI失败原因：a.OSI的专家缺乏实际经验，他们在完成OSI标准时缺乏商业驱动力

b.OSI的协议实现起来过分复杂，而且运行效率很低

c.OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场

d.OSI的层次划分不太合理，有些功能在多个层次中重复出现

<3>TCP/IP协议：事实上的国际标准

1.7.2 协议与划分层次

<1>网络协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

<2>网络协议主要有以下三个要素组成：

a.语法：数据与控制信息的结构或格式

b.语义：需要发出的何种信息，完成何种动作以及做出何种响应

c.同步：事件实现顺序的详细说明

<3>协议的两种形式

a.便于人来阅读和理解的文字描述

b.让计算机能够理解的程序代码

<4>分层的好处：

a.各层之间是独立的

b.灵活性好

c.结构上可分割开

d.易于实现和维护

e.能促进标准化工作

<5>各层要完成的功能：

a.差错控制

b.流量控制

c.分段和重装

d.复用和分用

e.连接建立和释放

<6>计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构 ，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的功能的精确定义

1.7.3 具有五层协议的体系结构

OSI/RM七层标准模型 ：（应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层、物理层）

TCP/IP体系结构：（应用层、运输层、网际层IP、链路层）

五层协议体系结构：（应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层）

<1>应用层【报文】：计算机网络体系结构的最高层，通过应用进程之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

<2>运输层【报文段、用户数据报】：负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据运输服务。

·传输控制协议TCP:面向连接的、可靠的数据传输服务，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，数据传输的单位是用户数据报。

·复用与分用：复用：多个应用层进程之间可同时使用下面运输层的服务 分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中的相应进程。

<3>网络层【分组、包、IP数据报、数据报】：网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务

· 网络层的两个任务：a.通过一定算法，在互联网中的每一个路由器上生成一个用于转发分组的转发表 b.分组转发

<4>数据链路层【帧】：在相邻两个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，在两个相邻节点间的链路上传送帧，每一帧包括数据和必要的控制信息（同步信息、地址信息、差错控制）。

<5>物理层【比特】：在物理层上传输的数据的单位是比特，依赖于物理传输媒体（第0层）。

<6>PDU与SDU

PDU：对等层次之间传送的数据单位称为PDU -- 协议数据单元

SDU：层与层之间交换的数据单元称为SDU -- 服务数据单元

多个SDU可以合成为一个PDU，一个SDU可以分为多个PDU

下层协议为上层协议提供服务，上层协议数据单元PDU将会成为下层的服务数据单元SDU。SDU加上控制信息，组成PDU。

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

<1>实体：任何可以发送或接受信息的硬件或软件进程（多数情况下，实体是一个特定的软件模块）

<2>协议：控制两个对等实体进行通信的集合，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，还需要使用下一层所提供的服务。使用本层服务的实体只能看得见服务，而看不到下面的协议，下面的协议对上面的实体是透明的。

<3>服务：被高一层的实体 ”看得见” 的功能才能称之服务，服务是垂直的

<4>服务原语：上层使用下层所提供的服务必须与下层交换一些命令，这些命令在OSI（开放系统互连基本参考模型）中称为服务原语。

<5>服务访问点：同一层系统相邻两层实体进行交互的地方

1.7.5 TCP/IP的体系结构

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