第一章 概述

1.1因特网概述

1.1.1网络、互联网和因特网

  • 网络(Network),由若干结点(Node) 和连接这些结点的 链路(Link) 组成。

  • 多个网络还可以通过路由器互联起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网，因此，互联网是 “网络的网络(Network of Networks)”。

  • 因特网(Internet)是世界上最大的互连网络(用户数以万记，互连的网络数以百万计)。

    internet与Internet的区别

    internet是一个通用的名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络，在这些网络之间的通信协议是可可以任意的。

    Internet则是一个专用的名词，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的计算机网络，它采用了TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。

1.1.2因特网发展的三个阶段

第一个阶段：1969年，美国国防部创建了第一个分组交换网APRANET；到了70年代中期，人们意识到不用、可能仅使用一个单独的网络来满足所有的通信问题，开始研究多种网络之间的互连；1983年TCP/IP协议成为ARPANET的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都能利用互联网相互通信，因此人们将1983年作为因特网的诞生时间。

第二阶段：从1985年，美国国家科学基金会NSF，就围绕6个大型计算机中心建设计算机网络，即国家科学基金网NSFNET。它是一个三级的结构网络，分为主干网、地区网和校园网/企业网。1990年，ARPNT任务完成，正式关闭。1991年，美国政府认为因特网要扩大范围，于是将因特网交给私人经营公式，开始对接入因特网的单位收费。

第三阶段：1993年，NSFNET逐渐被多个商用因特网主干网替代；政府机构不再负责因特网运营，让各种因特网服务提供者来运营。1994年，万维网WWW技术促使因特网迅猛发展。1995年NSFNET停止运作，因特网彻底商业化。

  • 因特网服务提供者ISP(Internet Service Provider)

普通用户通过ISP接入因特网。ISP可以从因特网管理机构申请到成块的IP地址，同时拥有通信线路以及路由器的等连网设备。任何机构和个人只要向ISP交纳规定的费用，就可以从ISP得到所需要的IP地址。因特网上的主机需要IP地址进行通信，

  • 基于ISP的三层结构的因特网

第一层ISP通常也被称为因特网主干网，一般能够覆盖国际性区域范围，并拥有高速链路和交换设备。第一层ISP之间直接互连。

第二层ISP和一些大公司都是第一层ISP的用户，通常具有区域性或国家性覆盖规模，与少数第一层ISP相连接。

第三层ISP又称为本地ISP，是第二层ISP的用户，且只拥有本地范围的网络。如一般的校园网或企业网，以及住在用户和无线移动用户。

1.1.3因特网的标准化工作

略

1.1.4因特网的组成

因特网由边缘部分和核心部分组成：

  • 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，用来进行通信（传输数据、音频或视频）和资源共享。例如大型服务器、主机、移动设备等。
  • 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)。

1.2 三种交换方式

计算机的三种交换方式，分别是电路交换、分组交换以及报文交换。

1.2.1电路交换(Circuit Switching)

  • 电路交换机拨通电话线的额方式称为电路交换；
  • 从通信资源的分配角度来看，交换就是按照某种方式动态地分配传输路线的资源；
  • 电路交换的三个步骤：
    • 建立连接(分配通信资源)
    • 通话(占用通信资源)
    • 释放连接(归还通信资源)

当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。

1.2.2分组交换(Packet Switching)

计算机网络通常采用分组交换而不是电路交换，在因特网中，最重要的分组交换机就是路由器，它负责将各种网络互连起来，并对接收到的分组进行转发，也就是分组交换。

以主机H6对H1进行信息传输，通常，将表示该信息的整块数据称为一个报文。在发送报文之前，先将一个较长的报文划分为一个个更小的等长数据段，再在每一个数据段前面加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组。也可简称为’包’，相应的，首部也可称为"包头"。添加首部的作用是包含了分组的目的地址。

分组交换机收到一个分组后，先将分组暂时存储下来，再检查其首部，按照首部中的目的地址进行查表转发，找到合适的转发接口，通过该接口，将分组转发给下一个分组交换机。本例中，主机H6将构造处的各个分组依次发送出去。各分组经过途中各分组交换机的存储转发，最终到达主机H2。


主机H2收到这些分组后，去掉他们的首部，将个数据段组合，还原出原始的报文。

注意：目前不涉及不同的路径和数据到达的先后顺序

不同模块的任务

  • 发送方 完成构建分组和发送分组
  • 路由器 缓存分组和转发分组
  • 接收方 接受分组和还原报文

1.2.3 报文交换(Message Stiching)

报文交换同分组交换，指只是报文交换对报文的大小没有限制，因而要求交换路由器由较大的交换空间，故已经落后了.

1.2.4 小结

电路交换、报文交换、分组交换的对比

1.3 计算机网络的定义和分类

1.3.1 计算机网络的定义

计算机网络的精确定义并未统一，计算机网络的最简单定义是：一些互相连接的、自治的计算机集合.

  • 互连 是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信 ；
  • 自治 是指独立的计算机，它由自己的硬件和软件，可以单独运行使用；
  • 集合 是指至少需要两台计算机；

计算机网络较好的定义是：计算机网络主要是由一些通用的、可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。和谐可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

1.3.2 计算机网的分类

  • 按交换技术分类

    • 电路交换网络
    • 报文交换网络
    • 分组交换网络
  • 按使用者分类
    • 公用网
    • 专用网
  • 按传输介质分类
    • 有线网络
    • 无线网络
  • 按覆盖范围分类
    • 广域网WAN
    • 城域网MAN
    • 局域网LAN
    • 个域网PAN
  • 按拓扑结构分类
    • 总线型网络
    • 星型网络
    • 环型网络
    • 网状型网络

1.4 计算机网络的性能指标

性能指标可以从不同的方面连度量计算机网络的性能，常用的计算机网络的性能指标有以下八个：速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、利用率、丢包率。

1.4.1 速率

比特：计算机中数据量的单位，也就是信息论中信息量的单位。一个比特就是二进制数字中的一个1或0.

常用的数据量单位：

8 bit = 1 Byte

KB = 210 B

MB=220 B

GB=230 B

TB=240 B

速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为比特率或数据率

bit/s (b/s,bps)

kb/s=103b/s (bps)

Mb/s=106b/s (bps)

Gb/s=109b/s (bps)

Tb/s=1012b/s (bps)

例题：有一个待发送的数据块，大小为100MB，网卡的发送速率为100Mbps，则网卡发送完该块数据块所需要的时长？

答： t=100MB100Mbps=220∗8b106b/s=8.388608st=\frac{100MB}{100Mbps}= \frac{2^{20}*8b}{10^6b/s}=8.388608 st=100Mbps100MB​=106b/s220∗8b​=8.388608s

1.4.2 带宽

带宽在模拟信号系统中的意义：信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。其基本单位是赫兹(Hz),常用的单位有千赫兹(kHz)，兆赫兹(MHz)，吉赫兹(GHz)。

带宽在计算机网络中的意义：表示通信线路所能够传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内从网络中某一点到另一点所能通过的“最高数据率”；常用的单位b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s。

1.4.3 吞吐量

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。吞吐量被经常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.

吞吐量受网络的带宽和额定速率的限制。

1.4.4 时延

分组从源主机传送给目的主机的过程中会有网络时延，发送时延、传播时延、处理时延三部分组成。

  • 发送时延 由网卡的发送速率、通道带宽、接口速率共同决定。计算公式 t=分组长度(b)发送速率(b/s)t=\frac{分组长度(b)}{发送速率(b/s)} t=发送速率(b/s)分组长度(b)​

  • 传播时延 计算公式 t=信道长度(m)电磁波传播速率(m/s)t=\frac{信道长度(m)}{电磁波传播速率(m/s)}t=电磁波传播速率(m/s)信道长度(m)​

    • 电磁波在自由空间的传播速率: 3∗108m/s3 * 10^8 m/s 3∗108m/s
    • 电磁波在铜 线的传播速率: 2.3∗108m/s2.3 * 10^8 m/s 2.3∗108m/s
    • 电磁波在光 纤的传播速率: 2.0∗108m/s2.0 * 10^8 m/s 2.0∗108m/s
  • 处理时延 一般不方便计算

在实际传输过程中，时延占主要部分是要具体情况具体分析

1.4.5 时延带宽积

时延带宽积=传播时延X带宽时延带宽积=传播时延X带宽时延带宽积=传播时延X带宽

若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达发送终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特。

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

1.4.6 往返时间

在许多情况下，因特网上的信息不仅是单向传输，而是双向交互，因此很需要知道双向交互一次所需要的时间，故往返时间**RTT(Round-Trip Time)**是一个重要的性能指标。

1.4.7 利用率

主要分为信道利用率和网络利用率：

  • 信道利用率 用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)。
  • 网络利用率 全网络的信道利用率的加权平均

根据排队论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也会迅速增加；因此信道利用率并非越高越好；若D0 表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，那么在适当的假定条件下，其与利用率U关系可以表示为:
​ D=D01−UD =\frac{D_0}{1-U} D=1−UD0​​

  • 当网络的利用率达到50%时，时延就要加倍
  • 当网络的利用率超过50%时，时延就急剧增大
  • 当网络的利用率接近100%时，时延就趋于无穷大

因此，一些拥有较大主干网络的ISP通常会控制他们的信道利用率不超过50%，如果超过了就要准备扩容，增大线路的带宽。也不能使信道利用率太低，会浪费信道资源。

1.4.8 丢包率

丢包率即分组的丢失率，是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。丢包率具体可分为接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等。丢包率是 网络运维人员非常关心的一个网络性能指标。

  • 分组丢包主要有两种情况：

    • 分组在传输过程中出现误码，被节点丢弃
    • 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃；在通信量较大时就可能造成网络拥堵
  • 丢包率反映了网络的拥堵情况：
    • 无拥塞时，路径丢包率为0；
    • 轻度拥塞时，路径丢包率为1%~4%
    • 严重拥塞时，路径丢包率为5%~15%

1.5 计算机网络体系结构

1.5.1 常见的计算机网络体系结构

为了使不同体系结构的计算机网络能够互连，提出了著名的"开放系统互连参考模型"，简称为OSI。该模型是一个七层协议的体系结构。从下往上依次是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层。

到了90年代初期，因特网使用TCP/IP协议族，并逐步演变成TCP/IP参考模型。该模型是一个四层协议的体系结构。从下往上依次是网络接口层、网际层、运输层、应用层。是事实上的国际标准。

在用户主机的操作系统中，通常都带有符合TCP/IP体系结构标准的TCP/IP协议族。用于网络互连的路由器中也带有符合TCP/IP体系结构标准的TCP/IP协议族，不过路由器一般只包含接口层和网际层。TCP/IP体系结构的网络接口层并没有规定什么具体的内容，目的是可以互连全世界各种不同的网络接口（如有线的以太网接口，无线的WiFi接口等）。

IP协议是TCP/IP体系结构网际层的核心协议。TCP和UDP是TCP/IP体系结构运输层的两个重要协议。TCP/IP体系结构的应用层包含了大量的应用层协议（如HTTP、SNTP、DNS、RTP等）。IP协议可以将不同的网络接口进行互连，并向其上的TCP协议和UDP协议提供网络互连服务。而TCP协议在享手IP协议提供的网络互连服务的基础上，可向应用层的相应协议提供可靠传输的服务，UDP协议在享手IP协议提供的网络互连服务的基础上，可向应用层的相应协议提供不可靠传输的服务。
IP协议作为TCP/IP体系结构中的核心协议，一方面负责互连不同的网络接口，另一方面，为各种网络应用提供服务。

1.5.2 计算机网络体系结构分层的必要性

计算机网络是个非常负责的系统，在ARPANET设计时就提出了分层设计理念。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容易研究和处理。

计算机网络面临的主要问题，以及如何将这些问题划分到相应的层次，层层处理

  • 物理层问题

    • 采用怎么样的传输媒体
    • 采用怎么样的物理接口
    • 使用怎么样的信号表示比特0/1；

  • 数据链路层问题

    • 如何标识网络中的各主机(主机编址问题，例如MAC地址)
    • 如何从信号所表示的一连串比特流中区分出地址和数据
    • 如何协调各主机争用总线

  • 网络层问题

    • 如何标识各网络及网络中的各主机(网络和主机共同编址的问题，例如IP地址)
    • 路由器如何转发分组，如何进行路由选择

  • 运输层

    • 如何解决进程之间基于网络的通信问题
    • 出现传输错误时，如何处理

  • 应用层

    • 通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用

小结：

1.5.3 计算机网络体系结构分层思想举例

假设网络的拓扑结构如下，由网络结构N1和网络结构N2和路由器共连，输入网站后，主机会向Weeb服务器发送请求，Web服务器收到相应的请求后，会回发相应的响应。主机的浏览器收到响应后，将其解析为具体的网页内容显示处出来。

主机和Web服务器之间基于网络的通信，实际上是主机上的浏览器进程与Web服务器的Web服务器应用进程之间基于网络的通信。

体系结构的各层在整个过程的作用(主机)：应用层按照HTTP请求规定，构建一个HTTP请求报文，并将HTTP请求报文交付给运输层处理；运输层给HTTP请求报文添加一个TCP首部，使其成为TCP报文段，并将TCP报文段交给网络层进行处理。网络层给TCP报文段添加一个IP首部，使其成为IP数据报，并将IP数据报交付给数据链路层处理。数据链路层给IP数据报添加一个首部和一个尾部，使其成为帧，并将帧交付给物理层。物理层将帧看做是比特流，还会给比特流前面添加前导码（让目的主机做好接受帧的准备）。物理层将添加有前导码的比特流转换成相应的信号，发送到传输媒体。信号通过传输媒体到达路由器。

路由器：信号到达路由器的物理层，然后去掉前导码后，将其交付给数据链路层。链路层将其去掉首部和尾部后，将其交付给网络层(实际交付的是IP数据报)。网络层解析IP数据报的首部，从而解析出目的网络地址，然后查找自身的路由器表，确定转发端口，以便进行转发，网络层将IP数据报交付给数据链路层，数据链路层给IP数据报添加一个首部和一个尾部，使其成为帧，并将帧交付给物理层。物理层将帧看做是比特流，还会给比特流前面添加前导码（让目的主机做好接受帧的准备）。物理层将添加有前导码的比特流转换成相应的信号，发送到传输媒体。信号通过传输媒体到达Web服务器。

Web服务器：信号到达Web服务器的物理层，然后去掉前导码后，将其交付给数据链路层。链路层将其去掉首部和尾部后，将其交付给网络层(实际交付的是IP数据报)。网络层将IP数据报的首部和尾部去掉后，将其交付给运输层，这实际上交付的是TCP报文段。运输层将TCP报文段的首部去掉后，将其交付给应用层，这里实际上交付的是HTTP请求报文。应用层对HTTP请求报文进行解析，然后给主机发挥响应报文。

1.5.4 计算机网络体系结构中的专用术语

专业术语来源于OSI七层体系结构，但也适用于TCP/IP的四层体系结构和五层协议原理体系结构

实体、协议、服务

  • 实体 任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。

    • 对等实体 接受双方相同层次中的实体

  • 协议 控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合

    • 协议的三要素 语法 语义 同步

      • 语法 定义所交换信息的格式

      • 语义 定义接收双发所要完成的操作

      • 同步 定义接收双方的时序关系

  • 服务

    • 在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务
    • 要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。
    • 协议是水平的，服务是垂直的
    • 实体看得见相邻下层所提供的服务，但并不知道如何实现该服务的具体协议。也就是说，下面的实体是**“透明”**

  • 服务访问点 子啊同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型。

    • 数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段
    • 网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”
    • 运输层的服务访问结点为“端口号”

  • 服务原语 上层使用下层所提供的服务，必须通过与下层交换一些命令，这些命令成为服务原语

  • 协议数据单元PDU 对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元
  • 服务数据单元SDU 同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元
  • 多个SDU可以合成一个PDU；一个SDU也可以划分为几个PDU。

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