文章目录

1 什么是计算机网络
2 互联网发展的三个阶段
- 2.1 ARPANET
- 2.2 NSFNET
- 2.3 多层次ISP结构的互联网
- - 2.3.1 ISP互联网服务提供商
  - 2.3.2 IXP互联网交换中心
- 2.4 互联网标准化
3 互联网的组成
- 3.1 边缘部分
- 3.2 核心部分
- - 3.2.1 交换方式
  - - 3.2.1.1 电路交换
    - 3.2.1.2 报文交换
    - 3.2.1.3 分组交换
4 计算机网络分类
- 4.1 按照网络的作用范围进行分类
5 计算机网络的性能指标
- 5.1 速率
- 5.2 带宽
- 5.3 吞吐量
- 5.4 时延
- 5.5 时延带宽积
- 5.6 往返时间RTT
- 5.7 利用率
6 计算机网络体系结构
- 6.1 分层模型- OSI
- 6.2 TCP/IP体系结构

计算机网络，大家随时随地都会遇到的。但是很多人对于这方面的知识都是断点的，没有一个整体的认知。从本章开始陆续介绍下计算机网络。

下图就是我们平时上网时的通用简单网络分布图：

绿色表示：请求数据线
橘色表示：响应数据线
黑色表示：物理连接线

1 什么是计算机网络

计算机网络（简称为网络）是由若干节点（node）和链接这些节点的链路（link）组成。节点（node）可以是计算机，集线器，交换机或路由器等。

下图就是《计算机网络》书中对于网络的示意图：

网络把许多计算机链接在一起，而互联网则把许多的网络通过路由器链接在一起。与网络项链的计算机常称为主机。

2 互联网发展的三个阶段

2.1 ARPANET

1969年由美国国防部创建了第一个分组交换网ARPANET，最初知识一个单个的分组交换网（并不是一个互连的网络）。1983年TCP/IP协议称为ARPANET上的标准协议，使得TCP/IP协议的计算机都能利用互连网相互通信，从而变成互联网。因此1983年作为互联网的诞生时间。

2.2 NSFNET

从1985年起，美国国家科学基金会NSF（National Science Foundation）围绕六个大型计算机中心建设计算机网络，即国家科学基金网NSFNET。

NSFNET采取的是一种具有三级层次结构的广域网络，整个网络系统由主干网，地区网和校园网组成。各大学的主机可连接到本校的校园网，校园网可就近连接到地区网，每个地区网又连接到主干网，主干网再通过高速通信线路与ARPANET连接。这样一来，学校中的任一主机可以通过NSFNET来访问任何一个超级计算机中心，实现用户之间的信息交换。后来，NSFNET所覆盖的范围逐渐扩大到全美的大学和科研机构，NSFNET和ARPANET就是美国乃至世界Internet的基础。

2.3 多层次ISP结构的互联网

从1993年开始，由美国政府自主的NSFNET逐渐被若干个商用的互联网主干网替代。而政府机构不在负责互联网的运营，由互联网服务提供商ISP（Internet Service Provider）所替代。

2.3.1 ISP互联网服务提供商

ISP就是一个进行商业活动的公司，例如：中国电信，中国联通，中国移动等公司都是我们最大的ISP。

ISP可以向互联网管理机构申请很多个IP地址，同时，他们拥有多条通信用的线路以及路由器等联网设备，其个人或者集体的使用者只需要向ISP缴纳相应的费用，就可以使用ISP分配给他们的IP使用权，凭借这个IP连接到互联网。所以说，现在世界上所使用的的网络，并不是单一集体或者组织拥有的，而是世界上无数大大小小的ISP所共同拥有的。

根据ISP覆盖面积以及所拥有IP数量的不同，ISP被分为了：主干ISP、地区ISP、本地ISP。

主干ISP由几个专门的公司维持和创建，服务面积最大（一般都可以覆盖到国家的范围）。
地区ISP是一些较小的ISP，这些ISP通过一个或多个主干ISP连接起来。
本地ISP给用户提供直接的服务，它可以是公司，也可以是企业、大学。

但是，随着互联网使用人数的剧增，人们开始研究更快速的转发分组，以及如何更加有效的利用网络资源，于是，互联网交换中心IXP（Internet Exchange Point）便应运而生了。

2.3.2 IXP互联网交换中心

互联网交换中心（Internet Exchange Point）是不同电信运营商之间为连通各自网络而建立的集中交换平台，互联网交换中心在国外简称IX或IXP，一般由第三方中立运营，是互联网的重要基础设施，境外知名IX有AMS-IX、HKIX（香港互联网交换中心）、Equnix IX等，国内有政府主导建立的北上广互联网交换中心，国内知名的第三方IX有位于上海的We IX（驰联网络）等。

2.4 互联网标准化

负责互联网管理的国际性组织是互联网协会ISOC（Internet Society）。ISOC下面有一个技术组织是互联网体系结构委员会IAB（Internet Architecture Board）负责管理互联网有关协议的开发，其下又设有两个工程部：

互联网工程部IETF（Internet Engineering Task Force）
由许多工作组WG组成的论坛，具体工作由互联网工程指导小组IESG管理。这些工作组划分为多个领域，每个领域集中研究某一特定的短期和中期的工程问题，主要针对协议的开发和标准化。
互联网研究部IRTF（Internet Reseach Task Force）
由UI写研究组RG组成的论坛，具体工作由互联网研究指导小组IRSG管理。任务是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。

所有的互联网表中都是以RFC（Request For Comments）的形式在互联网上发表，但是并非所有的RFC文档都是互联网标准，其中只有一小部分最后能变成互联网标准。其他很大部分都是一些草案或建议等文档。

3 互联网的组成

互联网的拓扑结构复杂，从其工作方式可以划分为：

边缘部分由所有链接在互联网上的主机组成。这部分用户直接使用，用来进行通信（传送数据，音频或视频）和资源共享。
核心部分由大量网络和链接这些网络的路由器组成。为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

3.1 边缘部分

处在互联网边缘的部分就是链接在互联网上的所有主机，称为端系统（End System）。

端系统之间通信的方式可以划分为：

客户-服务器方式（C/S方式）
一般诸如使用电脑打联网游戏，或者浏览网页都属于这种方式。
对等方式（P2P）
诸如使用一些P2P软件，或进行一些视频会议等都属于这种方式。

3.2 核心部分

网络核心部分是互联网中最复杂的部分，主要为网络边缘的大量主机提供连通性，使得边缘部分中的任何一台主机都能够向其他主机通信。

3.2.1 交换方式

网络节点之间进行数据传输所采用的技术就是数据交换技术。主要的交换技术有：电路交换、存储转发交换技术两大类，存储转发方式又分为报文交换、分组交换两种。

在互联网中采用的是分组交换

3.2.1.1 电路交换

电路交换就是在通信之前要在通信双方之间建立一条被双方独占的物理通路（由通信双方之间的交换设备和链路逐段连接而成）。

整个报文的比特流从源点连续的直达终点，像在一个管道中传输。包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。最典型的电路交换网络是传统电话网络。

3.2.1.2 报文交换

报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式。将整个报文转发到相邻节点，全部存储下来，查找转发表，转发到下一个节点。是存储-转发类型的网络。

3.2.1.3 分组交换

又称为报文分组交换，基于报文交换，将报文划分为更小的数据单位：报文分组（也称为段、包、分组）。

分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组（携带源、目的地址和编号信息）逐个地发送出去。将报文分组转发到相邻节点，查找转发表，转发到下一个节点。也是存储-转发类型的网络。

因此分组交换除了具有报文的优点外，与报文交换相比有以下优缺点。

4 计算机网络分类

4.1 按照网络的作用范围进行分类

广域网WAN（Wide Area Network）
广域网的作用范围通常为几十到几千公里，是互联网的核心部分，其任务是通过长距离运送主机发送的数据。链接广域网各节点交换机的链路一般是高速链路，具有较大的通信容量。
城域网MAN（Metropolitan Area Network）
城域网的作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至城市，作用距离约为5~50km。城域网可以为一个或几个单位所拥有，但也可以是一种公共设施，用来将多个局域网进行互连。其大多采用以太网技术。
局域网LAN（Local Area Network）
局域网一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，但是地理上局限在较小的范围，小于5km。
个人区域网PAN（Personal Area Network）
个人区域网就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络。范围大概不超过10m。

5 计算机网络的性能指标

计算机网络的性能一般是指几个重要的指标。以下就分别介绍下七个常用的指标。

5.1 速率

速率是指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率。是计算机网络中最重要的一个性能指标。又称为数据率(data rate)或比特率(bit rate) ，速率的单位是bit/s(比特每秒，有时也写为bps、b/s）。

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。

当数据率较高时，就常常在bit/s的前面加上一个字母。例如k(kilo)=10^{3=千，M(Mega)=10}6=兆，G(Giga)=10^9=吉，等等。

5.2 带宽

带宽：本意是指某个信号具有的频带宽度。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。这种意义的带宽的单位是赫兹HZ（或千赫kHZ，兆赫MHZ）。因此，表示某信道允许通过的信号频带范围就称为该信道的带宽。

在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络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”。此时带宽的单位就是bit/s。

补充：带宽有两种不同的意义，在带宽的上述描述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路，带宽越宽，所能传输的最高数据率也越高。

5.3 吞吐量

吞吐量表示单位时间内通过某个网络（通信线路、接口）的实际的数据量。吞吐量受制于带宽或者网络的额定速率。例如：对于一个1Gbit/s的以太网，即额定速率是1Gbit/s，那么也就是该以太网的吞吐量的绝对上线，但是在实际中，远远达不到，实际一般只有100Mbit/s。

5.4 时延

时延(delay 或 latency)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。时延是很重要的指标，有时也称为延迟或迟延。网络中的时延由以下几个部分组成。

时延	说明	计算
发送时延	指主机或路由器发送数据帧所需要的时间。	从发送第一比特算起，至该帧最后一个比特发送完成的时间。
传播时延	电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。	与信号的发送速率无关，传送距离越大，传播时延就越大。
处理时延	主机或者路由器接受到分组时所有花费的时间。	处理时延与结点的性能和处理方法有关。
排队时延	分组在网络传输时，进入路由器后要在输入队列中排队等待处理，路由器确定转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就是排队时延。	排队时延的长短往往取决于网络当时的通信录。

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

5.5 时延带宽积

时延带宽积指传播时延*带宽，表示一条链路上传播的所有比特（以比特为单位）。将管道的长度看做链路的传播时延，管道的截面积是链路的带宽，则时延带宽积代表管道的体积，即表示这样的链路可以容纳多少个比特。

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

不难看出，管道中的比特数表示从发送端发出的但未到达接收端的比特（因此链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度）。对于一条正在传送数据的链路，只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分的利用。

5.6 往返时间RTT

往返时间RTT（Round-Trip Time）也是一个重要的性能指标。这是因为在许多情况下，互联网上的信息不仅仅单方向传输而是双向交互的。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。

5.7 利用率

利用率有信道利用率和网络利用率两种。

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。因为根据排队论的理论，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。

6 计算机网络体系结构

6.1 分层模型- OSI

国际标准化组织ISO于1984年提出了OSI RM（Open System Interconnection Reference Model，开放系统互连参考模型）。OSI 参考模型很快成为了计算机网络通信的基础模型。

OSI参考模型各个层次的基本功能如下：

物理层: 在设备之间传输比特流，规定了电平、速度和电缆针脚。
数据链路层：将比特组合成字节，再将字节组合成帧，使用链路层地址（以太网使用MAC地址）来访问介质，并进行差错检测。
网络层：提供逻辑地址，供路由器确定路径。
传输层：提供面向连接或非面向连接的数据传递以及进行重传前的差错检测。
会话层：负责建立、管理和终止表示层实体之间的通信会话。该层的通信由不同设备中的应用程序之间的服务请求和响应组成。
表示层：提供各种用于应用层数据的编码和转换功能，确保一个系统的应用层发送的数据能被另一个系统的应用层识别。
应用层：OSI参考模型中最靠近用户的一层，为应用程序提供网络服务。

6.2 TCP/IP体系结构

OSI的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。TCP/IP体系结构则不同，但它现在却得到了非常广泛的应用。

TCP/IP是一个四层的体系结构，包括应用层，传输层，网络层和网络接口层。这里的网络接口层实际对应OSI模型的数据链路层和物理层。而应用层对应OSI的应用层，表示层和会话层。

不同层的PDU中包含有不同的信息，因此PDU在不同层被赋予了不同的名称。

如上层数据在传输层添加TCP报头后得到的PDU被称为Segment（数据段）
数据段被传递给网络层，网络层添加IP报头得到的PDU被称为Packet（数据包）
数据包被传递到数据链路层，封装数据链路层报头得到的PDU被称为Frame（数据帧）
最后，帧被转换为比特(物理层)

下图是数据在各层之间的传递过程，此处网络接口层以数据链路层和物理层分别画出。

注意：协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）流经路由器时，最高只到网络层。

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