第一章概述

1.1 计算机网络在信息时代中的作用

1、互联网是覆盖全球的，具有两个重要基本特点，即连通性和共享。

1.2互联网的概述

1.2.1网络的网络

1、计算机网络（简称网络）由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

2、互连网是“网络的网络”：网络之间通过路由器连接起来构成了一个覆盖范围更大的计算机网络，称为互连网。

3、与网络连接的计算机称为主机。

1.2.2互联网基础结构发展的三个阶段

1、互联网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进。但这三个阶段在时间划分上并非截然分开而是有部分重叠的，这是因为网络的演进是逐渐的，而并非在某个日期发生了突变。

2、NSFNET是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。这种三级计算机网络覆盖了全美国主要的大学和研究所，而且成为互联网中的主要组成部分。

3、internet是一个通用名词，泛指由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不一定非要用TCP/IP协议。

4、Internet是一个专用名词，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。

5、ISP可以从互联网管理机构申请到很多IP地址，同时拥有通信线路以及路由器等连网设备。"上网"就是指通过某ISP获得的IP地址接入到互联网。根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分为不同层次的ISP：主干ISP、地区ISP和本地ISP。主干ISP由几个专门的公司创建和维持，服务面积最大（一般能够覆盖国家范围），并且还拥有高速主干网（例如10G/s或更高）。有一些地区ISP网络也可直接与主干ISP相连。地区ISP是一些较小的ISP，这些地区ISP通过一个或多个主干ISP连接起来，它们位于等级中的第二层，数据率也低一些。本地ISP给用户提供直接的服务，本地ISP可以连接到地区ISP，也可直接连接到主干ISP。

6、互联网交换点IXP（Internet eXchange Point）的主要作用是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组，例如两个地区ISP通过一个IXP连接起来，不需要经过最上层的主干ISP。许多IXP在进行对等交换分组时，都互相不收费，但本地ISP或地区ISP通过IXP向高层的IXP转发分组时，则需要交纳一定的费用。IXP结构非常复杂，典型的IXP由一个或多个网络交换机组成，许多ISP再连接到这些网络交换机的相关端口上。IXP常采用工作在数据链路层的网络交换机，这些网络交换机都用局域网互连起来。

7、世界上最大的IXP于1995年建造在德国的法兰克福，名字是DE-CIX[W-DECIX]，其峰值吞吐量在2015年9月就已经达到4.859 Tbit/s，这个IXP已成为互联网在欧洲的枢纽。

8、20世纪90年代互联网迅猛发展。由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW（Word Wide Web）被广泛使用在互联网上，大大方便了非网络专业人员对网络的使用，成为互联网指数增长的主要驱动力。

1.2.3互联网的标准化工作

1、1992年成立了一个国际性组织叫做互联网协会 (Internet Society,简称为ISOC) [WJSOC],以便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、所有的互联网标准都是以RFC的形式在互联网上发表的。RFC (Request For Comments) 的意思就是“请求评论”。

3、制定互联网的正式标准要经过以下三个阶段

1.3互连网的组成

1、互连网从工作方式上看可以分为边缘部分和核心部分，边缘部分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。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

1、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)

1.3.2互联网的核心部分

1、在网络核心部分起特殊作用的是路由器（router）,它是一种专用计算机（但不叫做主机）。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。

2、必须经过“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)”三个步骤的交换方式称为电路交换。

3、分组交换则釆用存储转发技术。把要发送的整块数据称为一个报文(message)，在发送报文之前，先把较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部(header)后，就构成了一个分组(packet)，又称”包“，分组的首部也可称为**“包**头”。分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息。

4、在互联网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。

5、路由器收到一个分组，先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器。

6、各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息，以便创建和动态维护路由器中的转发表，使得转发表能够在整个网络拓扑发生变化时及时更新。

7、路由器暂时存储的是一个个短分组，而不是整个的长报文。短分组是暂存在路由器的存储器(即内存)中而不是存储在磁盘中的。这就保证了较高的交换速率。

8、分组交换的优点：高效（动态分配传输带宽）、灵活（每个分组独立选择路由）、迅速（以分组为传送单位、不用先建立连接）、可靠（网络协议保证可靠性、网状拓扑结构）。

9、分组交换缺点：各路由器存储转发时的排队延时、无法确保通信时端到端所需带宽、控制信息造成一定开销、分组交换网需要专门的管理和控制机制。

10、报文交换：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

1.4计算机网络在我国的发展

1、计算机网络在我国的发展

2、我国最大的五个基于互联网技术并能够和互联网互连的全国范围的公用计算机网络：中国电信互联网CHINANET (也就是原来的中国公用计算机互联网)、中国联通互联网UNINET、中国移动互联网CMNET、(4) 中国教育和科研计算机网CERNET、中国科学技术网CSTNET

3、以下人和事件对互联网应用在我国的推广普及，起着非常积极的作用

1.5计算机网络的类别

1、计算机网络有多种类别，广域网是Internet的核心网

2、接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器(也称为边缘路由器)之间的一种网络。

1.6计算机网络的性能

1.6.1计算机网络的性能指标

1、速率是是数据的传送速率，单位是bit/s或bps，k (kilo) = 10^3 =千，M (Mega) = 10^6 =兆，G (Giga) = 10^9 =吉，T (Tera)= 10^12 =太，P (Peta) = 10^15 =拍，E (Exa) = 10^18 =艾，Z (Zetta) = 10^21 =泽，Y(Yotta) = 1^24=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、数的计算使用二进制，千=K = 2^10= 1024，兆=M = 2^20，吉=G = 2^30，太=T = 2^40,，拍=P = 2^50，艾=E = 2^60，泽=Z = 2^70，尧=Y = 2^80。

3、数据量往往用字节B作为度量的单位(B代表 byte)，通常一个字节代表8个比特。

4、带宽在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”，单位就是数据率的单位bit/s。

5、吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际的数据量。吞吐量更经常地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。有时吞吐量还可用每秒传送的字节数或帧数来表示。

6、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。

7、网络中的时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延。

8、发送时延（传输时延）是机或路由器发送数据帧所需要的时间，=数据帧长度/发送速度。

9、传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间，=信道长度/电磁波在信道上的传播速率。

10、电磁波在自由空间的传播速率是光速，即3.0 x 10^5 km/s，电磁波在铜线电缆中的传播速率约为2.3 x 10^5 km/s，在光纤中的传播速率约为2.0 x 10^5 km/s。通常所说的“光纤信道的传输速率高”是指可以用很高的速率向光纤信道发送数据，而光纤信道的传播速率实际上还要比铜线的传播速率略低一点。

11、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，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等，这就产生了处理时延。

12、排队时延分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。

13、时延带宽积=传播时延*带宽。用圆柱形管道代表链路，管道的长度是链路的传播时延，而管道的截面积是链路的带宽。因此时延带宽积就表示这个管道的体积。

14、往返时间RTT，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。当使用卫星通信时，往返时间RTT相对较长，是很重要的一个性能指标。

15、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）。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。D=D0/(1-U)，D表示网络当前的时延，D0表示网络空闲是的时延，U是网络的利用率。信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延，因此一些拥有较大主干网的ISP通常控制信道利用率不超过 50%。如果超过了就要准备扩容，增大线路的带宽。

1.6.2计算机网络的非性能特征

1、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。

1.7计算机网络体系结构

1.7.1计算机网络体系结构的形成

1、

1.7.2协议与划分层次

1、网络协议(network protocol)简称协议：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）

3、主机1和主机2之间通过一个通信网络传送文件。这是一项比较复杂的工作，可以将要做的工作划分为三类：文件传输模块、通信服务模块、网络接入模块。

4、分层可以带来很多好处：（1）各层之间是独立的（每一层只实现一种相对独立的功能）、（2）灵活性好（任何一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响）、（3）结构上可分割开（各层都可以釆用最合适的技术来实现）、（4）易于实现和维护、（5）能促进标准化工作

5、通常各层所要完成的功能主要有以下一些(可以只包括一种，也可以包括多种)：
① 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。
② 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。
③ 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。
④ 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。
⑤ 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。

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(architecture)。

1.7.3具有五层协议的体系结构

1、五层协议的体系结构只是为介绍网络原理而设计的，实际应用还是TCP/IP四层体系结构

2、应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。如域名系统DNS,支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议等。应用层交互的数据单元称为报文(message)。

3、运输层的任务就是负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。运输层主要使用以下两种协议：

• 传输控制协议TCP (Transmission Control Protocol)----------- 提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段(segment)。

• 用户数据报协议UDP (User Datagram Protocol)---------------- 提供无连接的、尽最大努力(best-effort)的数据传输服务(不保证数据传输的可靠性)，其数据传输的单位是用户数据报。

4、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用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报，或简称为数据报。

5、数据链路层常简称为链路层。在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧(fuming),在两个相邻结点间的链路上传送帧(frame)。每一帧包括数据和必要的控制信息(如同步信息、地址信息、差错控制等)。

6、物理层上所传数据的单位是比特。物理层要考虑用多大的电压代表“1”或“0”，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各引脚应如何连接。传递信息所利用的一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，并不在物理层协议之内而是在物理层协议的下面

1.7.4实体、协议、服务和服务访问点

1、实体（entity）这一较为抽象的名词表示任何可 **发送或接收信息的硬件或软件进程。**在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。

2、协议是控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合。

3、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，还需要使用下面一层所提供的服务。

4、协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。OSI参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元PDU （Protocol Data Unit）。把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU （Service Data Unit）。

5、在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方，通常称为服务访问点 SAP （Service Access Point）。

1.7.5 TCP/IP的体系结构

1、技术的发展并不是遵循严格的OSI分层概念。实际上现在的互联网使用的 TCP/IP体系结构有时已经演变成为下图所示的那样，即某些应用程序可以直接使用IP 层，或甚至直接使用最下面的网络接口层

2、经常提到的TCP/IP并不一定是单指TCP和IP这两个具体的协议，而往往是表示互联网所使用的整个TCP/IP协议族(protocol suite)。 TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务（所谓的everything over IP）,同时TCP/IP协议也允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行（所谓的IPovereveiything）。

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