第一章：概述

1.1 计算机网络在信息时代中的作用

21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。

三大类网络：电信网络、有线网络和计算机网络

Internet是人类自印刷术发明以来在储存和交换信息领域的最大变革

Internet的中文译名;(两种）（1）因特网（2）互联网，目前流行最广的、事实上的标准译名。

Internet是由数量极大的各种计算机网络互连起来的。互联网本来就是覆盖全球的。

互联网的两个重要基本特征：连通性和共享

连通性：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。

共享：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

1.2互联网概述

1.2.1网络的网络

起源于美国的互联网现已发展称为世界上最大的覆盖全球的计算机网络

计算机网络由若干节点（node）和连接这些节点的链路（link）组成，计算机网络中的节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

互连网（internetwork或internet）：有多个计算机网络通过一些路由器相互连接起来，构成一个覆盖范围更大的计算机网络，因此互连网是“网络的网络”(network of networks)。

与计算机网络相连的计算机常称为主机（host），在互连网中不可或缺的路由器，是一种特殊的计算机。

网络把许多计算机连接在一起，而互连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常称为主机。

1.2.2互联网基础结构发展的三个阶段

第一个阶段是从单个网络ARPANET向互连网发展的过程（分组交换网），1983年TCP/CP协议成为ARPANET上的标准协议，使得所有使用TCP/CP协议的计算机都能利用互连网互相通信，因此人们就把1983年作为互联网的诞生事件

区分意思相差很大的名词internet和Internet

1、以小写字母 i 开始的internet（互连网）是一个通用名词，它泛指有多个计算机网络互连而成的计算机网络，不一定要使用TCP/CP协议。

2、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、有众多网络相互连接而成的特定互联网，它采用TCP/CP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。

第二个阶段是建成三级结构的互联网。国家科学基金网NSFNET，三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

第三阶段的特点就是逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网。ISP（互联网服务者）。

IXP（互联网交换点）为了更加有效和更加经济地利用网络资源。典型的IXP有一个或多个网络交换机组成，许多ISP在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。

1.2.3互联网的标准化工作

1992年成立互联网协会（Internet Society）简称ISOC。ISOC下面有一个技术组织叫做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。下属两个工程部。

（1）互联网工程部IETF（Internet Engineering Task Force）：由许多工作组WG（Working Group）组成的论坛。具体工作由互联网工程指导小组（IESG）负责。主要针对协议的开发和标准化。

（2）互联网研究部IRTF（Internet Research Task Force）;有一些研究组（RG）（Research Group）组成的论坛。具体工作由互联网研究指导组（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。

所有的互联网都是以RFC的形式在互联网上发表的。RFC（Request For Commments（请求评论））RFC文档按发表时间爱你的先后编上序号（即RFCxxxx，这里的xxxx是阿拉伯数字）。

制定互联网的正式标准经过以下三个阶段

（1）互联网草案（internet Draft）：有效期六个月，不能算是RFC文档

（2）建议标准（Propdsed Stangard）;算是RFC文档。

（3）互联网标准（Internet Standard）：经过长期检验，证明了某个建议标准可以成为互联网标准。

1.3互联网的组成

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，用来连接通信和资源共享。

核心部分：有大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分为边缘部分技工服务的（提供连通性和交换）

1.3.1互联网的边缘部分

处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有主机。这些主机又被称为端系统。

计算机之间的通信：主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信。

通信方式可划分为两大类：客户-服务器方式（C/S方式）和对等方式（P2P方式）。

1、客户-服务器方式

客户（client）和服务器（server）都是值通信中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。

特征：客户是服务请求方，服务器是服务提供方。

客户和服务器本来都指的是计算机进程（软件）

2、对等连接方式（peer-to-peer）简称P2P。

联两台主机在通信是，并不区分哪一个是服务请求方和哪一个是服务提供方，只要两台主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的对等连接通信。

1.3.2互联网的核心部分

在网络核心部分起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机。路由器是实现分组交换的关键构件，起任务是转发收到的分组。

1、电路交换的主要特点

通信资源的分配角度;交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

电路交换：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。

电路交换的一个重要特点就是在通话是全部时间内，通话是两个用户始终占用端到端的通信资源。

线路的传输效率往往很低。

2、分组交换的主要特点

分组交换则采用存错转发技术。通常要把发送的整块数据称为一个报文，在发送报文之前，把较长的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组成首部（header）,就构成了一个分组，分组又称为包，而分组的首部也可称为“包头”，分组是在互联网中传送的数据单元。分组的首部中包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息。

主机是为用户进行信息处理的，路由器则是用来转发分组，即进行分组交换。

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改变是及时更新。

短分组是暂时存在路由器的存储器（即内存）中而不是存储在磁盘中的。保证了较高的交换速率。

当网络中的某些节点或链路突然出故障时，在各路由器中运行的路由选择协议能够自动找到转发分组最合适的路径。

分组在各路由器存储转发是需要排队，这就会造成一定的时延。

1.4计算机网络在我国的发展

1.5计算机网络的类别

1.5.1计算机网络的定义

计算机网络主要是有一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。

1.5.2几种不同类型的计算机网络

1、按照网络的作用范围进行分类

（1）广域网WAN(Wide Area Network)（远程网）：范围几十到几千公里

（2）城域网MAN（Metropolitan Area Network）；范围5-10km

（3）局域网LAN（Local Area Network）：范围1km左右，速率在10Mbit/s以上

（4）个人区域网PAN（Personal Area Network）；范围10米左右

2、按照网络的使用者进行分类

（1）公用网;所有愿意按电信公司的规定交纳费用是人都可以使用这种网络。

（2）专用网：某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。

3、用来把用户接入到互联网的网络

接入网AN（Access Network）,又称为本地接入网或居民接入网

1.6计算机网络的指标

1.6.1计算机网络的性能指标

1、速率

计算机发送的信号都是数字形式的。比特（bit）（binary digit）（二进制数字）比特是信息论中使用的信息量的单位。

网络技术中的速率指的是数据的传送速率，还被称为数据率或者比特率。单位：bit/s（比特每秒）。两种计数：

（1）在bit/s前面加上一个字母：

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)=10^24=尧.

（2）以字节B作为度量的单位（B表示byte）1B=8bit

k（kilo）=2^10=千=1024，M（Mega）=2^20=兆，G(Giga)=2^30=吉，T(Tera)=2^40=太，P(Peta)=2^50=拍，E(Exa)=2^60=艾，Z(Zetta)=2^70=泽，Y(Yotta)=2^80=尧

2、带宽

（1）带宽本来值某个信号具有的频带宽度。单位：赫（或千赫、兆赫、吉赫），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（或通频带）。

（2）带宽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”。单位就是数据率的单位bit/s，是比特每秒。

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）的实际数据量

4、时延

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要的时间。

（1）发送时延

发送时延是主机或路由器发送数据帧所需要的时间。

计算公式：发送时延=数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s）

（2）传播时延

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。

计算公式：传播时延=信道长度/电磁波在信道上上传播速率（m/s）

在铜线电缆中的传播速率约为2.3*10^5km/s。在光纤中的传播速率约为2.0*10^5km/s。

发送时延发生在机器内部的发送器中，与传输信道的长度（或信号传送的距离）没有任何关系。但传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上，而与信号的发送速率无关。信号传送的距离越远，传播时延就越大。

（3）处理时延

（4）排队时延

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

不能笼统的认为“数据的发送速率越高，其传送的总时延就越小”

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。传播速率取决于通信线路介质材料。

提高数据的发送速率只是减少了数据的发送时延。

5、时延带宽积（以比特为单位的链路长度）

计算公式：时延带宽积=传播时延*带宽

时延带宽积就表示这个管道的体积，表示这样的链路可容纳多少个比特。

6、往返时间RTT

往返时间RTT

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

利用率有信道利用率和网络利用率两种，信道利用率值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。

D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当时的时延，U表示吸纳再度网络利用率

公式：D=D0/(1-U)

信道利用率或网络利用率过高就会产生非常大的时延。

1.6.2计算机网络的非性能特征

1、费用

2、质量

3、标准化

4、可靠性

5、可扩展性和可升级性

6、易于管理和维护

1.7计算机网络体系结构

在计算机网络中，分层次的体系网络是最基本的。

1.7.1计算机网络体系结构的形成

发起通信的计算机必须将数据通信的通路激活。

设计之初提出了分层的方法。分层可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

1977开放系统互连基本参考模型OSI/RM，简称OSI

现今规模最大的、覆盖全球的、基于TCP/IP的互联网并未使用OSI标准。

最广泛应用的不是法律上的国际标准OSI，而是非国际标准TCP/IP

1.7.2协议与划分层次

遵守规则，这些规则明确的规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。

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。主要有以下三个要素组成。

（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，完成何种动作以及何种响应。

（3）同步，即事件实现顺序的详细说明

只要我们想让连接在网络上的另一台计算机做点事情，都需要协议。当我们经常在自己的个人电脑上进行文件存盘时，就不需要任何网络协议。

分层的好处：

（1）各层之间是独立的

（2）灵活好

（3）结构上可分割开

（4）易于实现和维护

（5）能促进标准化工作

1、差错控制

2、流量控制

3、分段和重装

4、复用和分用

5、连接建立和释放

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。

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。

1.7.3具有五层协议的体系结构

TCP/IP的四层体系结构：应用层、运输层、网际层和链路层

OSI的体系结构：应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层、物理层

五层协议的体系结构：应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层

（1）应用层

应用层是体系结构中的最高层，应用层的任务是通过应用进程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。

应用层·交互的数据单元称为报文

（2）运输层

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。复用就是多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务，分用和复用相反，是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。

运输层主要使用的协议：

1、传输控制协议TCP-----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

2、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（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。

（3）网络层

网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。数据传输单位数据报，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。

互联网是由大量的异构网络通过路由器相互连接起来的。互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和许多中路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做网际层或IP层。

（4）数据链路层

简称链路层。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。

（5）物理层

在物理层上传送数据的单位是比特。物理层要考虑用多大的电压代表“1”或“0”，以及接受方如何识别出发送方的比特。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。

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

1.7.4实体、协议、服务和服务访问点

当研究开放系统中的信息交换时，往往使用实体这一较为抽象的名词表示任何可发送或接受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。协议的语法方面的规则定义了所交换的信息的格式，而协议的语义方面的规则就定义了发送者或接收者所要完成的操作。

协议的实现保证了能够向上提供服务。使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的实体是透明的。

协议是控制对等实体之间通信的规则。服务是由下层向上层通过层间接口提供的

协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的，必须非常仔细地检查协议能否应付任何一种出现概率极小的异常情况。

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