[计算机网络谢希仁] 第一章

文章目录

1.1计算机网络在信息时代的作用
1.2互联网概述
- 1.互联网
- 2.互联网基础结构发展的三个阶段
- 3.互联网的标准化工作
1.3互联网的组成
- 1.互联网的边缘部分
- - 客户-服务器方式(C/S方式)
  - 对等方式(P2P方式)
- 2.互联网的核心部分
- - 电路交换
  - 分组交换
  - 报文交换
1.4计算机网络在我国的发展
1.5计算机网络的类别
- 按照网络的作用范围进行分类
- 按照网络的使用者进行分类
- 用来把用户接入到互联网的网络
1.6计算机网络的性能
- 1.计算机网络的性能指标
- - 速率
  - 带宽
  - 吞吐量
  - 时延
  - 时延带宽积
  - 往返时延RTT
  - 利用率
- 2.计算机网络的非性能特征
- 总结
1.7计算机网络的体系结构
- 1.体系结构的形成
- 2.协议与划分层次
- - 协议
- 3.具有五层协议的体系结构
- 4.实体、协议、服务和服务访问点
- - 协议和服务在概念上是不一样的
  - 服务原语
  - 服务访问点
- 5.TCP/IP的体系结构

1.1计算机网络在信息时代的作用

①三网：电信网络、有线电视网络和计算机网络

②计算机网络的作用：连通和共享、分布式处理、提高可靠性、负载均衡

连通性：使上网用户之间都可以交换信息(数据以及各种音频视频)，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。

共享性：指资源共享，可以是信息共享、软件共享、硬件共享。

③计算机网络：简称网络，由若干结点和连接这些结点的链路组成。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的。这些可编程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。

④互连网：仅在局部范围互连起来的计算机网络，网络之间通过路由器连起来，因此互连网是**“网络的网络”**。

1.2互联网概述

1.互联网

互联网：指Internet,是目前技术最为成功、应用最为广泛的计算机网络，已成为现代社会最为重要的基础设施，起源于美国，是由数量极大的各种计算机网络互连起来而形成的互连网络。采用TCP/IP协议族作为通信规则，是一个覆盖全球、实现全球范围内连通性的资源共享的计算机网络。

是一个专用名词

2.互联网基础结构发展的三个阶段

①第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。

②第二阶段：建成了三级结构的互联网：主干网、地区网和校园网(企业网)

③第三阶段：逐渐形成了多层次ISP结构的互联网

④联网交换点IXP：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。

⑤WWW问世：互联网的迅猛发展始于20世纪90年代。由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW(World Wide Web)被广泛使用在互联网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为互联网的这种指数级增长的主要驱动力。

3.互联网的标准化工作

①互联成功的因素之一是开放性和标准化：

开放性：任何人都可以参与标准的制定、下载标准，符合标准的任何设备都可以接入。

标准化：对互联网的发展起到了重要作用。

②ISOC：互联网协会

IAB：互联网结构委员会

IESG：研究每个领域短期和中期的工程问题

IRSG：一些研究所组成，研究一些需要长期考虑的理论问题

③三个阶段：

所有互联网标准都以RFC的形式在互联网上发表：

互联网草案：有效期只有六个月。在这个阶段还不是RFC文档

建议标准：从这个阶段开始就成为RFC文档

互联网标准：达到标准后，每个标准就分配到一个编号 STD xx。一个标准可以和多个RFC文档关联

现在简化为两个阶段：建议标准、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，用来进行通信和资源共享。

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。

1.互联网的边缘部分

①处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有主机。这些主机又称为端系统

②“主机A和主机B进行通信”实际上是指：“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。

③端系统之间的两种通信方式：

客户-服务器方式(C/S方式)

客户和服务器都是指通信中所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，客户是服务的请求方，服务器就服务的提供方。

客户软件特点：被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器软件特点：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。启动后一直不断地运行着，被动地等待并接受来自客户的通信请求。服务器程序不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

对等方式(P2P方式)

对等连接是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件，他们就可以进行平等的、对等连接通信，双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

特点：对等连接方式从本质上看仍然是使用客户-服务器方式，只是对等连接中的每一个主机即是客户又是服务器。对等连接工作方式可支持大量对等用户同时工作。

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(工作在网络层)。路由器是实现分组交换的关键构件，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。

典型交换技术：电路交换、分组交换、报文交换。互联网的核心部分采用分组交换技术。

电路交换

电路交换必定是面向连接的，分为三个阶段：建立连接、通信、释放连接。在建立连接后，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

分组交换

分组交换采用存储转发技术。在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段，每一个数据段前面添加上首部构成分组。分组交换以**“分组”作为数据传输单元**。依次把各分组发送到接收端。

接收端收到分组后剥去首部还原成报文。最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。

路由器转发分组的过程：接收分组、存储分组、查找转发表、找到转发端口转发分组

报文交换

整个报文先一次传送到相邻结点，全部存储下来之后查找转发表，转发到下一个结点。

总结：

比较：

1.4计算机网络在我国的发展

1.5计算机网络的类别

计算机网络作用：

数字化：现代技术的发展，现实世界可以存储到计算机中，这就是数字化

信息化：数字化的现实世界，为人们的生活、工作、学习辅助决策等和人类相关的各种行为带来巨大影响，提高了各种行为的效率，这就是信息化

网络化：实现数字化、信息化共享

按照网络的作用范围进行分类

广域网WAN：作用范围通常为几十到几千公里

城域网MAN：作用距离约为5~50公里

局域网LAN：局限在较小的范围(如1公里左右)

个人区域网PAN：范围很小，大约在10米左右

若中央处理器之间的距离非常近(如仅1米的数量级甚至更小)，则一般称为多处理机系统，而不是计算机网络。

按照网络的使用者进行分类

公用网：按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。

专用网：为特殊业务工作的需要而建立的网络。

用来把用户接入到互联网的网络

接入网AN，又称为本地接入网或居民接入网，是一类比较特殊的计算机网络，用于将用户接入互联网。接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于边缘部分，是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器之间的一种网络，很多接入网还是属于局域网，从作用上看，接入网只是起到让用户能够与互联网连接的“桥梁”作用。

1.6计算机网络的性能

1.计算机网络的性能指标

速率

速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，也称为“数据传送速率、数据率、比特率”。速率往往指的是额定速率或标称速率，非实际运行速率。

单位：bit/s(b/s或bps)，Kbit/s，Mbit/s，Gbit/s等。

带宽

一、“带宽”是指信号具有的频率成分范围，也可表示为信道的频带宽度，单位是赫。

二、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。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"。单位是bit/s。

网络提速：单位时间内发送到链路上的比特数增多，而不是比特在链路上跑得更快。

吞吐量

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的数据量。用来测量实际上到底有多少数据量能过通过网络，吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

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)的一段传送到另一端所需的时间，有时也称为延迟或迟延。分为：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延。

发送时延也称传输时延，发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。

传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。传播时传播速率保持不变。

处理时延：主机或路由器在收到分组时，为处理分组(例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由)所花费的时间。

排队时延：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延，排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

数据在网络中所经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和。

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

时延带宽积

时延带宽积又称以比特为单位的链路长度。

往返时延RTT

互联网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向互交的。因此，有时很需要知道双向交互一次所需的时间。往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送发收到来自接收方的确认，总共经历的时间。在互联网中，往返时间包括往返传播时延、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。

利用率

2.计算机网络的非性能特征

费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性和可升级性、易于管理和维护

总结

1.7计算机网络的体系结构

1.体系结构的形成

由于每个公司推出的体系结构各不相同，不同公司的设备很难互相连通。为了使不同体系结构的计算机网络能够互连，国际标准化组织IOS于1977年成立专门机构研究问题。提出了开放系统互连基本参考模型OSI/RM，简称OSI。

OSI只获得了一些理论成果，在市场化方面却失败了。原因包括：

①OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；

②OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；

③OSI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；

④OSI的层次划分不太合理，有些功能在多个层次中重复出现；

非国际标准TCP/IP却获得了最广泛的应用。常被称为事实上的国际标准。

2.协议与划分层次

协议

网络协议，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

三个组成要素：语法：数据与控制信息的结构或格式，解决交换信息的格式问题

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，解决做什么问题

同步：事件实现顺序的详细说明，解决先做什么后做什么

两种形式：文字描述、程序代码

计算机网络体系为什么要分层：计算机网络是个非常复杂的系统。相互通信的两个计算机必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的问题就比较易于研究和处理。按功能进行抽象分层，定义层间接口和提供什么服务，层间如何调用服务，对等层间的必须遵循的规则(协议)。

分层的优点：各层之间是独立的，灵活性好，结构上可分隔开，易于实现和维护，能促进标准化工作。

分层的缺点：降低效率，有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生了额外开销。

层数太少，就会使每一层的协议太复杂。太多，又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难

3.具有五层协议的体系结构

计算机网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。实现是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件实现这些功能的问题。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。

OSI的七层协议体系结构的概念清除，理论也较完整，但它既复杂又不实用。

TCP/IP是四层体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。但最下面的网络接口层没有具体内容

因此往往采用折中的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。

OSI参考模型把对等层之间传送的数据称为该层的协议数据单元PDU，该名次目前已被众多标准采用。任何两个同样的层次把数据(即数据单元加上控制信息)通过水平虚线直接传递给对方，这就是所谓的“对等层”之间的通信。各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。

4.实体、协议、服务和服务访问点

实体表示任何可发送或接收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

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，还需要使用下层所提供的服务

协议和服务在概念上是不一样的

①协议的实现保证了能够向上一次提供服务。

②本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。即下面的协议对上面的服务是透明的。

③协议是"水平的"，即协议是控制对等实体之间通信的规则。

④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。

⑤上层使用服务原语获得下层所提供的服务。

服务原语

服务在形式上由一组接口原语来描述的。上层实体向下层实体请求服务时，服务提供者和服务用户间需要交互一些必要的信息，以说明要求服务的一些情况，这些信息即服务原语。

服务访问点

同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为"服务访问点SAP"。

服务访问点SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口(下层服务的入口)。

服务访问点规定了上层如何调用下层提供的服务：服务的名字？参数是什么？

协议很复杂：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和非常理想的。看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。

5.TCP/IP的体系结构