概述

计算机网络在信息时代中的作用

21世纪重要特征

• 数字化
• 网络化
• 信息化

三类网络

• 电信网络
• 有线电视网络
• 计算机网络

Internet中文译名

• 因特网
• 互联网

互联网两个基本特点

• 连通性

• 共享

  共享就是指资源共享。 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。

互联网概述

网络的网络

• 网络

  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。 网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

• 互连网

  网络之间还可以通过路由器互连起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。 这样的网络称为互连网，因此互连网是“网络的网络”。

• 互联网（因特网）

  全球最大的一个互连网。

互联网基础结构发展的三个阶段

• 第一阶段

  第一阶段是从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。 1969年美国国防部创建的第一个分组交换网ARPANET最初只是一个单个的分组交换网（并不是一个互连的网络）。 1983年TCP／IP协议成为ARPANET上的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都能利用互连网相互通信。（1983年：互联网的诞生时间）

  • internet（互连网）

    通用名词，泛指多个计算机网络互连而成的计算机网络。

  • Internet（互联网，或因特网）

    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，采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。

• 第二阶段

  第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网。即国家科学基金网NSFNET。它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）。

• 第三阶段

  第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。 1993年开始，由美国政府资助的NSFNET逐渐被若干个商用的互联网主干网替代，而政府机构不再负责互联网的运营。 这样就出现了一个新的名词：互联网服务提供者ISP。ISP又常译为互联网服务提供商。

互联网的标准化工作

• 互联网协会（ISOC）

  • 互联网体系结构委员会IAB

    • 互联网工程部IETF

      IETF是由许多工作组WG组成的论坛，具体工作由互联网工程指导小组IESG管理。

    • 互联网研究部IRTF

      IRTF是由一些研究组RG组成的论坛，具体工作由互联网研究指导小组IRSG管理。

• 制定互联网的正式标准经过的三个阶段

  • 互联网草案

  • 建议标准

    从这个阶段开始就成为RFC文档。

  • 互联网标准

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（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）。

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的主机。这些主机又称为端系统。 边缘部分利用核心部分所提供的服务，使众多主机之间能够相互通信并交换或共享信息。 主机A与主机B进行通信，实际上是指：主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信。简称为计算机之间通信。

• 客户-服务器方式

  客户是服务请求方，服务器是服务提供方。

  • 客户程序

    被用户调用后运行，在通信时主动问远地服务器发起通信（请求服务）。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。

  • 服务器程序

    是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。 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。 一般需要有强大的硬件和高级的操作系统支持。 客户与服条器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接受数据。 上面所说的客户和服务器本来都指的是计算机进程（软件）。 经常把运行客户程序的机器称为client（客户机），把运行服务器程序的机器成为server（服务器）。

• 对等连接方式

  对等连接（简写为P2P）。 实际上，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台主机既是客户又同时是服务器。

互联网的核心部分

网络的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一台主机都能够向其他主机通信。 在网络核心部分起特殊作用的是路由器，他是一种专用计算机（但不叫做主机）。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。

• 电路交换的主要特点

  用于数据量很大的实时性传输。 三个步骤：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）。 重要特点：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。 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。

• 分组交换的主要特点

  采用存储转发技术。 把要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由必要的控制信息组成的首部后，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。 主机是为用户进行信息处理的，路由器则是用来转发分组的，即进行分组交换的。 当讨论互联网的核心部分中的路由器转发分组的过程时，往往把单个的网络简化成一条链路，而路由器成为核心部分的结点。 分组在各路路由器存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销。 电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换。

• 三种交换方式在数据传送阶段的主要特点

  电路交换——整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。 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。 分组交换——单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻结点。存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

计算机网络在我国的发展

计算机网络的类别

计算机网络的定义

计算机网络的精确定义并未统一。 关于计算机网络的较好的定义是这样的[PETEll]：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（例如，传送数据或视频信号）。这些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。

几种不同类别的计算机网络

• 按照网络的作用范围进行分类

  • 广域网WAN（Wide Area Network）

    作用范围通常为几十到几千公里。 有时也称为远程网。

  • 城域网MAN（Metropolitan Area Network）

    作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，其作用距离约为5~50km。

  • 局域网LAN（Local Area Network）

    一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连（速率通常在10Mbit/s以上），但地理上则局限在较小的范围（如1km左右）。 学校或企业大都拥有许多个互连的局域网（这样的网络常称为校园网或企业网）。

  • 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（如便携式电脑等）用无线技术连接起来的网络，因此也常称为无线个人区域网WPAN（Wireless PAN），其作用范围很小，大约在10m左右。

  • 多处理机系统

    若中央处理机之间的距离非常近（如仅1米的数量级或甚至更小些），则一般就称为多处理机系统而不称它为计算机网络。

• 按照网络的使用者进行分类

  • 公用网（public network）
  • 专用网（private network）

• 用来把用户接入到互联网的网络

  这种网络就是接入网（Access Network），它又称为本地接入网或居民接入网。

计算机网络的性能

计算机网络的性能指标

• 速率

  速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率或比特率 速率的单位是bps 其单位换算递增103，而在存储容量上1Byte=8bit，注意单位上大写B和小写b的区别 1kb/s=103b/s，而1KB=2^{10}B

• 带宽

  原本指的是某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹 计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常指单位时间内从网络某一点到另一点所能通过的最高数据率。单位是比特每秒，b/s,kb/s,Mb/s 链路带宽=1Mb/s，即1us内可向链路发送1bit数据，电磁波1us可向前传播200m 物理信道指用运输传输数据信号的物理通道 逻辑信道 计算机网络的宽带可称为「数字宽带」，以区分物理带宽（Hz）

• 吞吐量

  吞吐量(throughput)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或网络的速率的限制。

• 时延

  时延是计算机网络最重要的两个性能指标之一。时延是指数据（一个报文或分组，比特)从网络（或链路）的一端传送到另—端所需的时间。网络时延包含以下几种时延：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延

  • 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，也叫传输时延。 发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)

  • 传播时延

    传播时延(propagation delay)是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。 传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率(m/s)

  • 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。

  • 排队时延

    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现在输入队列中排队等待处理。

• 时延带宽积

  链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。管道中的比特数表示从发送端已经发出但尚未到达接收端的比特。

• 往返时间RTT

  表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认(接收端收到数据后立即发送确认)，总共经历的时延。

• 利用率

  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。

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

计算机网络体系结构

计算机网络体系结构的形成

TCP/IP常被称为事实上的(de facto)国际标准。 计算机网络的各层及其协议的集合就是计算机网络的体系结构(architecture)。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。

协议与划分层次

• 协议的三要素
  • 语法
  • 语义
  • 同步
• 分层带来的好处
  • 各层之间是独立的
  • 灵活性好
  • 结构上可分割开
  • 易于实现和维护
  • 能促进标准化工作
    • 差错控制
    • 流量控制
    • 分段和重装
    • 复用和分用
    • 连接建立和释放

具有五层协议的体系结构

• 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。这里的进程就是指主机中正在运行的程序。

• 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。

• 运输层

  • 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。

• 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。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。（分组也叫IP数据报，或简称为数据报。）网络层传输单元是分组。

• 数据链路层

  简称链路层，数据链路层的传输单元是“数据帧”。

• 物理层

  物理层的数据传输单元是比特。

实体、协议、服务和服务访问点

• 实体

  实体(entity)表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。不同机器上同一层的实体叫做对等实体( peer entity )。

• 协议

  协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，即协议是“水平的”。

• 服务

  服务是各层向它的直接上层提供的一组原语或操作，是由下层向它的直接上层通过层间接口提供的，即服务是“垂直的”。（n层：服务提供者，n+1层：服务的用户） 本层的服务用户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服务用户是透明的。

• 服务访问带你

  服务访问点（SAP）：同一系统相邻两层的实体进行交互的地方 PDU=PCI+SDU 其中PDU代表协议数据单元，SDU代表服务数据单元 PCI代表代表协议控制信息

TCP/IP的体系结构

TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务，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。

• 应用层
• 运输层
• 网际层
• 网络接口层