【计算机网络】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：数字化、网络化和信息化，是一个以网络为核心的时代。 三类熟悉的网络：

1. 电信网络：提供电话、电报及传真等服务。
2. 有线电视网络：向用户传送各种电视节目。
3. 计算机网络：使用户能在计算机之间传送数据文件。

如何称呼 Internet？

• 因特网：推荐，但却长期未得到推广。
• 互联网：目前流行最广，事实上的标准译名。

注意：互联网 ≠互连网。互连网：局部范围互连起来的计算机网络。 互联网的 2 个重要基本特点

1. 连通性：几乎忽略距离因素，使上网用户之间可以非常便捷、非常经济地交换各种信息，好像这些用户终端都彼此直接连通一样。
2. 资源共享：实现信息共享、软件共享、硬件共享。由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样。

互联网+：指“互联网+各个传统行业”。把互联网的创新成果深度融合于经济社会各领域。

1.2 互联网概述

1.2.1 网络的网络

计算机网络： 由若干节点和连接这些节点的链路组成。 节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

互连网： 多个网络通过一些路由器相互连接起来，即“网络的网络”。

主机：与网络相连的计算机，路由器是特殊计算机，但不是主机 主机可以在云里，也可以在云外：

网络：把许多计算机连接在一起。 互连网 (internet) ≠ 互联网 (Internet)

• 互连网（internet）：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。协议不一定是TCP/IP
• 互联网（Internet）：覆盖全球的特定互连网，采用TCP/IP协议，前身是ARPANET。

1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

【第一阶段】 ARPANET：最初只是单个的分组交换网，不是互连网。 【互联网的雏形】 1983 年，TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。【互联网的诞生时间】 【第二阶段：构成了三级结构的互联网】 三级结构：主干网、地区网和校园网（或企业网）。

【第三阶段：出现了多层次的互联网服务提供者 ISP】 ISP：提供接入到互联网的服务，但需收取一定的费用。国内如中国电信、中国联通、中国移动等等。 理解：用户通过ISP购买的IP接入互联网。 多层次 ISP 结构： 主干 ISP、地区 ISP 和本地 ISP。

互联网交换点 IXP：允许两个网络直接相连并快速交换分组，不需第三个网络交换分组。 常采用交换机。 内容提供者：在互联网上向所有用户提供视频等内容的公司。

1.2.3 互联网的标准化工作

RFC：（请求评论）

1. 所有的 RFC 文档都可从互联网上免费下载。
2. 任何人都可以用电子邮件随时发表对某个文档的意见或建议。
3. 但并非所有的 RFC 文档都是互联网标准。只有很少部分的 RFC 文档最后才能变成互联网标准。
4. RFC 文档按发表时间的先后编上序号（即 RFCxxxx，xxxx 是阿拉伯数字）。

1.3 互联网的组成

从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块：

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

1.3.1 互联网的边缘部分

处在互联网边缘部分的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 。 端系统在功能上可能有很大差别：

• 小的端系统：普通个人电脑、智能手机、网络摄像头等。
• 大的端系统：非常昂贵的大型计算机或服务器。
• 端系统的拥有者：可以是个人、单位、或某个 ISP。

理解：主机A和主机B进行通信是指：主机A的某个进程与主机B的另一个进程进行通信。 通信方式分成：

1. 客户-服务器方式（C/S 方式）
2. 对等连接方式（P2P 方式）

a. 客户-服务器方式（C/S 方式）

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。

1. 客户是服务的请求方
2. 服务器是服务的提供方。

客户程序

1. 被用户调用后运行，需主动向远地服务器发起通信（请求服务）。必须知道服务器程序的地址。
2. 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器程序

1. 专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个客户请求。
2. 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。不需要知道客户程序的地址。
3. 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

b. 对等连接方式（P2P 方式）

两台主机在通信时不区分服务请求方和服务提供方。只要都运行了 P2P 软件，就可以进行平等的、对等连接通信。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既是客户又是服务器。

1.3.2 互联网的核心部分

核心部分：网络+路由器。 路由器：实现分组转发 典型交换技术包括：

1. 电路交换
2. 分组交换
3. 报文交换

互联网的核心部分采用分组交换技术。

a. 电路交换

问题：电线对的数量与电话机数量的平方（N2）成正比。

解决：电话交换机

电路交换特点：

1. 建立连接：建立一条专用的物理通路（占用通信资源）。
2. 通话：主叫和被叫双方互相通电话（一直占用通信资源）。
3. 释放连接：释放刚才使用的专用的物理通路（归还通信资源）。

这种必须经过“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。通话的两个用户始终占用端到端的通信资源 缺点： 通信线路的利用率很低，真正用来传送数据的时间往往不到 10%，甚至不到 1%，已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的。

b. 分组交换

采用存储转发技术。 过程：

数据段前面添加首部就构成了分组

接收端收到分组后剥去首部，还原成原来的报文

路由器作用：分组转发：

分组交换的优点 优点 所采用的手段 高效 在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 为每一个分组独立地选择最合适的转发路由。 迅速 以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组。 可靠 保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性。 缺点：

1. 排队延迟：分组在各路由器存储转发时需要排队。
2. 不保证带宽：动态分配。
3. 增加开销：各分组必须携带控制信息；路由器要暂存分组，维护转发表等。

c. 报文交换

类似分组转发，但转发的不是分组而是整个报文。

电路交换、报文交换和分组交换的主要区别

1. 若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。
2. 报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。
3. 由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。

1.4 计算机网络在我国的发展

1994 年，中国教育和科研计算机网 CERNET (China Education and Research NETwork) 是我国第一个 IPv4 互联网主干网。 2004 年 2 月，我国的第一个下一代互联网 CNGI 的主干网 CERNET2 试验网正式开通，并提供服务。 试验网以 2.5~10 Gbit/s 的速率连接北京、上海和广州三个 CERNET 核心节点，并与国际下一代互联网相连接。 中国互联网络信息中心 CNNIC (ChiNa Network Information Center) 每年两次公布我国互联网的发展情况。 到 2019 年底，我国的国际出口带宽已超过 8.8 Tbit/s （1 Tbit/s = 103 Gbit/s）。

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。

1.5.2 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 类别 作用范围或距离 广域网 WAN 通常为几十到几千公里。有时也称为远程网. 城域网 MAN 作用范围一般是一个城市，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 10 米左右。有时也称无线个人区域网。 按照网络的使用者进行分类 类别 作用范围或距离 公用网 按规定交纳费用的人都可以使用的网络。也可称为公众网。 专用网 为特殊业务工作的需要而建造的网络。 用来把用户接入到互联网的网络-接入网【又称为本地接入网或居民接入网】

1.6 计算机网络的性能

1.6.1 计算机网络的性能指标

性能指标*7：从不同的方面来度量计算机网络的性能。

a. 速率

速率（数据率或比特率）:数据的传送速率，一般指额定速率或标称速率，非实际运行速率。 单位：bit/s,b/s,bps，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s 等。

【示例】

1 B=8 bit \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \\ 1 KB=2 ^ { 10 } B\ \ \ \ \ \ 1kbit=10^ { 3 } bit\\ 1MB=2 ^ { 20 }B\ \ \ \ \ \ 1Mbit=10^ { 6 } bit\\ 1GB=2 ^ { 30 }B\ \ \ \ \ \ \ 1Gbit=10^ { 9 } bit\\ 1TB=2 ^ { 40 }B\ \ \ \ \ \ \ 1Tbit=10^ { 12 } bit\\

b. 带宽

频域【传统通信】:如300Hz到3.4kHz

1. 某个信号具有的频带宽度。
2. 单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
3. 某信道允许通过的信号频带范围称为该信道的带宽（或通频带）。

时域【计算机网络】:允许通过的最高数据率

1. 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”。
2. 单位就是数据率的单位 bit/s。

c. 吞吐量

吞吐量：单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。

1. 受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
2. 额定速率是绝对上限值。
3. 可能会远小于额定速率，甚至下降到零！

单位：bit/s,bit

d. 时延

时延（延迟或迟延）：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。 单位：s 组成：

1. 发送时延
2. 传播时延
3. 处理时延
4. 排队时延

（1）发送时延：是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。

（2）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。

电磁波传播速率：

1. 自由空间的传播速率是光速 = 3.0 ⅹ 105 km/s
2. 在铜线电缆中的传播速率约 = 2.3 ⅹ 105 km/s
3. 在光纤中的传播速率约 = 2.0 ⅹ 105 km/s

注意：发送时延与传播时延有本质上的不同。 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）没有关系。 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：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。 （4）排队时延：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理和转发所经历的时延。 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大。

易错：

1. “在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送得更快些”。（错误），因为对于高速网络链路，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。 提高数据的发送速率只是减小了数据的发送时延。

e. 时延带宽积

表示含义： 管道中的比特数表示从发送端发出但尚未到达接收端的比特数。 只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分利用。 单位：bit

f. 往返时间 RTT

表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。 【示例】

g. 利用率

信道利用率 某信道有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）。 完全空闲的信道的利用率是零。 网络利用率 全网络的信道利用率的加权平均值。 问题：信道利用率越高越好吗？ 不是。解答如下：

1.6.2 计算机网络的非性能特征

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

1.7.2 协议与划分层次

计算机网络体系结构

• 法律上的国际标准 OSI
• 事实上的国际标准 TCP/IP

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：

1. 语法：数据与控制信息的结构或格式 。
2. 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。
3. 同步：事件实现顺序的详细说明。

1.7.3 具有五层协议的体系结构

各层的主要功能 应用层：

• 任务：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。
• 协议：DNS，HTTP，SMTP
• 数据单元：把应用层交互的数据单元称为报文(message)。

运输层：

1. 任务：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。
2. 协议：TCP，UDP
3. 数据单元：TCP的数据单元是报文段，UDP的数据单元是用户数据报

TCP与UDP

• TCP是面向字节流、连接、可靠数据传输服务。
• UDP是面向报文、无连接、不可靠的传输服务。

网络层：

1. 任务：为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
2. 协议：IP
3. 数据单元：IP数据报

两个具体任务：

1. 路由选择：通过一定的算法，在互联网中的每一个路由器上，生成一个用来转发分组的转发表。
2. 转发：每一个路由器在接收到一个分组时，要依据转发表中指明的路径把分组转发到下一个路由器。

数据链路层：

1. 任务：实现两个相邻节点之间的可靠通信
2. 协议：PPP点对点协议，CSMA/CD广播协议
3. 数据单元：帧（frame）

物理层： 任务：实现比特（0 或 1）的传输。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。

在数据链路层加上尾部

T_2

。

1.7.4 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：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

1. 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。
2. 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。

注意：协议和服务在概念上是不一样的

相邻两层之间的关系

协议很复杂，要应付所有异常情况

1.7.5 TCP/IP 的体系结构

现在互联网使用的 TCP/IP 体系结构已经发生了演变，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。

沙漏计时器形状的 TCP/IP 协议族

互联网中客户-服务器工作方式

同时运行多个服务器进程同时为多个客户进程提供服务