重邮计算机网络803-（1）概述

目录

一.计算机网络向用户提供的最重要的功能

二.互联网概述

1.网络的网络

2.计算机网络的概念

3. 互联网发展的三个阶段

4.制订互联网的正式标准要经过以下的四个阶段

5.互联网的组成（功能）

6.互联网功能

7.互联网的组成（物理）

8. 互联网的边缘部分

9.两种通信方式

（1）客户服务器方式

（2）对等连接方式

对等连接方式的特点：

（3）互联网的核心部分

三.电路交换

1.两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。

2.使用交换机

3.电路交换的特点

4.电路交换举例

四.分组交换（存储——查表——转发）

1.存储——查表——转发

（1）在报文交换基础上 添加首部构成分组

（2）分组交换的传输单元

分组首部的重要性

（3）最后还原成原来的报文

存储——查表——转发详细解释

2.主机和路由器的作用不同

3.分组交换的优点

4.分组交换带来的问题

5.对比电路，报文，分组交换

6.计算机网络的分类

五.计算机网络的性能指标

1. 速率

2. 带宽

3.常用带宽单位

4.吞吐量

5. 时延(delay 或 latency)

（1）传输时延（发送时延）

（2）传播时延（相当于传送带速度）

（3）处理时延 与 排队时延

（4）容易产生的错误概念——高速网络链路

（5）时延带宽积

（6）利用率

（7）（了解）时延与网络利用率的关系

（8）（了解）计算机网络体系结构的形成

（9）（了解）关于开放系统互连参考模型OSI/RM（国际标准，但不用）

（10）两种国际标准

（11）划分层次的必要性

六.网络协议介绍

1.网络协议的组成要素

2.设计一个通信服务模块

3.分层的好处

七.计算机网络的体系结构

1.体系结构

2.具有五层协议的体系结构

3.传输过程

4.实体、协议、服务和服务访问点

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一.计算机网络向用户提供的最重要的功能

连通性 ——计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。

共享 ——即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享

二.互联网概述

1.网络的网络

        起源于美国的互联网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网。

        网络 (network)由若干 结点 (node)和连接这些结点的 链路 (link)组成。这些节点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等。

        互联网是“ 网络的网络 ”(network of networks)。

连接在互联网上的计算机都称为 主机 (host)，路由器是一种特殊的计算机，但不能成称为主机。

2.计算机网络的概念

一些互相连接的自治的计算机的集合。

按照网络协议，以共享资源为主要目的，将地理上分散且独立的计算机互相连接起来形成的集合体。

另一种定义:技术的结合，实现信息传输和资源共享的一种系统。

3. 互联网发展的三个阶段

  第一阶段 是从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。

 1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。

  人们把 1983 年作为互联网的诞生时间。

  第二阶段 的特点是建成了 三级结构的互联网 。

  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 的特点是逐渐形成了 多层次 ISP 结构的互联网 。

  出现了 互联网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。

  IXP互联网交换点（Internet eXchange Point)

4.制订互联网的正式标准要经过以下的四个阶段

互联网草案(Internet Draft) ——在这个阶段还 不是 RFC 文档。

建议标准(Proposed Standard) ——从这个阶段开始就成为 RFC 文档。

草案标准(Draft Standard)

互联网标准(Internet Standard)

5.互联网的组成（功能）

从互联网的功能上看，可以划分为以下的两大块：

(1) 边缘部分（资源子网） 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 。

(2) 核心部分（通信子网） 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 ）

6.互联网功能

7.互联网的组成（物理）

从互联网的物理上看，可以划分为以下的两大块：

(1)硬件：包括终端主机、互联设备、通信线路组成

(2)软件：用户使用的各种软件及通信所遵循的网络协议组成。

8. 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的主机。这些主机又称为 端系统 (end system)。

（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） 即“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信” 。或简称为“计算机之间通信”

9.两种通信方式

在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类：

（1） 客户服务器方式 （C/S 方式）即Client/Server方式

（2） 对等方式 （P2P 方式）即 Peer-to-Peer方式

（1）客户服务器方式

① 客户 (client)和 服务器 (server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。

②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。

③ 客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

服务器软件的特点

（1）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。

（2）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。

（3）一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

（2）对等连接方式

（1） 对等连接 (peer-to-peer，简写为 P2P )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。

（2）只要两个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 。

（3）双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

对等连接方式的特点：

①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同时是服务器。

②例如主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户，D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。

例如：面对面快传

（3）互联网的核心部分

①网络核心部分是互联网中最复杂的部分。

②网络中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个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。

③在网络核心部分起特殊作用的是 路由器 (router)。

④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。

三.电路交换

1.两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。

2.使用交换机

n 当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。

3.电路交换的特点

①电路交换必定是面向连接的。

②电路交换的三个阶段：

③建立连接

④通信

⑤释放连接

4.电路交换举例

A 和 B 通话经过四个交换机

通话在 A 到 B 的连接上进行

电路交换传送计算机数据效率低，封路

计算机数据具有突发性。

这导致通信线路的利用率很低。

四.分组交换（存储——查表——转发）

1.存储——查表——转发

（1）在报文交换基础上 添加首部构成分组

每一个数据段前面添加上 首部 构成分组。

（2）分组交换的传输单元

分组交换网以“ 分组 ”作为数据传输单元。

依次 把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）

分组首部的重要性

① 每一个 分组的首部都含有 地址 等控制信息。

②分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的 地址信息 ，把分组 转发 到下一个结点交换机。

③用这样的 存储转发 方式，最后分组就能到达 最终目的地 。

（3）最后还原成原来的报文

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

这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。

存储——查表——转发详细解释

存储——查表——转发（依次在路由器A,B,E暂存，查找转发表，找到转发的端口）：

在路由器中的输入和输出端口之间 没有直接连线 。

路由器处理分组的过程是：详细解释

（1）把收到的分组先放入 缓存（暂时存储） ；

（2）查找 转发表 ，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；

（3）把分组送到适当的 端口 转发出去。

2.主机和路由器的作用不同

（1）主机是 为用户进行信息处理 的，并向网络发送分组，从网络接收分组。

（2）路由器对分组进行 存储转发 ，最后把分组交付目的主机。

3.分组交换的优点

① 高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。

② 灵活 以分组为传送单位和查找路由。

③ 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。只需知道地址

④ 可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。

4.分组交换带来的问题

①分组在各结点存储转发时需要 排队 ，这就会造成一定的 时延 。

  ②分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的 开销 。

5.对比电路，报文，分组交换

存储转发原理并非完全新的概念，在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的 报文交换 (message switching)。

报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。

6.计算机网络的分类

拓扑结构

管理方式

网络使用者

传输介质

分布范围

交换技术

（托管使劲反击 ）

（1）几种不同类别的网络

拓扑结构分类

星型

总线型

环型

网状型

（2）管理方式

C/S结构

对等网结构

（3）从网络的使用者进行分类

公用网 (public network)

专用网 (private network)

（4）传输介质

有线网

无线网

混合网（既有有线也有无限）

（5） 不同作用范围的网络

广域网 WAN (Wide Area Network)

城域网 MAN (Metropolitan Area Network)

局域网 LAN (Local Area Network)

个人区域网 PAN (Personal Area Network)

（6）交换技术

电路交换

报文交换

分组交换

（7）用来把用户接入到互联网的网络

接入网 AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。ISP起这个作用

由 ISP 提供的接入网只是起到让用户能够与互联网连接的“桥梁”作用。

五.计算机网络的性能指标

1. 速率

① 比特 （bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。

②Bit 来源于 binary digit，意思是一个“ 二进制数字 ” ，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。

③ 速率 即 数据率 (data rate)或 比特率 (bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s（bit每秒），或kb/s, Mb/s, Gb/s 等

④速率往往是指 额定速率 或 标称速率 。

2. 带宽

“ 带宽 ”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。

现在“带宽”是数字信道所能传送的“ 最高数据率 ”的同义语，单位是“比特每秒” ，或 b/s (bit/s)。

类比：带宽=横截面积

3.常用带宽单位

更常用的带宽单位是

①传输速率：

千比每秒，即 kb/s （10^3 b/s）

兆比每秒，即 Mb/s（10^6 b/s）

吉比每秒，即 Gb/s（10^9 b/s）

太比每秒，即 Tb/s（10^12 b/s）

②内存大小：

请注意：在计算机界，K = 2^10 = 1024，M = 2^20 , G = 2^30 , T = 2^40 。

4.吞吐量

① 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。

  ②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。

  ③吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

5. 时延(delay 或 latency)

（1）传输时延（发送时延）

（相当于横截面积或塞人速度） 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。

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。

例子中把数据全部塞入管道的时间

一般没讲实际发送速率我们就用带宽

（2）传播时延（相当于传送带速度）

电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

信号 传输速率 （即发送速率）和信号在信道上的 传播速率 是完全不同的概念。

例子中看最左的最后一个人走到最右端的花的时间，即：信道长度÷信道速度

例：一个水平传送带，横截面积10人/s（或每秒塞10人），长100m，传送带速度10m/s，请问100人多长时间全走出隧道

=一个水平传送带，横截面积10b/s，长100m，传送带速度10m/s，请问100bit多长时间全走出隧道

个人思路：100人÷10人/s=10s，10×10=100m，100人相当于100m，则200m÷10人/s=20s

正规思路：100人÷10人/s=10s全部塞入管道，看最左的最后一个人走到最右端多长时间，100m÷10m/s=10s，则10+10=20s

（3）处理时延 与 排队时延

① 处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。

② 排队时延 结点缓存队列中分组 排队 所经历的时延。

③排队时延的长短往往取决于网络中 当时的通信量 。

④数据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

四种时延所产生的地方——从结点 A 向结点 B 发送数据

（4）容易产生的错误概念——高速网络链路

①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 。即带宽越大，就是高速网络链路。

②提高链路带宽减小了数据的发送时延。

（5）时延带宽积

信道中能存多少bit数据。相当于能有同时多少人在信道里。

用传播时延表示信道长度

时延带宽积 = 传播时延 ×  带宽

例如：100人，塞人速度10人/s，信道长50m，信道速度10m/s，问能有同时多少人在信道里（时延带宽积）

先看第一个人通过整个信道多少秒，50m÷10 m/s=5s，即5s这个信道被塞满人，5s × 10人/s =50人，信道能同时存50人。

（6）利用率

① 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。

② 网络利用率 则是全网络的信道利用率的加权平均值。

例：A到B有两个信道，共10秒时间在信道时间分别为7,3s，权值如下，则网络利用率（加权平均值）=

③信道利用率并非越高越好。

（7）（了解）时延与网络利用率的关系

① 根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。​​​​​​​

② 若令 D 0 表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，U 是网络的利用率，则在适当的假定条件下，可以用下面的图形成立：

（8）（了解）计算机网络体系结构的形成

相互通信的两个计算机系统必须 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，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

（9）（了解）关于开放系统互连参考模型OSI/RM（国际标准，但不用）

只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。

在市场化方面 OSI 却失败了。

OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；

OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；

OSI 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；

OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现

（10）两种国际标准

法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。

是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。

​​​​​​​ TCP/IP 常被称为事实上的(de facto) 国际标准。

（11）划分层次的必要性

计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。

这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时 序的意思）。

网络协议(network protocol)，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。

六.网络协议介绍

1.网络协议的组成要素

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。

（ 了解 ）划分层次的概念举例

主机 1 向主机 2 通过网络发送文件。

可以将要做的工作进行如下的划分。

第一类工作与传送文件直接有关。

确信对方已做好接收和存储文件的准备。

双方协调好一致的文件格式。

两个主机将 文件传送模块 作为最高的一层 。剩下的工作由下面的模块负责。

2.设计一个通信服务模块

3.分层的好处

①各层之间是独立的。

②灵活性好。

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。

层数多少要适当 ，若层数太少，就会使每一层的协议太复杂；层数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。

七.计算机网络的体系结构

1.体系结构

计算机网络的体系结构(architecture)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 (implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。

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。

2.具有五层协议的体系结构

n TCP/IP 是四层的体系结构： 应用层、传输层、网际层和网络接口层。

n 但最下面的网络接口层并没有具体内容。

n 因此往往采取折中的办法，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 。

四层或五层TCP/IP的体系结构：

3.传输过程

主机 1 向主机 2 发送数据的封装与解封装过程

PDU：协议数据单元，是对等层次之间传递的数据单位

4.实体、协议、服务和服务访问点

实体 (entity) 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。只有实现本层协议才能为上一层提供服务。

注：

（1）

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。

协议是“ 水平的 ” ，即协议是控制对等实体之间通信的规则。

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。

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 (Service Access Point)。

（2）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 一切都是正常的和非常理想的。

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，而且还必须非常仔细地检查这个协议 能否应付各种异常情况 。