第一章 概述

本章最重要的内容

• 互联网边缘部分和核心部分的作用，其中包含分组交换的概念
• 计算机网络的性能指标
• 计算机网络分层次的体系结构，包含协议和服务的概念

以Internet为代表的计算机网络飞速发展，中译为互联网（Internet），由数量极大的各种计算机网络互连而成

互联网的两个重要基本特点：连通性、共享

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一、计算机网络的基本概念

计算机网络由若干**结点（node）和连接这些结点的链路（link）**组成，把许多计算机连接在一起

通过路由器互连的网络称为互连网（internet），是网络的网络

网络={计算机，结点，链路}，网络的网络={网络，路由器，链路}

总述为计算机网络的基本概念：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路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机

主机是指任何连接在互联网上、可以运行应用程序的计算机系统，小到一个网络摄像头，大到大型计算机

互联网基础结构

两个名词internet和Internet的区别

• internet互连网，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络，通信协议是任意的
• Internet互联网，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联网，采用TCP/IP协议族作为通信规则

第一阶段：从单个网络ARPANET向互连网发展的过程
第二阶段：建成了三级结构的互联网（主干网、地区网、校园网/企业网）
第三阶段：逐渐形成多层次ISP结构的互联网（互联网交换点IXP：允许两个网络直接相连并交换分组）

二、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
• 主机又称为端系统，小到网络摄像头，大到大型计算机
• 主机之间的通信实质上是进程之间的通信

端系统之间的通信方式

• 客户-服务器方式（描述的是进程之间的服务与被服务关系）
• 对等连接方式（P2P方式）

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）
• 电路交换：通信时间内始终占用端到端的通信资源
• 报文交换：以报文为单位进行转发分组
• 分组交换：通过路由器进行转发单个分组（存储转发技术

两种连接方式：面向连接和无连接

面向连接：建立连接→传送数据→释放连接、无连接：传送数据
电路交换一定是面向连接，而分组交换可以用面向连接也可以无连接

三、计算机网络的分类

按照网络的作用范围进行分类
广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个人区域网PAN

按照网络的使用人群进行分类
公用网、专用网

用来把用户接入到互联网的网络
接入网AN：用户家接入到互联网可以使用的技术

四、计算机网络的性能

计算机网络的性能指标

这里指的都是计算机网络中的定义

速率：数据的传送速率，也称为数据率，单位“比特每秒”

带宽：通道传送数据的能力，单位时间内所能通过的“最高数据率”，单位“比特每秒”

吞吐量：单位时间内所通过的实际数据量，单位“比特每秒”

时延：数据从网络一端到另一端所需的时间（一定情况下比速率还要重要）

• 发送时延：主机或路由器发送数据帧所需要的时间（数据帧长度/发送速率）
• 传播时延：电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间（信道长度/信道上的传播速率）
• 处理时延：主机或路由器在收到分组时的处理时间
• 排队时延：分组在进入路由器等待被处理的排队时间
• 总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延（占据主导地位的时延要视情况而定）

问：在高速链路（高带宽链路）上，比特会传送的更快些吗
答：对于高速链路网络，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，只减小发送时延

时延带宽积：传播时延和带宽的乘积（以比特为单位的链路长度）

往返时间RTT：信息双向交互一次所需的传播时间

**利用率：**信道的利用时间的百分比（信道利用率），全网络信道利用率的加权平均值（网络利用率）

根据排队理论，信道利用率增大的时候，该信道引起的时延也会增加。利用率过高会产生非常大的时延

网络利用率=1-（网络空闲时的时延/网络当前的时延）

计算机网络的非性能指标

费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性和可升级性

五、计算机网路的体系结构

体系结构存在的意义：使得相互通信的计算机协调工作

协议与划分层次

网络协议：为进行网络数据交换而建立的规则、标准或约定

• 语法：即数据与控制信息的结构或格式
• 语义：即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：即事件实现顺序的详细说明

根据以往的经验来说，对于复杂的计算机网络协议，其结构应该是层次式的

从上图这个文件传输功能分层实现的例子中可以看出分层的好处有

• 各层之间是相互独立的。每一层不需要知道下一层的实现，只要有接口就可以了
• 灵活性好。当任何一层进行修改的时候，只要接口不变就可以了
• 结构上可分割开。各层都可以用最合适的技术实现
• 易于实现和维护、能促进标准化工作

通常各层需要完成的工作有：差错控制、流量控制、分段和重装、复用和分用、连接建立与释放

而所谓**体系结构（architecture）**就是计算机网络的各层及其协议的集合

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

五层协议的体系结构

在“分层”的基础上提出的统一的开放系统基本参考模型OSI/RM，主要用于解决计算机间通信的各种情况

法律上的国际标准是OSI，但事实上的国际标准TCP/IP

为了便于学习，通常折合两者的优点，采用一种只有5层协议的体系结构

自上而下各层的作用（具体见后续章节）：

1. 应用层：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用
2. 运输层：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
3. 网络层：负责为交换网上的不同主机提供通信服务
4. 数据链路层：结点之间的数据传输
5. 物理层：确定连接电缆插头的引脚数量和连接方式（不一定是使用导线的连接，可以无线）

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

实体、协议、服务和服务访问点

实体：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（或多个实体）进行通信的规则的集合

在协议的控制下，两个对等实体要向上一层提供服务，并用下一层提供的服务实现本层协议

使用本层协议的实体只能看见服务而无法看见下面的协议，并保证向上一层提供服务

因而协议是水平的，而服务是垂直的

在同一个系统中，相邻两层交换信息的地方称为服务访问点SAP，交换的数据单位为服务数据单元SDU

TCP/IP的体系结构

分层次画出具体的协议来表示TCP/IP协议族

应用层和网络接口层都有多种协议，而中间的IP层很小，上层的各种协议都向下汇聚到一个IP协议中

这种很像沙漏计时器形状的TCP/IP协议族表明：TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务（所谓的everything over IP），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

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