计算机网络-谢希仁

一.概述

1.重点：

1) 互联网边缘部分和核心部分作用，包括分组交换的概念

2) 计算机网络的性能指标

3) 计算机网络分层次的体系结构，包括协议和服务的概念

2.一些基本概念：

三网：电信网络、有线电视网络、计算机网络（本书所讲）

互联网（Internet）与互连网（internet）区分：

举个例子:网络（net）把计算机连接在一起，其中计算机是网络的节点；而互连网通过一些路由器把网络连接在一起（即网络的网络），其中网络是互连网的节点。

互连网（internet）：通用名词，泛指多个计算机网络互连而成的计算机网络，对网络间的协议没有要求。

互联网（Internet）：专用名词，指全球范围的众多网络互连而成的特定的互连网（当今世界上最大的计算机网络，对于仅在局部范围内连接起来的计算机网络，只能称之为互连网），采用TCP/IP协议族。

互联网的两个基本特性：连通性和共享

计算机网络由若干节点（node）和连接这些节点的链路（link）组成。

节点：可以是计算机、集线器、交换机或路由器等等

 主机:与网络相连的计算机通常称为主机（连接了网络的手机和智能电视机也是主机）。

注意：网络互连不仅是把计算机简单地在物理上连接起来，要实现信息的交换，这些计算机上必须有能交换信息的软件才行。

互联网基础结构发展的三个阶段：

1）从单个网络ARPANET向互连网发展,ARPANET是1969年美国国防部创建的第一个分组交换网，它最初只是一个单个分组交换网，并不是互连的。

2）建成了三级结构的互联网（主干网、地区网和校园网（或企业网））

3）逐渐形成了全球范围多层次ISP结构的互联网（ISP：互联网服务提供者，中国电信、中国联通和中国移动都是有名的ISP）

ISP从互联网管理机构申请到很多IP地址，同时拥有通信线路以及路由器等连网设备，个人向ISP缴费获取IP地址的租用权，从而通过IP地址接入互联网。

互联网交换点IXP（Internet eXchange Point）: 主要作用是允许两个网络直接相连并交换分组，不再需要第三个网络来转发分组。

当主机A和主机B交换分组时，就不必再经过最上层的主干ISP，而是直接在两个地区的ISP之间用高速链路对等地交换分组，减少了分组转发的延迟时间，降低了分组转发的费用。

 IXP结构非常复杂，典型的IXP由一个或多个网络交换机组成，许多ISP再连接到这写网络交换机的相关端口上，这些网络交换机都用局域互联网连接起来。

3.互联网的标准化工作（了解）

ISOC：互联网协会（国际性组织），对互联网进行全面的管理以及在世界范围内促进其发展和使用。

IAB：互联网体系结构委员会，是ISOC下面的一个技术组织，负责互联网有关协议的开发。

IETF：互联网工程部，是IAB下面的工程部之一，由许多工作组组成的论坛，具体工作由互联网工程指导小组IESG管理，这些工作主要针对协议的开发和标准化。

IRTF：互联网研究部，是IAB下面的工程部之一，由一些研究组组成的论坛，具体工作由互联网研究指导小组IRSG管理，主要是研究一些需要长时间考虑的问题，包括互联网的一些协议、应用和体系结构等等

制定互联网的正式标准要经过下面三个阶段:

1)互联网草案--有效期只要六个月，在这个阶段还不算是RFC文档

2）建议标准--从这个阶段就开始成为RFC文档

3）互联网标准--经过过长期的检验，证明了某个建议标准可以成为互联网标准时，这个RFC文档就成为了互联网标准。

4.互联网的组成（重点）

按照工作方式划分为两个部分:

1)边缘部分:有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，来进行通信（传送数据、音频和视频）和资源共享。

2)核心部分：由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，这些是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）

位于网络边缘部分的主机和网络核心部分的路由器都是计算机，但功能很不一样。主机是为用户进行信息处理的，路由器则用来转发分组，即进行分组交换

互联网边缘部分: 指连接在互联网上的所有主机，又称为端系统。

当我们说：主机A和主机B进行通信，实际上是指主机A上的某个进程与主机B上的另一个进程进行通信，简称为计算机之间的通信。

端系统的通信方式：客户-服务器方式(C/S)、对等方式（P2P方式）

客户-服务器方式（C/S）：是互联网上最常用的，也是比较传统的方式。客户和服务器都是指通信中所涉及的连个应用进程。

客户是服务请求方，服务器是服务提供方，并且服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务

 在实际的应用中，客户程序和服务器程序通常还具有以下一些主要特点：

客户程序：

1）被用户调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信（即请求服务），因此，客户程序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）是一种专门用来提供某种服务的程序，可以同时处理多个远地和本地客户的请求。

2）系统启动之后不断运行着，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的支持

注意：上面所说的客户和服务器都是指计算机进程（软件），使用计算机的人是用户而不是客户。

对等连接方式（P2P）：Peer To Peer,指两台主机在通信是，不去区分哪一个是服务请求方和服务提供方，只要两台主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以平等的对等连接通信。

互联网核心部分：

在网络核心部分起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机（但不叫做主机），路由器是实现分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。为了明白分组交换，先介绍电路交换。

电路交换：必须经过“建立连接”（占用通信资源）-->“通话”（一直占用资源）-->“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。

电路交换的特点:

1）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。

2） 采用面向物理连接的方式；

3）传输时延小，不需要添加控制信息，编码和信息格式不受限制。

4）信道利用率低；电路的接续时间长；存在呼损；线路传输效率低；通信双方必须同时处于激活可用状态，方可完成通信；

分组交换：

分组交换采用存储转发技术，把报文划分为几个分组之后再进行传送，通常我们把要发送的整块数据称为报文。

在发送报文之前，先把较长的报文划分为一个个更小的等长数据段，比如：每个数据段1024bit。在每个数据段前面，加上一些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”，分组的首部也可称为“包头”，分组是在互联网中传送的数据单元。首部是很重要的，里面包含了目的地址和源地址等重要控制信息，因此，每一个分组才得以在互联网中独立的选择传输路径，并被正确的交付到分组传输的终点。

 分组交换的优点：

1）高效--在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用。

2）灵活--为每个分组独立的选择最合适的转发路由

3）迅速--以分组作为传送单位，不先建立连接就能向其他主机发送分组

4）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

分组交换的缺点：

1）分组在个路由器存储转发时需要排队，这会造成一定的时延

2）各分组必须携带的控制信息造成了一定的开销

3）整个分组交换网还需要专门的管理和控制机制

报文交换：报文交换是以报文为数据交换的单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式。

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接到达终点，好像在一个管道中传送

报文交换——整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点

分组交换——单个分组（只是报文的一部分）传送到杏林街店，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。

5.计算机网络的类别

1）按照网络的作用范围分类

广域网WAN：作用范围通常为几十到几千公里，有时也可以叫远程网。广域网是互联网的核心部分，连接广域网各节点交换机的链路一般都是高速链路。

城域网MAN:作用范围一般是一个城市，作用距离约为5~50km，目前很多城域网采用的是以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围进行讨论。

局域网LAN：局域网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），但是地理局限在较小的范围（如1km左右）。

个人区域网PAN: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）用无线技术连接起来的网络，因此也常称为无限个人区域网，其范围很小，大约在10m左右。

顺便指出：若中央处理机之间的距离非常近（仅仅1m或者更小），则一般称之为多处理机系统，而不称他为计算机网络。

2）按照网络的使用者进行分类

公用网：指电信公司（国有或私有）出资建造的大型网络，“公用”就是所有愿意按照电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用这个网络。

专用网：这是某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络，这种网络不向本单位以外的人提供服务，如，军队、铁路、银行、电力等系统均有专用网。

3）用来把用户接入到互联网的网络

这种网络就是接入网AN，又称本地接入网或居民接入网，这是比较特殊的计算机网络。接入网实际上就是本地ISP所拥有的网络，它既不是互联网的核心部分，也不是互联网的边缘部分，它由某个端系统连接到本地ISP的第一个路由器（也称之为边缘路由器）之间的一些物理链路所组成。

6.计算机网络的性能

1）计算机网络的性能指标：

速率：指数据的传送速率，也称为数据率或比特率，是计算机网络中最重要的一个性能指标，速率的单位是bit/s（有时也写作b/s,bps），当数据率较高时，有以下换算：

k(kilo） = 10^3 = 千       M(Mega) = 10^6 = 兆     G(Giga) = 10^9 = 吉       T(Tera) = 10^12 = 太

P(Peta) = 1015 = 拍       E(Exa) = 10^18 = 艾      Z(Zetta) = 10^21 = 泽    Y(Yotta) = 10^24 = 尧

注意：当提到网络速率时，往往指的是额定速率或标称速率，并非网络实际上运行的速率。

带宽：带宽有两种不同的意义：

带宽本来指的是某个信号的频带宽度，信号的带宽是指该信号所包含的各种不同的频率成分所占据的频率范围（例如，在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽是3.1kHz），这种意义的带宽的单位是赫。在以前，通信的主干线路传送的是模拟信号，所以，表示某信道允许通过的信号频带范围就称为该信道的带宽。

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，因此，网络带宽表示在单位时间内网络中某信道能够通过的“最高数据率”，所以，这种意义的带宽的单位就是速率的单位bit/s。

吞吐量：表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量，吞吐量更经常用于对现实生活中的网络的一种测量，以便知道实际上又躲闪数据量能够通过网络。吞吐量受网络带宽和网络额定速率的限制。注意：吞吐量还可以用每秒传送的字节数或帧数来表示。

时延：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，时延是一个很重要的指标，有时也被称之为延迟或迟延。

发送时延：是主机或路由器发送数据帧所需的时间，也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所需的时间。因此发送时延也叫传输时延。

计算公式: 发送时延 = 数据帧长度（bit） / 发送速率（bit/s）

由此可见，发送时延并非固定不变，而是与发送的帧长成正比，与发送速率成反比。

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，电磁波在自由空间的传播速率是光速，即3.0 x 10^5 km/s.在铜线电缆中传播的速率约为2.3 x 10^5 km/s,在光纤中的传播速率为2.0 x 10^5 km/s.

注意：发送时延发生在机器内部的发送器中（一般在网络适配器中），与传输信道的长度（或信号传送的距离）没有任何关系；传播时延发送在机器外部的传输信道媒体上，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。

处理时延：主机和路由器在受到分组时需要花费一定的时间处理，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转发表等，这就产生了处理时延。

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之后要先在输入队列中排队等待处理，在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延，排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量，当网络通信量很大时，就会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大。

总之，数据在网络中经历的总时延就是以上四种时延之和：

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

 时延带宽积：将上面的传播时延和带宽相乘，就得到了很有用的度量——时延带宽积，我们可以用下面的示意图来表示时延带宽积，这是一个代表链路的圆形管道，管道的长度是链路的传播时延（注意：现在以时间作为单位来表示链路长度），而管道的横截面积就是链路的带宽，因此，时延带宽积就是表示这个管道的体积，表示这个链路可以容纳多少个比特。

 这表明，若发送端连续的发送数据，则在发送第一个比特即将达到终点时，发送端就发送了时延带宽积个比特，而这些比特都正在链路上向前移动，因此，链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

往返时间RTT：往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。

在计算机网络中，往返时间RTT也是一个重要的性能指标，这是因为在许多情况下，互联网的消息不仅仅是单方面的传输而是双向交互的，因此，我们很需要知道双向交互一次所需的时间。往返时间包括各中间的节点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。

利用率：利用率有信道利用率和网络利用率两种。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。

信道利用率不是越高越好，因为，根据排队论（一种数学理论）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。当网络通信量很少的时候，网络产生的时延并不大，但是网络通信量不断增大时，由于分组在网络节点（路由器或交换机）进行处理时需要排队等候，因此网络引起的时延就会增大。

如果让D0表示网络空闲时间的时延，D表示网络当前的时延（设现在的网络利用率为U），那么在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式来表示这三者之间的关系

D =D0/(1-U)

可以看到，当网络利用率达到其容量的1/2时，时延达到了原来的二倍，特别注意的是，当网络利用率接近最大值1时，网络产生的时延就趋于无穷大。

 2）计算机网络的非性能特征：

费用：网络的性能与其价格模切相关，一般说来，网络的速率越高，其价格也越高

质量：网络的质量取决于网络中所有构件的质量，以及这些构件是如何组成网络的。网络的质量会影响到很多方面，如网络的可靠性，网络管理的简易性，以及网络的一些性能，但是网络的性能和网络的质量并不是一回事。

标准化：网络的硬件和软件的设计既可以按照通用的国际标准 ，也可以遵循特定的专用网络标准，最好采用国际标准，这样可以得到更好的互操作性，更易于升级换代和维修，也更容易得到技术上的支持。

可靠性：高速网络要可靠的运行，往往更加困难，所需的费用也越高

可扩展性和可升级性：网络的性能越好，其扩展费用往往也会越高，难度也会相应增加。

易于维护和管理：网络如果没有良好的管理和维护，就很难达到和保持所设计的性能。

7.计算机网络体系结构

计算机网络体系结构的形成：计算机网络是个非常复杂的系统，为了显示这一点，可以设想一种最简单的情况：连接在网络上的两台计算机要互相传送文件。

显然，在这两台计算机之间必须有一条传送数据的通路，但这远远不够，至少还有以下几项工作去完成：

1）发起通信的计算机必须将数据通信的通路激活，所谓“激活”就是要发出一些信令，保证要传送的计算机数据能够在这条信路上正确发送和接受。

2）告诉网络如何识别接收数据的计算机。

3）发起通信的计算机必须查明对方的计算机是否已开机，并且与网络连接正常。

4）发起通信的计算机中的应用程序必须弄清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好接收文件和存储文件的准备工作。

5）若计算机的文件格式不兼容，则至少其中一台计算机应完成格式转换功能。

6）对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或丢失，网络中某个节点交换机出现故障等，应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够收到正确的文件。

由此可见，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，为了解决这样复杂的问题，提出了“分层”的设计思想。

国际化标准组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题，他们提出了著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM,简称OSI，在1983年形成了模型的正式文件，即著名的ISO 7498国际标准，也就是所谓的七层体系结构。

但是现今规模最大的、覆盖全球的、基于TCP/IP的互联网没有使用OSI标准，所以这个标准只是法律上的国际标准，而实际上事实上的国际标准是TCP/IP。

协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议，简称协议。

协议的三个组成要素：

1）语法：即数据与控制信息的结构或格式

2）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

3）同步：即时间实现顺序的详细说明，因此也可以叫时序

分层的好处：

1）各层之间是独立的，某一层不需要知道它的下一层的实现，而仅仅需要知道该层通过层间接口所提供的服务。

2）灵活性好，当某一层发生技术性的变化时，只要层间接口关系保持不变，那么其他层均不受影响

3）结构上可割开，各层都可以分别采用最合适的技术来实现

4）易于实现和维护

5）能促进标准化工作

通常各层需要完成的功能主要有以下几种（可以只有一种，也可以有多种）

1）差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠

2）流量控制：发送端的发送速率必须