计算机网络可使用户能够迅速传送数据文件,以及从网络上查找并获取各种有用资料,包括图像和视频文件。
分组交换采用存储转发技术,把要发送的整块数据称为一个报文(message)。在发送报文之前,先把较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段,例如,每个数据段为1024bit。在每一个数据段前面,加上一些必要的控制信息组成的首部(header)后,就构成了一个分组(packet)。分组又称为“包”,而分组的首部也可称为“包头”。分组是在因特网中传送的数据单元。分组中的“首部”是非常重要的,正是由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息,每一个分组才能在因特网中独立地选择传输路径,并被正确地交付到分组传输的终点。
位于网络边缘的主机和位于网络核心部分的路由器都是计算机,但它们的作用却很不一样。主机是为用户进行信息处理的,并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器则是用来转发分组的,即进行分组交换的。路由器收到一个分组,先暂时存储一下,检查其首部,查找转发表,按照首部中的目的地址,找到合适的接口转发出去,把分组交给下一个路由器。这样一步一步地(有时会经过几十个不同的路由器)以存储转发的方式,把分组交付最终的目的主机。各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息,以便创建和维持在路由器中的转发表,使得转发表能够在整个网络拓扑发生变化时及时更新。
现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开计算机网络。设想在某一天我们的计算机网络突然出故障不能工作了,会出现什么结果呢?这时,我们将无法购买机票或火车票,因为售票员无法知道还有多少票可供出售;我们也无法到银行存钱或取钱,无法交纳水电费和煤气费等;股市交易都将停顿;在图书馆我们也无法检索所需要的图书和资料。网络出了故障后,我们既不能上网查询有关的资料,也无法使用电子邮件和朋友及时交流信息。总之,这时的社会将会是一片混乱。由此还可看出,人们的生活越是依赖于计算机网络,计算机网络的可靠性也就越重要。
计算机网络也是向广大用户提供休闲娱乐的场所。例如,计算机网络可以向用户提供多种音频和视频的节目。用户可以利用鼠标随时点击各种在线节目。计算机网络还可提供一对一或多对多的网上聊天(包括视频图像的传送)的服务。计算机网络提供的网络游戏已经成为许多人(特别是年轻人)非常喜爱的一种娱乐方式。
因特网发展的三个阶段
第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。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)。所有要连接在ARPANET上的主机都直接与就近的结点交换机相连。但到了上世纪70年代中期,人们已认识到不可能仅使用一个单独的网络来满足所有的通信问题。于是ARPA开始研究多种网络(如分组无线电网络)互连的技术,这就导致后来互连网的出现。这样的互连网就成为现在因特网(Internet)的雏形。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,因而人们就把1983年作为因特网的诞生时间。1990年,ARPANET正式宣布关闭,因为它的实验任务已经完成。
第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。从1985年起,美国国家科学基金会NSF (NationalScience Foundation)就围绕六个大型计算机中心建设计算机网络,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)。这种三级计算机网络覆盖了全美国主要的大学和研究所,并且成为因特网中的主要组成部分。1991年,NSF和美国的其他政府机构开始认识到,因特网必将扩大其使用范围,不应仅限于大学和研究机构。世界上的许多公司纷纷接入到因特网,网络上的通信量急剧增大,使因特网的容量已满足不了需要。于是美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营,并开始对接入因特网的单位收费。1992年因特网上的主机超过100万台。1993年因特网主干网的速率提高到45Mb/s(T3速率)。
第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。从1993年开始,由美国政府资助的NSFNET逐渐被若干个商用的因特网主干网替代,而政府机构不再负责因特网的运营。这样就出现了一个新的名词:因特网服务提供者ISP (Internet Service Provider)。在许多情况下,因特网服务提供者ISP就是一个进行商业活动的公司,因此ISP又常译为因特网服务提供商。例如,中国电信、中国联通和中国移动就是我国最有名的ISP。
制定因特网的正式标准要经过以下的四个阶段[RFC 2026]:
(1) 因特网草案(Internet Draft) ——在这个阶段还不是RFC文档。
(2) 建议标准(Proposed Standard) ——从这个阶段开始就成为RFC文档。
(3) 草案标准(Draft Standard)。
(4) 因特网标准(Internet Standard)。
以小写字母i开始的internet(互联网或互连网)是一个通用名词,它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议(即通信规则)可以是任意的。
以大写字母I开始的Internet(因特网)则是一个专用名词,它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络,它采用TCP/IP协议族作为通信的规则,且其前身是美国的ARPANET。
1.按网络的作用范围进行分类
(1) 广域网WAN (Wide Area Network) 广域网的作用范围通常为几十到几千公里,因而有时也称为远程网(long haul network)。广域网是因特网的核心部分,其任务是通过长距离(例如,跨越不同的国家)运送主机所发送的数据。连接广域网各结点交换机的链路一般都是高速链路,具有较大的通信容量。
(2) 城域网MAN (Metropolitan Area Network) 城域网的作用范围一般是一个城市,可跨越几个街区甚至整个的城市,其作用距离约为5~50km。城域网可以为一个或几个单位所拥有,但也可以是一种公用设施,用来将多个局域网进行互连。目前,很多城域网采用的是以太网技术,因此城域网有时也常纳入局域网的范围进行讨论。
(3) 局域网LAN (Local Area Network)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10Mb/s以上),但地理上则局限在较小的范围(如1km左右)。在局域网发展的初期,一个学校或工厂往往只拥有一个局域网,但现在局域网已非常广泛地使用,一个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)。
(4) 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),其范围大约在10 m左右。顺便指出,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),则一般就称之为多处理机系统而不称它为计算机网络。
2.按网络的使用者进行分类
(1) 公用网(public network) 这是指电信公司(国有或私有)出资建造的大型网络。“公用”的意思就是所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都可以使用这种网络。因此公用网也可称为公众网,如CHINANET。
(2) 专用网(private network) 这是某个部门、某个行业为各自的特殊业务工作需要而建造的网络。这种网络不对外人提供服务。例如,政府、军队、银行、铁路、电力、公安等系统均有本系统的专用网。
3.用来把用户接入到因特网的网络
这种网络就是接入网 AN (Access Network),它又称为本地接入网或居民接入网。这是一类比较特殊的计算机网络。用户必须通过ISP才能接入到因特网。由于从用户家中接入到因特网可以使用的技术有许多种,因此就出现了可以使用多种接入网技术连接到因特网的情况。接入网本身既不属于因特网的核心部分,也不属于因特网的边缘部分。接入网是从某个端系统到另一个端系统的路径中,由这个端系统到第一个路由器(也称为边缘路由器)之间的一些物理链路所组成。从覆盖的范围看,很多接入网还是属于局域网。从作用上看,接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。在因特网发展初期,用户多用电话线拨号接入因特网,速率很低(每秒几千比特到几十千比特),因此那时并没有使用接入网这个名词。直到最近,由于出现了多种宽带接入技术,宽带接入网才成为因特网领域中的一个热门课题。
主干ISP由几个专门的公司创建和维持,服务面积最大(一般都能够覆盖国家范围),并且还拥有高速主干网(例如10Gb/s或更高)。
有一些地区ISP网络也可直接与主干ISP相连。地区ISP是一些较小的ISP。这些地区ISP通过一个或多个主干ISP连接起来。它们位于等级中的第二层,数据率也低一些。
电路交换时延 = 电路的建立时间 + 发送时延 + 传播时延
= s + x / b + kd
分组交换时延 = 存储转发 + 发送时延 + 传播时延
=( k - 1 ) p / b + x / b + kd
若:电路交换时延 > 分组交换时延
则:s + x / b + kd >( k - 1 ) p / b + x / b + kd
即:s > (k - 1) p / b
当 s > (k - 1) p / b(电路交换时电路的建立时间> 分组交换时的存储转发时间)的条件下,分组交换的时延比电路交换的要小。
分组个数 = x / p
传输的总比特数 = 分组长度 * 分组个数 = (p + h) * (x / p)
源发送时延 = 传输的总比特数 / 数据率 = (p + h) * (x / p)/ b
最后一个分组经过k-1个分组交换机的转发,中间发送时延 = (k - 1)(p + h) / b
总发送时延D = 源发送时延 + 中间发送时延
D = (p + h) (x / p) / b + (k - 1)(p + h) / b
令其对p的导数等于0,求极值
p = √hx/(k-1)
(1) 边缘部分
由所有连接在因特网上的主机组成。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。在网络边缘的端系统之间的通信方式通常可划分为两大类:客户-服务器方式(C/S方式)和对等方式(P2P方式)
(2) 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)。网络核心部分是因特网中最复杂的部分,因为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(router),它是一种专用计算机(但不是主机)。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。
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。
1.客户-服务器方式
客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。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。
2.对等连接方式
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。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。
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
计算机网络最常用的性能指标是:速率、带宽、吞吐量、时延(发送时延、传播时延、处理时延、排队时延)、时延带宽积、往返时间和信道(或网络)利用率。
D0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,数值在0到1之间。
(1)第一题解答:
(2)第二题解答:
从以上计算结果可得出:在这种情况下,传播时延决定了总时延。这时,即使把数据率提高到1000倍(即将数据的发送速率提高到1Gb/s),总时延也不会减小多少。这个例子告诉我们,不能笼统地认为:“数据的发送速率越高,传送得就越快”。
(1)1Mb/s时:0.1m/2.3/108×1×106b/s=0.000435bit=4.35×10-4bit
10Gb/s时:0.1m/2.3/108×10×109b/s=0.000435bit=4.35bit
(2)1Mb/s时:100m/2.3/108×1×106b/s=0.435bit
10Gb/s时:100m/2.3/108×10×109b/s=4.35×10-3bit
(3)1Mb/s时:100000/2.3/108×1×106b/s=435bit
10Gb/s时:100000/2.3/108×10×109b/s=4.35×106bit
(4)1Mb/s时:5×106/2.3/108×1×106b/s=2.1739×10bit
10Gb/s时:5×106/2.3/108×10×109b/s=2.1739×108bit
数据长度为100字节时 :
传输效率=100/(100+20+20+18)=63.3%
数据长度为1000字节时:
传输效率=1000/(1000+20+20+18)=94.5%
“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。
网络协议即协议,是为进行网络中的数据交换而建立的规则。计算机网络的各层及其协议的集合,称为网络的体系结构。
首先,协议的实现保证了能够向上一层提供服务。使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。也就是说,下面的协议对上面的实体是透明的。
其次,协议是“水平的”,即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是“垂直的”,即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。另外,并非在一个层内完成的全部功能都称为服务。只有那些能够被高一层实体“看得见”的功能才能称之为“服务”。上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令,这些命令在OSI中称为服务原语。
(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,即事件实现顺序的详细说明。
举例说明:
两个朋友在电话中约好,下午3时在某公园门口碰头,并且约定“不见不散”。这就是一个很不科学的协议,因为任何一方临时有急事来不了而又无法通知对方时(如对方的电话或手机都无法接通),则另一方按照协议就必须永远等待下去。因此,看一个计算机网络协议是否正确,不能只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。
(1) 应用层(application layer)
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(process)就是指主机中正在运行的程序。对于不同的网络应用需要有不同的应用层协议。在因特网中的应用层协议很多,如支持万维网应用的HTTP协议,支持电子邮件的SMTP协议,支持文件传送的FTP协议,等等。我们将应用层交互的数据单元称为报文(message)。
(2) 运输层(transport layer)
运输层的任务就是负责向两个主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。应用进程利用该服务传送应用层报文。所谓通用,是指并不针对某个特定网络应用,而是多种应用可以使用同一个运输层服务。由于一台主机可同时运行多个进程,因此运输层有复用和分用的功能。复用就是多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务,分用与复用相反,是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。
运输层主要使用以下两种协议:
● 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。
(3) 网络层(network layer)
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(packet)进行传送。在TCP/IP体系中,由于网络层使用IP协议,因此分组也叫作 IP数据报,或简称为数据报(datagram)。通常我们把“分组”和“数据报”作为同义词使用。
请注意:不要将运输层的“用户数据报UDP”和网络层的“IP数据报”弄混。
此外,无论在哪一层传送的数据单元,都可笼统地用“分组”来表示。网络层的另一个任务就是要选择合适的路由,使源主机运输层所传下来的分组能够通过网络中的路由器找到目的主机。这里要强调指出,网络层中的“网络”二字,已不是我们通常谈到的具体的网络,而是在计算机网络体系结构模型中的专用名词。
因特网是一个很大的互联网,它由大量的异构(heterogeneous)网络通过路由器(router)相互连接起来。因特网主要的网络层协议是无连接的网际协议IP (Internet Protocol)和许多种路由选择协议,因此因特网的网络层也叫做网际层或IP层。网络层、网际层和IP层都是同义语。
(4) 数据链路层(data link layer)
数据链路层常简称为链路层。我们知道,两台主机之间的数据传输,总是在一段一段的链路上传送的,这就需要使用专门的链路层的协议。在两个相邻结点之间传送数据时,数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧(framing),在两个相邻结点间的链路上传送帧(frame)。每一帧包括数据和必要的控制信息(如同步信息、地址信息、差错控制等)。在接收数据时,控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束。这样,数据链路层在收到一个帧后,就可从中提取出数据部分,上交给网络层。控制信息还使接收端能够检测到所收到的帧中有无差错。如发现有差错,数据链路层就简单地丢弃这个出了差错的帧,以免继续在网络中传送下去白白浪费网络资源。如果需要改正数据在数据链路层传输时出现的差错(这就是说,数据链路层不仅要检错,而且要纠错),那么就要采用可靠传输协议来纠正出现的差错。这种方法会使数据链路层的协议复杂些。
(5) 物理层(physical layer)
在物理层上所传数据的单位是比特。发送方发送1(或0)时,接收方应当收到1(或0)而不是0(或1)。因此物理层要考虑用多大的电压代表“1”或“0”,以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各条引脚应如何连接。当然,解释比特代表的意思,就不是物理层的任务。
请注意,传递信息所利用的一些物理媒体,如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等,并不在物理层协议之内而是在物理层协议的下面。因此也有人把物理媒体当作第0层。在因特网所使用的各种协议中,最重要的和最著名的就是TCP和IP两个协议。现在人们经常提到的TCP/IP并不一定是单指TCP和IP这两个具体的协议,而往往是表示因特网所使用的整个TCP/IP协议族(protocol suite)。
日常生活中看过周星驰的《功夫》,其中有一位娘们儿鸡鸡的武林高手,透过他透明的的大裤衩内部,可以清晰的看到他的红色小裤衩。
协议栈:具有五层协议的体系结构像一个栈(stack)的结构。
实体:当研究开放系统中的信息交换时,往往使用实体(entity)这一较为抽象的名词表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。在许多情况下,实体就是一个特定的软件模块。
对等层:任何两个同样的层次(例如在两个系统的第4层)之间,把数据(即数据单元加上控制信息)通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的“对等层”(peerlayers)之间的通信。
协议数据单元: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 (Protocol Data Unit)。这个名词现已被许多非OSI标准采用。
服务访问点:在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)的地方,通常称为服务访问点 SAP (ServiceAccess Point)。服务访问点SAP是一个抽象的概念,它实际上就是一个逻辑接口,有点像邮政信箱(可以把邮件放入信箱和从信箱中取走邮件),但这种层间接口和两个设备之间的硬件接口(并行的或串行的)并不一样。
客户是服务请求方,服务器是服务提供方。
客户-服务器:客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。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。主机A运行客户程序而主机B运行服务器程序。在这种情况下,A是客户而B是服务器。客户A向服务器B发出请求服务,而服务器B向客户A提供服务。
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(所谓的IP over everything)。
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