第一章

计算机网络在信息时代中的作用

计算机网路的定义

信息时代--以网络为核心

电信网络：提供电话、电报及传真服务

有线电视网络：向用户传送各种电视节目

计算机网络：使用户能在计算机之间传送数据文件

发展最快的并起到核心作用的是计算机网络

三网融合：将电信网络、有限电视网络融入现代计算机网络技术

Internet：全球最大、最重要的计算机网络

  • 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
  • 互连网：局部范围互连起来的计算机网络

计算机网络的特点

连通性

  • 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联通一样

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地方便使用。

互联网的地位

  • 已经成为社会最为重要的基础设施之一，互联网技术是推动世界发展的核心顶尖技术之一。
  • 当今世界，谁掌握互联网，谁就把握了时代的主动权。

互联网+

新的经济形态

  • 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。

互联网概述

网络的网络

计算机网络

  • 由若干个节点(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、交换机和路由器等。

用一朵云代表一个网络的好处是，可以先不考虑每个网络中的细节

互连网(internetwork 或 internet)

  • 多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络
  • 网络的网络

互联网(Internet)

  • 特指覆盖全球的、具有连通性和资源共享性的计算机网络

互联网基础结构发展的三个阶段

  1. 1969-1990

    从单个网络ARPANET向互联网发展

    • ARPANET：最初只是一个单个的分组交换网络，不是一个互连网
    • 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
    • 人们把1983年作为互联网的诞生时间
    • 1990年，ARPANET正式宣布关闭

  2. 1985-1993

    建成了三级结构的互联网

    • 国家科学基金网NSFNET
    • 三级结构：主干网、地区网和校园网（或企业网）
    • 覆盖了全美国主要的大学和研究所，并且成为互联网中的主要组成部分

  3. 1993-现在

    全球范围的多层次ISP结构的互联网

    • 出现了互联网服务提供者ISP

      • 提供接入到互联网的服务
      • 需要收取一定的费用

    • 多级ISP结构

      • 主干ISP、地区ISP和本地ISP
      • 覆盖面积大小和所拥有的IP地址树木的不同

    • IXP或IX

      • 互联网交换点

      • 主要作用是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组

      • 常采用工作在数据链路层的网络交换机

      • 世界上较大的IXP的峰值吞吐量都在Tbit/s量级

    • 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。
      • 不想用户提供互联网的转接服务
  • 20世纪90年代：万维网WWW的问世
    • 由欧洲原子核研究组织CERN开发

互联网的标准化工作

  • 标准发布：以RFC的形式，Request For Comments(请求评论)
  • 所有的RFC文档都可以从互联网上免费下载，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
  • 但并非所有的RFC文档都是互联网标准，只有很少部分的RFC文档最后才能成为互联网标准。

制定互联网的正式标准要经过以下三个阶段：

  1. 互联网草案

    有效期只有六个月，不能算RFC文档

  2. 建议标准

    RFC

  3. 互联网标准

    分配标准编号，记为STDxxx

互联网的组成部分

从互联网的工作方式上看，可以划分为两大类：

  • 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，用来通信（传送数据、音频或视频）和资源共享

  • 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（提供联通性和交换）

习惯上，与网络相连的计算机常称为主机

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主机，又称为端系统

端系统不负责数据的转发

计算机之间的通信：

主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信

端系统之间的两种通信：

  1. 客户-服务器方式
    • Client/Server方式
    • 简称为C/S方式
  2. 对等方式
    • Peer to Peer方式
    • 简称为P2P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。

客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接受数据。

  • 客户程序
    • 被用户调用后，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
    • 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统
  • 服务器程序
    • 专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个客户请求
    • 一直不断地运行着，被动的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
    • 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持

P2P方式

  • 两台主机在通信时不区分服务请求方和服务提供者
  • 只要都运行了P2P软件，就可以进行平等的、对等连接通信

P2P方式从本质上看仍然是使用C/S方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又是服务器

互联网的核心部分

  • 是互联网中最复杂的部分
  • 向网络边缘中的主机提供连通性，是任何一台主机都能向其他主机通信
  • 在网络核心部分起特殊作用的是路由器
  • 路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组。分组转发是网络核心部分最重要的功能

电路交换的主要特点

当电话机的数量增多时，使用电话交换机将这些电话连接起来。

每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便的通信。

这种交换方式就是电路交换。

  • 交换的含义就是转接

    把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来

  • 从通信资源的分配角度看，就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源

电路交换分为三个阶段：

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

电路交换的特点：通话的两个用户始终占用端到端的通信资源

计算机数据具有突发性，这导致在传送数据时，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。

分组交换的主要特点

  • 采用存储转发技术

    在发送端，先把较长的报文划分成更小的等长数据段

    数据段前面添加首部就构成了分组

    分组又称包，而分组的首部也可称为包头

  • 互联网采用分组交换技术。分组交换以分组作为数据传输单位

    分组是在互联网中传送的数据单位

    发送端依次把各分组发送到接收端

  • 接受端收到分组后剥去首部，还原成原来的报文

  • 分组在互联网中的转发

    • 根据首部中包含的目的地址、源地址等重要控制信息进行转发
    • 每一个分组在互联网中独立选择传输路径
    • 位于网络核心部分的路由器负责转发分组，即进行分组交换
    • 路由器要创建和动态维护转发表

  • 路由器处理分组的过程

    1. 暂存收到的分组
    2. 检查分组首部
    3. 查找转发表
    4. 按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去

分组交换的优点

优点 所采用的手段
高效 在分组传输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，是网络有很好的生存性。

分组交换带来的问题

  • 排队延迟：分组在各路由器存储转发时需要排队
  • 不保证带宽：动态分配
  • 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

计算机网络在我国的发展

  • 1980年，铁道部开始进行计算机联网实验

  • 1989年11月我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行

  • 1994年4月20日，我国用64bits/s专线正式连入互联网，我国被国际上正式承认为接入互联网的国家

  • 1994年5月，中国科学院高能物理研究所设立了我国的第一个万维网服务器

  • 1994年9月，中国公用计算机互联网CHINANET（中国电信的前身）正式启动

  • 到目前为止，我国陆续建造了基于互联网技术的并能够和互联网互连的多个全国范围的公用计算机网络，其中规模最大的五个：

    • 中国电信互联网 CHINANET
    • 中国联通互联网 UNINET
    • 中国移动互联网 CMNET
    • 中国教育和科研计算机网 CETNET
    • 中国科学技术网 CSTNET

计算机网络的类别

计算机网络的定义

  • 较好的定义

    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。

  • 通俗的定义

    计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。

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，又是也称为远程网。是互联网的核心部分
    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（如一公里左右）。通常采用高速通信线路
    个人区域网 PAN 范围很小，大约在10米左右。有时也称为无线个人区域网 WPAN

  • 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AN

    • 又称为本地接入网或居民接入网
    • 它既不是互联网的核心部分，也不是互联网的边缘部分。是从某个用户端系统到本地ISP的第一个路由器（也成为边缘路由器）之间的一种网络
    • ISP通过多种接入网络技术把用户的端系统连接到互联网，接入网起到与互联网连接的桥梁作用。

计算机网络的性能

计算机网络的性能指标

速率

  • 在香农的理论中，比特成为信息的基本单位
  • 速率指的是数据的传输速率，也称为数据率或比特率，指理想状态下，一定时间内网络信道能够通过的最大数据量
  • 单位 bit/s，或kbit/s、Mbit/s、Gbit/s等
  • 速率往往指额定速率或标称速率，非实际运行速率

1Gbit = 2^10 Mbit

1Mbit = 2^10 kbit

1kbit = 2^10 bit

1Gbit/s = 10^3 Mbit/s

1Mbit/s = 10^3 kbit/s

1kbit/s = 10^3 bit/s

带宽

  • 频域
    • 某个信号具有的频带宽度
    • 单位是赫 Hz（或千赫、兆赫、吉赫等）
    • 某信道允许通过的信号频带宽度范围称为该信道的带宽（或通频带）
  • 时域
    • 网络中某信道传送数据的能力，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”
    • 不是理想情况下，可以自己设定
    • 单位就是bit/s

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
  • 受网络的带宽或网络的额定速率的限制
    • 额定速率是绝对上限值
    • 可能会小于额定速率，甚至下降到0

时延

  • 指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一段传送到另一端所需的时间

  • 时延包括

    • 发送时延

      主机或路由器发送数据帧所需的时间，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
      $$
      发送时延 = 数据帧长度/发送时延
      $$

    • 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
      $$
      传播时延 = 信道长度 / 信号在信道上的传播速率
      $$

  • 处理时延

    处理时延是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、差错分析或寻找路由）所花费的时间

  • 排队时延

    是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限大。

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）没有任何关系

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。

$$
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
$$

  • 在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析

时延带宽积

$$
时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
$$

  • 即安比特计数的链路长度
  • 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，链路才能得到充分利用

往返时间RTT

  • 表示从发送方发送完数据，到发送方接受来自接收方的确认总共经历的时间
    $$
    RTT = 结点A到B的传播时延tP + 结点B处理和排队时延tPQB + 结点B发送时延tTB + 结点B到A的传播时延 tP
    $$

    $$
    有效数据率 = 数据长度 / 总时延 = 数据长度 / （发送时间 + RTT）
    $$

  • 在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延

利用率

  • 信道利用率是指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0
  • 网络利用率是指全网络的信道利用率的加权平均值
  • 根据排队论，当某信道的利用率增大时，时延会迅速增加

$$
D = D0 / (1 - U)
$$

D0：网络空闲时的时延

D：网络在当前的时延

U：网络当前的利用率，数值在1-0之间

计算机网络的非性能特征

费用、质量、标准化、可靠性、可拓展性、可升级性、管理维护性等

计算机网络的体系结构

计算机网络体系结构的形成

  • 最初的ARPANET设计是提出了分层的设计方法

  • 采用“分层”的方法，把复杂的通信问题，划分成若干个较小的、比较易于研究和处理的局部问题

  • 抽象分层、统一标准、模块独立

  • ISO（国际标准化组织）提出的OSI/RM是使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架

  • OSI/RM是个抽象的概念

  • 1983年，形成了著名的ISO 7498国际标准，即七层协议的体系结构

应用层
表示层
会话层
运输层
网络层
数据链路层
物理层

协议与划分层次

网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义（不涉及实现）

协议

网络协议，简称为协议，是为进行网络中数据交换而建立的规则、标准或约定。

三个组成要素：

  • 语法

    规定传输数据的格式，解决交换信息的格式问题

  • 语义

    规定所要完成的功能，解决做什么的问题

  • 同步

    规定各种操作的顺序，又称为时序，解决什么时间什么条件下做什么特定操作的问题

两种表现形式：

  • 文字描述

    方便人来阅读和理解

  • 程序代码

    让计算机能够理解

不管什么形式，都必须能够对网络上信息交换过程做出精确的解释

划分层次

分层的原则：

  • 层次适度
  • 功能确定
  • 层次独立
  • 层次关联
  • 层次对等
  • 层次协议
  • 层次接口

分层以后，各层至少要完成以下功能：

  • 差错控制

    使相应层次对等方的通信更加可靠

  • 流量控制

    发送端的发送速率必须使接收端来得及接受，不要太快

  • 分段和重装

    发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原

  • 复用和分用

    发送端几个高层会话复用一条底层的连接，在接收端再进行分用

  • 连接建立和释放

    交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接

优点：

  • 各层之间是独立的，不用关心其他层次内容
  • 灵活性好，任何一层发生变化不影响上下层
  • 结构上可分隔开，各层可用最好的技术实现
  • 易于实现和维护，仅需维护独立地子系统
  • 能促进标准化工作，各层的功能、提供的服务有了精确的说明

缺点：

  • 降低效率
  • 有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生了额外的开销

具有五层协议的体系结构

ISO/OSI失败：

  • OSI的专家们在完成OSI标准是没有商业驱动力
  • OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低
  • OSI标准的指定周期太长，使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场
  • OSI的层次划分也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现

事实上的国际标准TCP/IP协议（4层模型）：

应用层
运输层
互联网层
网络接口层

TCP/IP模型的不足：

  • 未明确区分服务、接口和协议等核心概念
  • 不适于描述TCP/IP之外的其他协议栈
  • 物理层与数据链路层是至关重要的部分，一起被定义为网络接口层，而非真正意思上的分层

讲述原理的体系结构--五层协议体系结构：

应用层
运输层
网络层
数据链路层
物理层

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：定义的是应用进程间通信和交互的规则
  • 把应用层交互的数据单位称为报文
  • 应用层为用户提供服务

运输层

  • 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

  • 具有复用和分用的功能

  • 主要使用两种协议：

    • 传输控制协议TCP

      提供面向连接的可靠数据传输服务

    • 用户数据报协议UDP

      提供无连接的尽最大努力的数据传输服务

网络层

  • 为分组交换网上的不同主机提供通信服务

  • 两个具体任务：

    • 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的的转发表

    • 转发

      每一个路由器在接受到一个分组时，要依据转发表中指明的路径把分组转发到下一个路由器

  • 网络协议IP和路由选择

  • IP数据报

数据链路层

  • 任务：实现两个相邻节点之间的可靠通信
  • 在两个相邻节点间的链路上传送帧
  • 差错检验

物理层

  • 任务：实现比特（0/1）的传输
  • 确定连接电缆的插头应当由多少根引脚，以及各引脚应如何连接
  • 传输介质在物理层之下

实体、协议、服务和服务访问点

  • 实体

    表示任何可发送或接受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

    协议是水平的，对上层透明。

    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

    SPA是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。

  • 服务

    在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务

    服务是垂直的，上层使用服务原语获得下层所提供的服务

posted @ 2024-04-24 10:28  echory3  阅读(24)  评论(0)    收藏  举报