01-概述

计算机网络在信息时代的作用

• 是一个以网络为核心的信息时代
• 发展最快的并起到核心作用的是计算机网络
• 随着技术的发展，网络技术相互融合
  • 电信网络和有线电视网络都逐渐融入了现代计算机网络技术，扩大了原有的服务范围
  • 计算机网络也能够向用户提供电话通信、视频通信以及传送视频节目的服务
• 计算机网络的重要功能
  

Internet概述

几个概念

• 计算机网络：由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成
  
• 互连网：可以通过路由器把网络互连起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络，称之为互连网
  
• 互联网：当今世界上最大的互连网
  

Tips

• 网络把许多计算机连接在一起
• 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（主机可以是计算机，也可以是智能手机等智能机器）
  
• internet 和 Internet 的区别
  • 以小写字母 “i” 开始的 internet（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；任意把几个计算机网络互连起来（不管采用什么协议），并能够相互通信，这样构成的是一个互连网 (internet)，而不是互联网 (Internet)
  • 以大写字母 “I” 开始的的 Internet（互联网或因特网）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

互联网基础结构发展的三个阶段

• 第 1 阶段：从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程
• 第 2 阶段：建成了三级结构的互联网
  
• 第 3 阶段：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)
  • 任何机构和个人只要向某个 ISP 交纳规定的费用，就可从该 ISP 获取所需 IP 地址的使用权，并可通过该 ISP 接入到互联网
  • 根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的 IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同层次的 ISP：主干 ISP、地区 ISP 和 本地 ISP

Internet组成

互联网的边缘部分

• 由所有连接在互联网上的主机组成，这些主机又称为"端系统"
• 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
• 端系统之间通信的含义
  • 主机 A 和主机 B 进行通信
  • 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，简称为“计算机之间通信”
• 端系统之间的两种通信方式
  • Client/Server 方式（C/S 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
    • CS方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系，客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方
    • 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
    • 客户软件的特点
      
    • 服务器软件的特点
      
  • Peer-to-Peer 方式（P2P 方式）
    
    • 对等连接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
    • 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档
    • 特点
      

互联网的核心部分

• 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）
• 在网络核心部分起特殊作用的是路由器 (router)
• 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
• 按交换方式进行分类
  • 交换：按照某种方式动态地分配传输线路的资源
  • 3种方式比较
    

计算机网络的性能

速率

• 速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率 (data rate)或比特率 (bit rate)
• 速率的单位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s 等。例如 4  1010 bit/s 的数据率就记为 40 Gbit/s
• 速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率

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。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”。单位是 bit/s ，即 “比特每秒”
• 一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高
• 在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄
  

吞吐量

• 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
• 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
• 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

时延

• 时延 (delay 或 latency) 是指数据（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，有时也称为延迟或迟延
• 网络中的时延由以下几个不同的部分组成
  
• 四种时延所产生的地方不一样
  
• 数据在网络中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
  • 必须指出，在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析
• 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
  • 提高链路带宽减小了数据的发送时延
  • 以下说法是错误的：“在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送得更快些”

时延带宽积

往返时间 RTT

• 互联网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互的。因此，有时很需要知道双向交互一次所需的时间
• 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
• 当使用卫星通信时，往返时间 RTT 相对较长，是很重要的一个性能指标

利用率

• 分为 [信道利用率] 和 [网络利用率]
  • 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0
  • 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。
• 信道利用率并非越高越好。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
  

计算机网络的体系结构

几个概念

协议与划分层次

• 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
  • 网络协议的三个组成要素
    • 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
  • 把 计算机网络的各层及其协议的集合称为"网络的体系结构"。总之，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
• 对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应该是层次式的
  

信息交换设计的几个概念

• 实体
  • 任何可以发送或接收信息的硬件或软件实体
  • 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，还需要使用下面一层所提供的服务
• 服务
  • 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，下面的协议对上面的实体是透明的
  • 协议是"水平的"，即协议是控制对等实体之间通信的规则；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
  • 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"看的见"的功能才能称之为"服务"
• 数据单元
  • PDU(Protocol Data Unit)：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
  • SDU(Service Data Unit)：OSI参考模型把层与层之间交换的数据单位称为 服务数据单元SDU
  • SAP(Service Access Point)：在同一个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)。SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口

相邻两层之间的关系

• 协议 是控制 两个对等实体 进行通信的规则的集合
• 第n层向上面的第n+1层所提供的服务实际上已包括了在它以下各层所提供的服务
• 第n层的实体对第n+1层的实体就相当于一个服务提供者
• 在服务提供者的上一层的实体又称为"服务用户"，因为他使用下层服务提供者所提供的服务

五层协议对应的数据单元

主机1向主机2发送数据