计算机网络（一）——概述

1.1 计算机网络在信息时代的作用

21世纪:

• 数字化
• 网络化（三网）：
  • 电信网络（电话）
  • 计算机网络：因特网、其他网络（专用网络：军用网）
  • 有线电视网络
• 信息化

计算机网络的重要功能：

• 连通性：彼此联通，交换信息
• 共享：信息共享、软硬件共享

1.2 因特网概述

• 计算机网络网络：许多计算机连接在一起（交换机）
• 互联网（internet）：许多网络连接在一起（路由器）
• 因特网(Internet)：全球最大的一个互联网

与网络相连的计算机常称为主机。

因特网发展的三个阶段

• 第一阶段：从单个网络 ARPANET（1969，分组交换） 向互联网（1975）发展的过程。（1983开始，TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议->1990年，ARPANET 正式宣布关闭。）

• 第二阶段：1985，建成了三级结构的互联网
  

  image.png

• 第三阶段：多层次 ISP（互联网服务提供者） 结构的互联网。

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。

image.png

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。

• 万维网 WWW 的问世:20 世纪 90 年代。由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的万维网 WWW (World Wide Web) 被广泛使用在互联网上

因特网的标准化工作

image.png

IRTF：进行理论研究，开发一些需要长期考虑的问题
IETF：研究某个领域短期或中期的问题

成为互联网正式标准：
a. 互联网草案
b. 建议标准（RFC）
c. 互联网标准（分配到一个编号STDxxx,一个标准可以和多个 RFC 文档关联）

除了建议标准和互联网标准这两种 RFC 文档外，还有三种 RFC 文档，即历史的、实验的和提供信息的 RFC文档。

1.3因特网的组成

image.png

1、边缘部分

• 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。这些主机又称为端系统。
• 主机之间的通信方式：
  • 客户-服务器方式（C/S）
  • 对等方式（P2P）：计算机既是客户又是服务器

2、核心部分

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）。

数据交换方式

• 电路交换（打电话）：面向连接，适合于数据量很大的实时性传输。核心路由器之间可以使用电路交换。

  • 建立连接：申请占用通信资源
  • 通话：一直占用通信资源
  • 释放连接：释放通信资源

• 分组交换

  • 路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其功能是存储转发
    

    image.png

  • 每一个分组的首部都含有地址（诸如目的地址和源地址）等控制信息。

  • 优点：

    
    image.png

  • 问题：时延、首部开销

• 报文交换：比分组长，时延长

1.4计算机网络在我国的发展

• 1994年4月20日，中国正式接入互联网

1.5计算机网络的类别

1、定义

• 一种复杂的定义：凡是将地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机设备通过通信设备和通信媒介连接起来，以功能完善的软件(即网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等)实现网络中资源共享和通信的系统
• 简要定义：连接分散计算机设备以实现资源共享和通信的系统

2、分类

• 按照网络的作用范围

  • 广域网WAN：花钱买服务，几十到几千公里
  • 城域网MAN：5到50公里
  • 局域网LAN：自己购买设备，1公里左右
  • 个人区域网PAN：10米左右

  若中央处理机之间的距离非常近（如仅1米的数量级甚至更小些），则一般就称之为多处理机系统，而不称它为计算机网络。

• 按照网络的使用者

  • 公用网：按规定交纳费用的人都可以使用的网络。
  • 专用网：为特殊业务工作的需要而建造的网络。

1.6计算机网络的性能指标

• 速率：主机在数字信道上传送数据位数的速率。bit/s

• 带宽：bit/s，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”

• 吞吐量：表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

• 时延

  • 发送时延（传输时延）:发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。(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。 )

    
    image.png

  • 传播时延：电磁波

    
    image.png

  • 处理时延：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、差错检验或查找路由）所花费的时间。

  • 排队时延：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延（取决于网络中当时的通信量）。

• 时延带宽积：马路摆满车时的状态
  

  image.png

• 往返时间 RTT：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。

• 利用率

  • 信道利用率：有数据通过时间/（有+无）数据通过时间
  • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。
  • 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。
    时延与网络利用率的关系：
    image.png

  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

1.7计算机网络的体系结构

几个基本概念

• ISO：国际标准化组织
• OSI/RM：开放系统互连参考模型。互联网法律上的国际标准
• TCP/IP Suite：因特网事实上的国际标准
• Network Protocols:数据交换遵守的规则、标准或约定
• 网络体系结构：计算机网络各层及其协议的集合

1、形成

• 1974 年，美国的 IBM 公司宣布了系统网络体系结构SNA，按照分层的方法制定的。
  不久后，其他一些公司也相继推出自己公司的具有不同名称的体系结构。
  由于网络体系结构的不同，不同公司的设备很难互相连通。

• 国际标准化组织 ISO 于 1977 年成立了专门机构研究该问题，提出了开放系统互连基本参考模型 OSI/RM，但没有得到市场的认可
  原因：

  • OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力
  • OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低
  • OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 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。

• 非国际标准 TCP/IP 却获得了最广泛的应用。

Win+R-> mstsc远程桌面
netstat 检验本机各端口的网络连接情况
网络排错：从底向上排错

2、协议与分层

• 网络协议：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：做某件事情，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。
• 层次式协议结构：ARPANET 的研制经验表明，对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应该是层次式的
  • 好处：
    • 各层之间是独立的
    • 灵活性好
    • 结构上可分割开
    • 易于实现和维护
    • 能促进标准化工作
  • 缺点：
    • 降低效率
    • 有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生了额外开销
      层数多少要适当：层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多，又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。

3、具有五层协议的体系结构

• 五层协议体系

  • OSI 的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用

  • TCP/IP 最下面的网络接口层并没有具体内容。

  • 综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。

    
    image.png
    • 应用层：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。（报文）
    • 传输层：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，多种应用使用同一个运输层服务。（报文段/用户数据报）
    • 网络层：负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。（分组=数据报）
    • 数据链路层：帧
    • 物理层：比特

4、重要概念

• 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；层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元 SDU
  SDU 可以与 PDU 不一样，例如，可以是多个 SDU 合成为一个 PDU，也可以是一个 SDU 划分为几个 PDU。
• 协议栈：几个层次画在一起很像一个栈结构
• 实体 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。（每一层的活动元素）
• 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。（水平的）
• 服务：下层向上层提供服务，上层需要使用下层提供的服务来实现本层的功能。上层使用服务原语获得下层所提供的服务。
• 服务访问点SAP（逻辑接口）：相邻两层实体间交换信息的地方

5、TCP/IP体系结构

• 路由器在转发分组时最高只用到网际层

• 现在的互联网使用的 TCP/IP 体系结构有时已经发生了演变，即某些应用程序可以直接使用 IP 层，或甚至直接使用最下面的网络接口层

  
  image.png

image.png