[网络协议]计算机网络 第1章 概述

第 1 章 概述

• 三类网络：电信网络、有线电视网络、计算机网络（以 Internet 为代表）
• 计算机网络 (简称为网络)：由若干**结点(node)和连接这些结点的链路(link)**组成
• 互联网 ($\mathbf{I}\mathbf{n}\mathbf{t}\mathbf{e}\mathbf{r}\mathbf{n}\mathbf{e}\mathbf{t}$) ——两个重要基本特点：连通性、共享

互连网 ($\mathbf{i}\mathbf{n}\mathbf{t}\mathbf{e}\mathbf{r}\mathbf{n}\mathbf{e}\mathbf{t}$ 或 $\mathbf{i}\mathbf{n}\mathbf{t}\mathbf{e}\mathbf{r}\mathbf{n}\mathbf{e}\mathbf{t}\mathbf{w}\mathbf{o}\mathbf{r}\mathbf{k}$)：通用名词，指在局部范围通过路由器把网络互连起来的计算机网络，即“网络的网络”(network of networks)。
互联网 ($\mathbf{I}\mathbf{n}\mathbf{t}\mathbf{e}\mathbf{r}\mathbf{n}\mathbf{e}\mathbf{t}$)：专用名词，由数量极大的各种计算机网络互连起来，指当今世界上最大的计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的 ARPANET。又译为因特网。

1. 互联网基础结构发展的三个阶段

• 第一阶段：从单个网络 ARPANET 向互连网发展的过程。

  1969年，美国国防部创建的第一个分组交换网 ARPANET。
  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。

• 第二阶段：建成三级结构的互联网。

  1985年，美国国家科学基金会建立 NSFNET，它是一个三级计算机网络，分为主干网，地区网，校园网（或企业网）

• 第三阶段：逐渐形成多层次 ISP 结构的互联网。

  1993年开始，NSFNET 逐渐被若干个商用的互联网主干网替代。出现了互联网服务提供商 ISP(Internet Service Provider)，我国有名的ISP如中国电信、中国移动、中国联通。

  互联网的迅猛发展始于 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，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为互联网的这种指数级增长的主要驱动力。

2. 互联网服务提供商 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。
• IP地址的管理机构不“零售”IP地址给单个用户，只“批发”IP地址给经审查合格的ISP（网络的网络）

• 多层次ISP结构：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，划分为
  • 主干 ISP：由几个专门的公司创建和维持，服务面积最大，拥有高速主干网
  • 地区 ISP：通过一个或多个主干ISP连接起来
  • 本地 ISP：给用户提供直接的服务
• 互联网交换点 IXP(Internet eXchange Point)
  • 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
  • 由一个或多个网络交换机组成
    

3. 制定互联网标准的三个阶段

(现在简化为二个阶段：建议标准，互联网标准。)

• 互联网草案 (Internet Draft) ——有效期只有六个月。在这个阶段还不是 RFC 文档。
• 建议标准 (Proposed Standard) ——从这个阶段开始就成为 RFC 文档。(Request For Comments)
• 互联网标准 (Internet Standard) ——达到正式标准后，每个标准就分配到一个编号 STD xxxx。 一个标准可以和多个 RFC 文档关联。
  

4. 互联网的组成

(1) 互联网的边缘部分

• 由所有连接在互联网上的主机（又称为端系统 (end system) ）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。

端系统

• 端系统在功能上可能有很大的差别：
  • 小的端系统可以是一台普通个人电脑，具有上网功能的智能手机，甚至是一个很小的网络摄像头。
  • 大的端系统则可以是一台非常昂贵的大型计算机。
• 端系统的拥有者：可以是个人，也可以是单位（如学校、企业、政府机关等），当然也可以是某个 ISP。
• 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）、对等方式（P2P方式）

“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。简称为“计算机之间通信”。

① 客户—服务器方式（C/S方式）(Client/Server)

• 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收数据。
• 客户程序：
  • 被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序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：
  • 一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
  • 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，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。
  • 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

② 对等方式（P2P方式）(Peer-to-Peer)

• 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。
• 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。
  

(2) 互联网的核心部分

• 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）。
• 网络核心部分是互联网中最复杂的部分。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。

① 电路交换 (circuit switching)

• 电路交换原理：
  • 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地通信。
• 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，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用；
  • 通信：主叫和被叫双方就能互相通电话；
  • 释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路（释放刚才占用的所有通信资源）。
• 电路交换缺点：
  • 计算机数据具有突发性。这导致在传送计算机数据时，通信线路的利用率很低（用来传送数据的时间往往不到10%甚至1% ）。
    

② 报文交换 (message switching)

• 基于存储转发原理

③ 分组交换 (packet switching)

分组交换的传输单元：

• 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。
• 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
• 每个分组在互联网中独立地选择传输路径。
• 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。

• 基于存储转发原理
• 分组交换过程：
  • 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。
  • 每一个数据段前面添加上首部构成分组 (packet)。
  • 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。
  • 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。
  • 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
  • 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。
• 优点：
  • 高效：在分组传输的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，使网络有很好的生存性。
• 缺点：
  • 时延：分组在各结点存储转发时需要排队。
  • 开销：分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）。

路由器：

• 在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。

• 路由器处理分组的过程是：

  • 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
  • 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
  • 把分组送到适当的端口转发出去。

• 主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。

• 路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。

5. 计算机网络的类别

• 按照网络的作用范围进行分类
  • 广域网 WAN (Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里。
  • 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：作用距离约为 5~50 公里。
  • 局域网 LAN (Local Area Network) ：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。
  • 个人区域网 PAN (Personal Area Network) ：范围很小，大约在 10 米左右。
• 按照网络的使用者进行分类
  • 公用网 (public network)：按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。
  • 专用网 (private network)：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 (Access Network)，又称为本地接入网或居民接入网。
    • 接入网是一类比较特殊的计算机网络，用于将用户接入互联网。
    • 接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。
    • 接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络。
    • 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互联网连接的“桥梁”作用。

6. 计算机网络的性能

• 速率：

  • 比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。
  • 比特（bit）来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。
  • 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*10^10 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： (两种不同意义)

  • “带宽”(bandwidth) 本来是指信号具有的频带宽度，其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
  • 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”。

  在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，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。

• 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。
  • 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
    • 发送时延：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 $=\frac{数据帧长度（bit）}{发送速率（bit/s）}$
    • 传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
      传播时延 $=\frac{信道长度（米）}{信号在信道上的传播速率（米/秒）}$
    • 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。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

7. 计算机网络的体系结构

参考资料

• [1]谢希仁.计算机网络(第7版)北京：电子工业出版社，2017.