1 计算机网络的主要功能
通过计算机网络，可以实现：
- 远程登录：利用本地终端（键盘，显示器等），使用远程主机的CPU、RAM、OS等
- 文件传输：利用FTP在两台主机之间传输文件
- 电子邮件：利用SMTP发送邮件，利用POP3从邮件服务接收电子邮件
- 数据库服务：以C/S方式，即客户端/服务端访问远程数据库系统
- www服务：通过HTTP浏览分布在任何地方的网页，并通过超级链接继续浏览下一个指定网页
- 即时通讯：网络聊天，ip语音，视频会话等
通信的概念：
- 人与人之间需要交换信息。广义上说，用任何方法通过任何媒体传输信息，均可称为通信
- 会话、写信、古代的烽火台、航海中的旗语等。
- 现代通信技术则主要指用电（或光）信号通过相应的信道来传递信息。
- 计算机技术是1946年世界上第一台计算机ENIAC 在美国诞生之后才出现的新技术。当时，计算机 和通信之间并没有什么关系。
- 计算机逐渐成为信息存储和处理的主要工具
- 信息的流通需要促使了计算机技术和通信技术的相互影响和结合。
计算机网络（computer network）是因为信息的流通需要而产生的，是两种技术结合的产物（ICT）。
- 信息技术（information technology, IT）
- 通信技术（communication technology, CT）
计算机网络中的通信一般称为数据通信，数据通信是计算机网络中各计算机之间信息传输的基础
除了数据通信之外，计算机网络还涉及计算机之间的资源共享、协同工作等信息处理方式
- 与其它资源网络不同的是，资源在流通、使用过 程中都会出现损耗，信息在流通、使用过程中不 仅不会出现损耗，反而会通过交流而增值。
- 信息的流通离不开通信和计算机网络，所以说通信与计算机网络是信息社会的基础设施
Internet（或称因特网）是全球最大的计算机网络，使全球上亿台计算机彼此连接，实现通信。但Internet本身并没有严格的定义或界定范围。Internet包括三个方面的内容：
- 基于TCP/IP协议族的全球计算机网络
- 网络用户，用户使用网络资源，且为网络的发展 壮大贡献力量
- 所有可访问和可利用资源的集合
要通过 Internet 进行通信的计算机必须是连接在 Internet上的，如果屏蔽了实现计算机连接的网络差异，将其看成是 Internet网络云，计算机之间的通信就是在Internet网络云的直接通信，访问Internet就简化成一台计算机 如何通过Internet网络云访问另外一台计算机资源的问题了。
两个概念：
- 协议（protocol）
- 两台计算机通信时对传送信息内容的理解、信息的表示形式以及各种情况下的应答信号都必须遵循一个共同的约定
- 网络体系结构（network architecture）
- 将协议按功能分成了若干层
- 如何分层，以及各层具体采用的协议的综合，称为网络体系结构
客户-服务器（client-server, C/S）模型
- 客户机（访问者）向服务器（被访问者）发出请求，服务器根据请求以结果来响应客户机
- 客户机和服务器是计算机中的一个客户或服务器进程，因此这种通信也被称为进程间通信（Interprocess communication）
- 这种模型也被称为胖客户-瘦服务器模型：应用处理和事务处理逻辑都在客户端表达，服务器
软件相对较为简单
浏览器-服务器（browser-server, B/S）模型
- 这种模型也被称为瘦客户-胖服务器模型：应用处理和事务处理逻辑都由服务器软件实现，客户机和服务器之间通过浏览器进行交互
对等（peer-to-peer, P2P）模型
- 双方没有主动和被动之分，任何一方都可以发起并实现一次通信进程
- 对等模型中的每一方都既是客户机，又是服务器，可认为它是由两个客户-服务器构成的，因此每次通信都遵循客户-服务器模型中的请求-响应过程
计算机网络还有很多功能：
- 数据通信
- 资源共享
- 负载均衡和分布式处理
- 远程控制
- 提高系统的可靠性
- 为新型计算机体系结构的研究提供了一条崭新途径
- …
2 计算机网络的组成
根据早期的概念，计算机网络在逻辑上由通信子网和资源子网两部分组成。
通信子网：负责计算机间的数据通信，也就是传输服务
- 由接口报文处理机（interface message processor, IMP）和 通线线路组成，完成网络通信任务
- 通信线路提供数据传输的物理信道
- 路由器是一种专用计算机，具有存储转发，路由选择，差错控制，流量控制等功能
资源子网
- 由连接到通信子网的服务器和主机系统组成，为网络用户提供各种软硬件共享资源和数据处理能力
- 硬件共享资源包括CPU、存储器、硬盘、磁带、打印机、绘图仪等
- 软件共享资源包括操作系统、数据库系统、工具软件和应用程序等
这种两部分结构屏蔽了接入计算机网络以及计算机网络内部的通信和连接细节，但这些细节是非常复杂的
- 进行通信的主机间一般并不是通过直接的通信线路互连的，而是经中间节点（node）转接后互连的，这种中间节点在ARPANET中被称为接口报文处理机 IMP ，有的时候又称为网元（cell）。
- 信息将通过通信线路和若干个IMP中途转接，从源主机发送到目标主机。
IMP包括：中继器（ repeater 、转发器）、集线器（hub）、网桥（bridge）、交换机（switch）和路由器（router）等。
通信线路称为物理传输媒体（transmission medium），有时也称为传输介质。
- 有线媒体：同轴电缆、双绞线、光纤等
- 无线媒体：广播无线电、微波、卫星、红外线、激光等
传输一路信号的媒体称为信道
Internet组成可分为三层
- 接入层（access network）
- 解决Internet网络末端接入问题，如ADSL等
- 用户的管理、认证和计费等
- 汇聚层（convergence network）
- 将大量散布的用户进行汇聚
- 核心/主干网（core/backbone network）
ISP (Internet Service Provider，Internet服务提供者)：Internet的网络运营商，如中国电信和中国网通，管理和运营着大量自己投资的通信线路和网络设备，为Internet用户服务。大量相互连接的ISP网络构成了Internet网络云，即它们共同形成Internet的通信子网。ISP的一个重要任务是管理和分配IP地址。IP地址是进行计算机通信的主机标识符。ISP不都是由一个国家、一个运营商来承担的，全球
的ISP有几十万家。一些主机可以直接连接到汇聚层或核心层。
ICP（Internet content provider，Internet内容提供商）：属于资源子网，是Internet中向用户提供内容服务的服务器，其中多数就是人们俗称的网站（website）
Internet是由大量用户、一群ISP构成的通信网络和许多提供内容服务的ICP组成。
3 计算机网络的定义
计算机网络定义（供参考）：将各自具有独立自主功能的计算机系统，用某种或多种通信介质连接起来，通过完善的网络协议，在数据交换的基础上，实现网络资源共享的系统称为计算机网络。
- 一个网络中包含多个独立的计算机系统。 “独立”的含义是指每台计算机可运行各自独立的操作系统，各计算机系统之间的地位平等，无主从之分，任何一台计算机不能干预或强行控制其他计算机的正常运行。
- 网络协议是计算机网络的关键技术。
- 数据交换是网络的最基本功能，各种资源共享都是建立在数据交换的基础上的。
- 资源共享是网络最终目的。
计算机网络：相互连接的自治计算机的集合
- 自治：能独立运行，不依赖于其他计算机
- 互连：以任何可能的通信连接方式
- 有线方式：铜线、光纤
- 无线方式：红外、无线电（微波）、卫星
4 计算机网络的分类
按地理范围分类
- 广域网WAN (Wide Area Network)
- 覆盖范围一般在数百公里以上
- Internet就是目前最大的广域网
- 城域网MAN (Metropolitan Area Network)
- 覆盖范围通常是一个大城市，大约数十公里到上百公里
- 局域网LAN (Local Area Network)
- 覆盖范围一般不超过数公里。通常安装在一幢大楼内，大学校园内或厂区内
- 个人区域网 (Personal area network, PAN)
- 在比局域网更小的覆盖范围内，如一个家庭内，用来连接多个智能家用电器或电子设备的网络
- 存储区域网 (Storage area network, SAN)
- 用来连接多个大容量存储设备
按拓扑结构分类：
网络拓扑是网络形状，或者是网络在物理上的连通性。网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局，即用什么方式把网络中的计算机等设备连接起来。拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接。网络的拓扑结构有很多种，主要有星型结构、环型结构、总线结构、树型结构、网状结构、蜂窝状结构以及混合型结构等。
星型网：
星型拓扑结构是一个中心，多个分节点。多节点与中央节点通过点到点的方式连接。中央节点执行集中式控制策略，因此中央节点相当复杂，负担比其他各节点重的多。
优点：结构简单，连接方便，管理和维护都相对容易，而且扩展性强。网络延迟时间较小，传输误差低。中心无故障，一般网络没问题。
缺点：中心故障，网络就出问题，同时共享能力差，通信线路利用率不高。
环形网：环形拓扑结构是节点形成一个闭合环。环形网中各节点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环上任何节点均可请求发送信息。传输媒体从一个端用户到另一个端用户，直到将所有的端用户连成环型。数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点。
这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。每个端用户都与两个相临的端用户相连，因而存在着点到点链路，但总是以单向方式操作，于是便有上游端用户和下游端用户之称。
优点：信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，简化了路径选择的控制；环路上各节点都是自举控制，控制软件简单。
缺点：信息源在环路中是串行地穿过各个节点，当环中节点过多时，势必影响信息传输速率，使网络的响应时间延长；环路是封闭的，不便于扩充；可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪；维护难，对分支节点故障定位较难。
总线网：总线拓扑结构所有设备连接到一条连接介质上。由一条高速公用总线连接若干个节点所形成的网络即为总线形网络，每个节点上的网络接口板硬件均具有收、发功能，接收器负责接收总线上的串行信息并转换成并行信息送到PC工作站；发送器是将并行信息转换成串行信息后广播发送到总线上，总线上发送信息的目的地址与某节点的接口地址相符合时，该节点的接收器便接收信息。由于各个节点之间通过电缆直接连接，所以总线型拓扑结构中所需要的电缆长度是最小的，但总线只有一定的负载能力，因此总线长度又有一定限制，一条总线只能连接一定数量的节点。
优点：总线结构所需要的电缆数量少，线缆长度短，易于布线和维护。多个节点共用一条传输信道，信道利用率高。
缺点：总线形网常因一个节点出现故障（如结头接触不良等）而导致整个网络不通，因此可靠性不高。某一时刻网络上只能一台计算机传输数据
不规则型网：
- 每个结点至少要和其他两个结点连接
- 可靠性好，任何一个结点或一条链路发生故障都不会影响网络的连通性。
- 布线灵活，几乎不受任何拓扑结构的约束。
- 源节点到目标节点的信息传输可以选择多条不同的路径。
按数据交换方式分类：
- 电路交换网
- 分组交换网
交换（switching）：网络中通过转接来实现一个通信连接的过程
电路交换网 (circuit switching)：
- 传统模拟语音电话通信需要占用整个电路的载波频谱（线路带宽），它的基本交换（转接）单位就是电路。
- 两段之间进行通信需要经过三个过程，就好像在一个管道中转发
- 建立连接（选择并独占每段的电路资源，建立通信路径）
- 通信（一直独占电路资源）
- 释放连接（归还电路资源）
- 中间的交换机和交换机间的电路是可以共享的，但是在通信期间始终被某个连接所独占
特征：独占信道资源
优缺点:
- 实时性好
- 通信质量有保证
- 信道利用率低
分组交换网 (packet switching)：
- 计算机间传输的数据具有突发性流量(burst traffic)的特点，譬如网络聊天
- 以数据块为处理的基本信息单位，称为分组（packet），有时也称为包。
- 采用 存储转发(store and forward) 技术
- 存储：分组数据块从某个端口被整个接收并存储下来
- 处理
- 转发：选择某个端口转发出去
- 在分组交换中，报文(message)数据被划分为等长的数据块（最后一个数据块除外）
- 在数据块前加上一些必要的控制信息（其实就是表达协议的信息）组成的头部（header）或分组头，就构成了一个分组。
特征：化整为零，存储转发
优点:
- 信道利用率高
- 灵活：不同的分组可以有不同的路由
- 可靠：能够及时掌握网络拓扑结构的变化
缺点:
- 传输延迟较大，实时性差
- 网络局部拥塞,难以保证服务质量(quality of service, QoS)
- 通信开销大：每个分组都有头部
存储转发：
分组交换：
- 在发送端把要发送的报文分割为较短的数据块
- 每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包)
- 依次把各分组发送到接收端
- 接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文
其他分类：
- 按传输介质分类
- 双绞线网
- 同轴电缆网
- 光纤网
- 无线网
- 按传输技术分类
- 广播网（共享信道)
- 点━点网（点━点信道)
- 按业务范围分类
- 军事指挥网
- 情报检索网
- 气象监测网
- 教育网
- 金融网
- 航空定票网
5 计算机网络的产生和发展
计算机网络的产生
- 世界上最早的计算机网络ARPANET (Internet的前身），由美国国防部高级计划研究署研制。
- ARPANET于1969年开通。最初连接美国本土的四个节点（加州大学洛杉矶分校，加州大学伯克利分校，斯坦福研究所，犹他大学）。
- 1983年MILNET从ARPANET中分离，Internet由此诞生。随后网络规模不断扩大，连接的主机数目越来越多,由最初的纯军事网络演变成为面向教育、科研、商业的全球性互联网络。
早期的计算机应用模式——单机
- 庞大，昂贵，资源无法共享
- 计算机构成了一个个的信息“孤岛”
计算机网络产生始于1950’s，产生的原因:
- 资源共享的需求（计算能力、外设、软件、数据)
- 大型项目的合作（进行工程项目协作)
- 人与人之间的信息沟通（数据通信)
从体系结构来观察，计算机网络的发展可分为三个阶段（三代网络）:
- 以主机为中心的联机终端系统：“计算机一终端”系统
- 以通信子网为中心的主机互连：“计算机一计算机”网络
- 体系结构标准化网络：层次化结构，并对每层进行了精确定义
以主机为中心的联机终端系统：
特征：终端(Terminal)共享主机(Host)的软硬件资源
- FEP: Front End Processor，前端处理机，通常由一台廉价的计算机担任，完成通信任务。
- M:Modem，调制解调器，将数字信号转化为模拟信号，以便在模拟信道上传输。
- TC:Terminal Controller，终端控制器，将多条低速线路汇集到一条高速线路上，从而提高了高速线路的利用率。
- 多个远程终端用户可以同时向主机系统提交程序和命令。
- 程序和命令通过通信线路传递到FEP，由FEP进行串/并转换、差错控制和流量控制，并按一定次序向主机递交。
- 主机依次处理，并将结果返回给FEP，由FEP发送到各相应终端
以通信子网为中心的主机互连：
特征
- 多个终端联机系统互连，形成了多主机互连网络
- 网络结构从“主机－终端” 转变为“主机－主机”
主机－主机网络的演变：
演变阶段一：
- 通信任务从主机中分离，由通信控制处理机（CCP）完成
- CCP：处理主机之间通信任务的专用计算机
- 两层网络概念的出现：
- 由CCP组成的传输网络——通信子网，提供信息传输服务
- 建立在通信子网基础上的主机集合——资源子网，提供计算资源
演变阶段2
- 通信子网规模逐渐扩大：私有→社会公用
- 公用数据通信网：PSTN，X.25
- 优点
- 降低用户系统建设成本
- 提高通信线路利用率
- 兼容性好
开放式标准化网络：
具有统一的网络体系结构，遵守标准化协议，便于网络互连，大规模生产，降低成本
为什么需要标准化：
- 不同网络设备之间的兼容性和互操作性是推动网络体系结构的标准化的原动力
- 兼容性和互操作性的最终目的仍是资源共享
网络体系结构标准：
- OSI参考模型
- CCITT建议
- TCP/IP协议族(Internet 参考模型)
网络体系结构标准化过程的演变
- 国际标准（ISO OSI/RM）
- Open System Interconnection / Recommended Model (开放系统互联参考模型，简称OSI参考模型)
- OSI参考模型是一种概念上的网络模型，规定了网络体系结构的框架：7个层次
- 只说明了做什么（WHAT TO DO），而未规定怎样做（HOW TO DO）
- 太复杂，几乎没有与之完全符合的网络
- 事实上的标准：TCP/IP(因特网的骨干协议)
- 从体系结构上看，它是OSI参考模型的简化（4层）
6 计算机网络标准化组织
网络协议标准化组织：
- 国际电信联盟（ITU）
- 电子工业协会（EIA）
- 国际标准化组织（ISO）
- 电气电子工程师协会（IEEE）
Request For Comments（RFC），是一系列以编号排定的文件。文件收集了有关互联网相关信息，以及UNIX和互联网社区的软件文件。RFC文件是由Internet Society（ISOC）赞助发行。基本的互联网通信协议都有在RFC文件内详细说明。RFC文件还额外加入许多在标准内的论题，例如对于互联网新开发的协议及发展中所有的记录。因此几乎所有的互联网标准都有收录在RFC文件之中。
RFC文档有3种形式：实验性文档、信息性文档与历史性文档。一种网络协议可能会出现很多相关的RFC文档。
制定因特网标准的四个阶段：
- 因特网草案(Internet Draft) ——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
- 草案标准(Draft Standard)
- 因特网标准(Internet Standard)
各种RFC之间的关系：
Internet管理机构：
7 计算机网络的主要性能指标
带宽
- “带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）
- 计算机网络中的“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s+(bit/s)
- 更常用的带宽单位是：
- 千比每秒，即 kb/s （103 b/s）
- 兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）
- 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）
- 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）
- 请注意：在计算机界，k=210 = 1024，M=220,G=230,T=240。
数字信号流随时间的变化
在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄
三种时延所产生的地方
- 发送时延（传输时延）：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。
- 信道带宽：数据在信道上的发送速率。常称为数据在信道上的传输速率。
- 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。
- 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念
- 处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间
- 结点缓存队列中分组排队所经历的时延是处理时延中的重要组成部分
- 处理时延的长短往往取决于网络中当时的通信量
- 有时可用排队时延作为处理时延
数据经历的总时延就是发送时延、传播时延和处理时延之和：
注意：
- 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。
链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度
往返时延 RTT (Round-Trip Time) 表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。
吞吐量(throughput)
- 单位时间内通过某个网络（或信道、设备、端口）的数据量。
- 吞吐量受到网络带宽和网络速率的限制
- 有时吞吐量可以用每秒传送的字节数或帧数来表示
利用率：
- 包括：信道利用率和网络利用率
- 信道利用率：一段时间内信道被利用的时间的百分比
- 网络利用率：全网络信道利用率的加权平均值
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