计算机网络 第一章:概述

1.计算机网络在信息时代中的作用

21世纪的重要特征:数字化、网络化、信息化、以网络为核心的信息时代。

互联网有两个重要基本特点:连通性、共享

  • 连通性:用户终端都彼此直接联通一样;
  • 资源共享:信息、软件和硬件共享;

互联网+代表一种新的经济形态,有正面,也有负面影响,但负面影响毕竟还是次要的。

2.互联网概述

2.1 网络的网络

计算机网络(简称网络)由若干结点(node)和链接这些节点的链路(link)组成。网络中的结点可以是计算机、集线器、路由器等。

网络把许多计算机连接在一起,而互联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。

2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

互联网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进。但这三个阶段在时间上的划分并非截然分开而是由部分重叠的,这是因为网络的演进是逐渐的。

  1. 1983年 TCP/IP 协议成立 ARPANET 上的标准协议,是所有使用 TCP/IP 协议的计算机都能利用互联网通信,因而人们把 1983 年作为互联网的诞生时间。
  2. 建立了三级结构的互联网。分为主干网、地区网和校园网(或企业网)。
  3. 逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。(ISP 指互联网服务提供商)

ISP 根据服务覆盖面积大小及 IP 地址数目不同,也分为主干 ISP、地区 ISP、本地 ISP。

为了更快的转发分组,出现了互联网交换点(IXP),作用是允许两个网络直接相连并交换分组,而不惜要通过第三个网络来转发分组。

2.3 互联网的标准化工作

1992 年互联网不再归美国政府管辖,因此成立了一个国际性组织,叫互联网协会(Internet Society)。

  • 互联网协会 ISOC
    • 互联网体系结构委员会 IAB
      • 互联网工程部 IETF(协议开发和标准化)
      • 互联网研究部 IRTF(研究一些需要长期考虑的问题)

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(Internet Draft):互联网草案的有效期只有六个月。在这个既然段还不能算是 RFC 文档。
  2. 建议标准(Proposed Standard):从这个阶段开始就成为 RFC 文档。
  3. 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 xx。

3.互联网的组成

互联网的拓扑结构虽然非常复杂,但是从其工作方式上看,可以划分为:

  1. 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。
  2. 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)。

3.1 互联网的边缘部分

这些主机称为端系统(end system),在网络边缘的端系统之间的通信通常可划分为两大类:

  1. 客户-服务器方式(C/S)
  2. 对等方式(P2P)

3.1.1 客户-服务器方式(C/S)

这种方式是互联网上最常用、传统的方式。

(1)客户程序:

  1. 被用户调用后运行,在通信时主动向远地服务器发起通信。因此,客户程序必须知道服务器程序的地址。
  2. 不需要特殊的硬件和分复杂的操作的操作系统。

(2)服务器程序:

  1. 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。
  2. 系统启动后自动调用并一直运行,被动地等待客户的通信请求。因此,服务器程序不需要知道客户程序的地址。
  3. 一般要强大的硬件和高校的操作系统支持。

3.1.2 对等方式(P2P)

是指两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方。只要两台主机都运行了对等连接的软件(P2P),他们就可以进行平等的、对等的连接通信。这时,双方都可以下载对方已存储在硬盘中的共享文档。

3.2 互联网的核心部分

在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router),它是一种专用计算机(不能叫主机)。路由器是实现分组交换的关键构建,其任务是转发收到的分组,这是网路核心最重要的功能。

1.电路交换的主要特点:

在通话的全部时间内,通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

2.分组交换的主要特点:

分组交换采用存储转发技术,要发送的整块数据称为一个报文(message)。再发送前,先把较长的报文划分为一个个小数据段,每个小数据段前加上必要控制信息为首部(header),构成了一个分组(packet),分组也叫“包”,分组首部也叫“包头”。

主机是为用户进行信息处理的,并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器则是用来转发分组的。路由器收到一个分组,先暂时存储以下,检查其首部,查找转发表,按照首部中的目的地址,找到合适的接口转发出去,把分组交给下一个路由器。

3.分组交换的优点:

  1. 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。
  2. 灵活:为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
  3. 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
  4. 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

4.分组交换的问题:

  1. 时延:分组在各路由器存储转发时需要排队,这就会造成一定的时延。
  2. 开销:各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销(overhead)。整个分组交换网还需要专门的管理和控制机制。

若要连续传送大量的数据,且其传送时间远大于连接建立时间,则电路交换的传输速率较快。

报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽,在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度,因此分组交换比报文交换的时延小,同时也具有更好的灵活性。

4.计算机网络在我国的发展

1994年4月20日,我国用 64 kbit/s 专线正式连入互联网。从此,我国被国际上正式承认为接入互联网的国家。同年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。同年9月中国公用计算机互联网 CHINANET 正式启动。

到目前为止,我国陆续建造了基于互联网技术并能够和互联网互连的多个全国范围的公用计算机网络,其中规模最大的就是下面这五个:

  1. 中国电信互联网 CHINANET(原中国公用计算机互联网)
  2. 中国联通互联网 UNINET
  3. 中国移动互联网 CMNET
  4. 中国教育和科研计算机网 CERNET
  5. 中国科学技术网 CSTNET

5.计算机网络的类别

5.1 计算机网络的定义

计算机网络的精确定义并未统一,关于计算机网络的较好的定义是: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。

根据这个定义:

  1. 计算机网络所连接的硬件,并不限于一般的计算机,而是包括了智能手机。
  2. 计算机网络并非专门用来传送数据,而是能够支持很多种的应用(包括今后可能出现的各种应用)。

5.2 几种不同类别的计算机网络

1.按照网络的作用范围进行分类

  1. 广域网 WAN(Wide Area Network):广域网的作用范围通常为几十到几千公里,因而有时也称为远程网(long haul network)。广域网是互联网的核心部分,其任务是通过长距离运送主机所发送的数据。
  2. 城域网 MAN(Metropolitan Area Network):城域网的作用范围一般是一个城市,可跨越几个街区甚至整个城市,其作用距离约为5 ~50 km。城域网可以为一个或几个单位所拥有,但也可以是一种公用设施,用来将多个局域网进行互连。目前很多城域网采用的是以太网技术,因此有时也常并入局域网的范围进行讨论。
  3. 局域网 LAN(Local Area Network):局域网一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连(速率通常在10 Mbit/s以上),但地理上则局限在较小的范围(如1 km左右)。在局域网发展的初期,一个学校或工厂往往只拥有一个局域网,但现在局域网已非常广泛地使用,学校或企业大都拥有许多个互连的局域网(这样的网络常称为校园网或企业网)。
  4. 个人区域网 PAN(Personal Area Network):个人区域网就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络,因此也常称为无线个人区域网 WPAN (Wireless PAN),其范围很小。

6.计算机网络的性能

6.1 计算机网络的性能指标

1.速率

速率的单位是 bit/s(或 bps)。计算机发送出的信号都是数字形式的,1字节等于8比特,所以当我们将带宽换算成文件传输速度时需要除以8。

2.带宽

带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。网络带宽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”,单位是数据率的单位 bit/s,是“比特每秒”。

3.吞吐量

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际的数据量。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。

显然,吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。例如,对于一个1Gbit/s的以太网,就是说其额定速率是1Gbit/s,那么这个数值也是该以太网的吞吐量的绝对上限值。因此,对1Gbit/s 的以太网,其实际的吞吐量可能也只有100 Mbit/s,或甚至更低,并没有达到其额定速率。请注意,有时吞吐量还可用每秒传送的字节数或帧数来表示。

4.时延

时延(delay)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。时延是个很重要的性能指标,它有时也称为延迟或迟延。由以下几个不同的部分组成的:

(1)发送时延:是主机或路由器发送数据帧所需要的时。

$$
发送时延=\dfrac{数据帧长度 bit}{发送速率 bit/s}
$$

(2)传播时延: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。

$$
传播时延=\dfrac{信道长度 m}{电磁波在信道上的速率 m/s}
$$

  • 真空:3.0×10^8 m/s
  • 铜:2.3×10^8 m/s
  • 光纤:2.0×10^8 m/s

(3)处理时延:主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理,例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等。

(4)排队时延:分组在经过网络传输时,要经过许多路由器。但分组在进人路出奋后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后,还要在输出队列中排队等待。

$$
总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
$$

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。

提高数据的发送速率只是减小了数据的发送时延。

5.时延带宽积

$$
时延带宽积=传播时延×带宽
$$

表示链路能够容纳多少个比特。

6.往返时间 RTT

$$
发送时间=\dfrac{数据长度}{发送速率}
$$

$$
有效数据率=\dfrac{数据长度}{发送时间+RTT}
$$

是一个重要的性能指标。

7.利用率

(1)信道利用率:某信道有百分之几的时间是被利用的。

(2)网络利用率: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。这是因为,根据排队论的理论,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。

$$
D=\dfrac{D_{0}}{1-U}
$$

这里 U 是网络的利用率,数值在0到1之间。当网络的利用率达到其容量的1/2时,时延就要加倍。特别值得注意的就是:当网络的利用率接近最大值1时,网络的时延就趋于无穷大。

因此一些拥有较大主干网的 ISP 通常控制信道利用率不超过50%。如果超过了就要准备扩容,增大线路的带宽。

6.2 计算机网络的非性能特征

  1. 费用:网络的价格。
  2. 质量:网络的质量取决于网络中所有构件的质量,以及这些构件是怎样组成网络的。
  3. 标准化:网络的硬件和软件的设计既可以按照通用的国际标准,也可以遵循特定的专用网络标准。
  4. 可靠性:可靠性与网络的质量和性能都有密切关系。
  5. 可拓展性和可升级性:在构造网络时就应当考虑到今后可能会需要扩展(即规模扩大)和升级(即性能和版本的提高)。
  6. 易于管理和维护:网络如果没有良好的管理和维护,就很难达到和保持所设计的性能。

7.计算机网络体系结构

7.1 计算机网络体系结构的形成

OSI 试图达到一种理想境界,即全球计算机网络都遵循这个统一标准,但由于基于 TCP/IP 的互联网已抢先在全球相当大的范围成功地运行了。

7.2 协议与划分层次

我们并不想让文件传送模块完成全部工作的细节,这样会使文件传送模块过于复杂,所以分层。

分层的好处:

  1. 各层之间是独立的
  2. 灵活性好
  3. 结构上可分割开
  4. 易于实现和维护
  5. 能促进标准化工作

7.3 具有五层协议的体系结构

应用层 体系结构中的最高层,通过应用进程间的交互来完成特定网络应用
运输层 两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务
网络层 为分组交换网上的不同主机提供通信服务
数据链路层 把网络层下来的IP数据包组装成帧,在链路上发送
物理层 传送比特

7.4 实体、协议、服务和服务访问点

  1. 实体:任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
  2. 协议:控制对等实体之间的通信规则,是水平的。
  3. 服务:由下层通过层间接口向上层提供的功能,是垂直的。
  4. 服务访问点:同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方。

协议必须把所有不利的条件事先都估计到,而不能假定一切都是正常的和非常理想的。想的。


计算机网络 第一章:概述
https://pudding.nousbuild.com/computer-network-1/
作者
Haoning Wu
发布于
2022年4月9日
更新于
2022年6月19日
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