【计算机网络】第一章 概述

简介: 【计算机网络】第一章 概述

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1.1 计算机网络在信息时代中的作用

21世纪的一些重要特征数字化、网络化信息化,是一个以网络为核心的时代。

三类熟悉的网络

  1. 电信网络:提供电话、电报及传真等服务。
  2. 有线电视网络:向用户传送各种电视节目。
  3. 计算机网络:使用户能在计算机之间传送数据文件。

如何称呼 Internet?

  • 因特网:推荐,但却长期未得到推广。
  • 互联网:目前流行最广,事实上的标准译名。

注意:互联网 ≠互连网。互连网:局部范围互连起来的计算机网络。

互联网的 2 个重要基本特点

  1. 连通性:几乎忽略距离因素,使上网用户之间可以非常便捷、非常经济地交换各种信息,好像这些用户终端都彼此直接连通一样。
  2. 资源共享:实现信息共享、软件共享、硬件共享。由于网络的存在,这些资源好像就在用户身边一样。

互联网+:指“互联网+各个传统行业”。把互联网的创新成果深度融合于经济社会各领域。


1.2 互联网概述

1.2.1  网络的网络

计算机网络:

由若干节点和连接这些节点的链路组成。

节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

互连网:

多个网络通过一些路由器相互连接起来,即“网络的网络”。

主机:与网络相连的计算机,路由器是特殊计算机,但不是主机

主机可以在云里,也可以在云外:

网络:把许多计算机连接在一起。

互连网 (internet) ≠ 互联网 (Internet)

  • 互连网(internet):把许多网络通过一些路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。协议不一定是TCP/IP
  • 互联网(Internet):覆盖全球的特定互连网,采用TCP/IP协议,前身是ARPANET。

1.2.2  互联网基础结构发展的三个阶段

【第一阶段】
ARPANET:
最初只是单个的分组交换网,不是互连网。 【互联网的雏形】

1983 年,TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。【互联网的诞生时间】

【第二阶段:构成了三级结构的互联网】

三级结构:主干网、地区网和校园网(或企业网)。

【第三阶段:出现了多层次的互联网服务提供者 ISP】

ISP:提供接入到互联网的服务,但需收取一定的费用。国内如中国电信、中国联通、中国移动等等。

理解:用户通过ISP购买的IP接入互联网。

多层次 ISP 结构:

主干 ISP、地区 ISP 和本地 ISP。

互联网交换点 IXP:允许两个网络直接相连并快速交换分组,不需第三个网络交换分组。

常采用交换机

内容提供者:在互联网上向所有用户提供视频等内容的公司。

1.2.3  互联网的标准化工作

RFC:(请求评论)

  1. 所有的 RFC 文档都可从互联网上免费下载。
  2. 任何人都可以用电子邮件随时发表对某个文档的意见或建议。
  3. 但并非所有的 RFC 文档都是互联网标准。只有很少部分的 RFC 文档最后才能变成互联网标准。
  4. RFC 文档按发表时间的先后编上序号(即 RFCxxxx,xxxx 是阿拉伯数字)。

1.3 互联网的组成

从互联网的工作方式上看,可以划分为两大块:

  1. 边缘部分: 由所有连接在互联网上的主机组成,由用户直接使用,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,为边缘部分提供服务(提供连通性和交换)。


1.3.1  互联网的边缘部分

处在互联网边缘部分的就是连接在互联网上的所有的主机。这些主机又称为端系统

端系统在功能上可能有很大差别:

  • 小的端系统:普通个人电脑、智能手机、网络摄像头等。
  • 大的端系统:非常昂贵的大型计算机或服务器。
  • 端系统的拥有者:可以是个人、单位、或某个 ISP。

理解:主机A和主机B进行通信是指:主机A的某个进程与主机B的另一个进程进行通信。

通信方式分成:

  1. 客户-服务器方式(C/S 方式)
  2. 对等连接方式(P2P 方式)
a. 客户-服务器方式(C/S 方式)

客户/服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。

  1. 客户是服务的请求方
  2. 服务器是服务的提供方。

客户程序

  1. 被用户调用后运行,需主动向远地服务器发起通信(请求服务)。必须知道服务器程序的地址。
  2. 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器程序

  1. 专门用来提供某种服务的程序,可同时处理多个客户请求。
  2. 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。不需要知道客户程序的地址。
  3. 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。
b. 对等连接方式(P2P 方式)

两台主机在通信时不区分服务请求方和服务提供方。只要都运行了 P2P 软件,就可以进行平等的、对等连接通信。对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式,只是对等连接中的每一个主机既是客户又是服务器


1.3.2  互联网的核心部分

核心部分:网络+路由器。

路由器:实现分组转发

典型交换技术包括:

  1. 电路交换
  2. 分组交换
  3. 报文交换

互联网的核心部分采用分组交换技术。


a. 电路交换

问题:电线对的数量与电话机数量的平方(N2)成正比。

解决:电话交换机

电路交换特点:

  1. 建立连接:建立一条专用的物理通路(占用通信资源)。
  2. 通话:主叫和被叫双方互相通电话(一直占用通信资源)。
  3. 释放连接:释放刚才使用的专用的物理通路(归还通信资源)。

这种必须经过“建立连接(占用通信资源)、通话(一直占用通信资源)、释放连接(归还通信资源)”三个步骤的交换方式称为电路交换。通话的两个用户始终占用端到端的通信资源

缺点:

通信线路的利用率很低,真正用来传送数据的时间往往不到 10%,甚至不到 1%,已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的。

b. 分组交换

采用存储转发技术。

过程:

数据段前面添加首部就构成了分组

接收端收到分组后剥去首部,还原成原来的报文

路由器作用:分组转发:

分组交换的优点

优点

所采用的手段

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:

  1. 排队延迟:分组在各路由器存储转发时需要排队。
  2. 不保证带宽:动态分配。
  3. 增加开销:各分组必须携带控制信息;路由器要暂存分组,维护转发表等。
c. 报文交换

类似分组转发,但转发的不是分组而是整个报文。

电路交换、报文交换和分组交换的主要区别

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

1.4  计算机网络在我国的发展

1994 年,中国教育和科研计算机网 CERNET (China Education and Research NETwork) 是我国第一个 IPv4 互联网主干网。

2004 年 2 月,我国的第一个下一代互联网 CNGI 的主干网 CERNET2 试验网正式开通,并提供服务。

试验网以 2.5~10 Gbit/s 的速率连接北京、上海和广州三个 CERNET 核心节点,并与国际下一代互联网相连接。

中国互联网络信息中心 CNNIC (ChiNa Network Information Center)  每年两次公布我国互联网的发展情况。

到 2019 年底,我国的国际出口带宽已超过 8.8 Tbit/s (1 Tbit/s = 103 Gbit/s)。


1.5 计算机网络的类别

1.5.1  计算机网络的定义

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。

1.5.2  几种不同类别的计算机网络

按照网络的作用范围进行分类

类别

作用范围或距离

广域网 WAN

通常为几十到几千公里。有时也称为远程网.

城域网 MAN

作用范围一般是一个城市,作用距离约为 5~50 公里。

局域网 LAN

局限在较小的范围(如 公里左右)。

个人区域网 PAN

范围很小,大约 10 米左右。有时也称无线个人区域网

按照网络的使用者进行分类

类别

作用范围或距离

公用网

按规定交纳费用的人都可以使用的网络。也可称为公众网。

专用网

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【又称为本地接入网或居民接入网】


1.6 计算机网络的性能

1.6.1  计算机网络的性能指标

性能指标*7:从不同的方面来度量计算机网络的性能。

a. 速率

速率(数据率比特率):数据的传送速率一般指额定速率或标称速率,非实际运行速率。

单位:bit/s,b/s,bps,或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s 等。

【示例】


b. 带宽

频域【传统通信】:如300Hz到3.4kHz

  1. 某个信号具有的频带宽度。
  2. 单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫等)。
  3. 某信道允许通过的信号频带范围称为该信道的带宽(或通频带)。

时域【计算机网络】:允许通过的最高数据率

  1. 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”。
  2. 单位就是数据率的单位 bit/s。

c. 吞吐量

吞吐量:单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际数据量。

  1. 受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
  2. 额定速率是绝对上限值。
  3. 可能会远小于额定速率,甚至下降到零!

单位:bit/s,bit


d. 时延

时延(延迟或迟延):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。

单位:s

组成:

  1. 发送时延
  2. 传播时延
  3. 处理时延
  4. 排队时延

(1)发送时延:是主机或路由器发送数据帧所需要的时间,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。

(2)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。

电磁波传播速率:

  1. 自由空间的传播速率是光速 = 3.0 ⅹ 105 km/s
  2. 在铜线电缆中的传播速率约 = 2.3 ⅹ 105 km/s
  3. 在光纤中的传播速率约 = 2.0 ⅹ 105 km/s

注意:发送时延与传播时延有本质上的不同。

发送时延发生在机器内部的发送器中,与传输信道的长度(或信号传送的距离)没有关系。

传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上,而与信号的发送速率无关。信号传送的距离越远,传播时延就越大。

(3)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。

(4)排队时延:分组在路由器输入输出队列中排队等待处理和转发所经历的时延。

排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时会发生队列溢出,使分组丢失,这相当于排队时延为无穷大。

易错:

  1. “在高速链路(或高带宽链路)上,比特会传送得更快些”。(错误),因为对于高速网络链路,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。


e. 时延带宽积

表示含义

管道中的比特数表示从发送端发出但尚未到达接收端的比特数。

只有在代表链路的管道都充满比特时,链路才得到了充分利用。

单位:bit

f. 往返时间 RTT

表示从发送方发送完数据,到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。

【示例】


g. 利用率

信道利用率

某信道有百分之几的时间是被利用的(即有数据通过)。

完全空闲的信道的利用率是零。

网络利用率

全网络的信道利用率的加权平均值。

问题:信道利用率越高越好吗?

不是。解答如下:


1.6.2  计算机网络的非性能特征


1.7 计算机网络体系结构

1.7.1  计算机网络体系结构的形成


1.7.2  协议与划分层次

计算机网络体系结构

  • 法律上的国际标准 OSI
  • 事实上的国际标准 TCP/IP

网络协议,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。

三个组成要素:

  1. 语法:数据与控制信息的结构或格式 。
  2. 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。
  3. 同步:事件实现顺序的详细说明。

1.7.3  具有五层协议的体系结构

各层的主要功能

应用层:

  • 任务:通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。
  • 协议:DNS,HTTP,SMTP
  • 数据单元:把应用层交互的数据单元称为报文(message)。

运输层:

  1. 任务: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。
  2. 协议:TCP,UDP
  3. 数据单元:TCP的数据单元是报文段,UDP的数据单元是用户数据报

TCP与UDP

  • TCP是面向字节流、连接、可靠数据传输服务。
  • UDP是面向报文、无连接、不可靠的传输服务。

网络层:

  1. 任务:为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
  2. 协议:IP
  3. 数据单元:IP数据报

两个具体任务:

  1. 路由选择:通过一定的算法,在互联网中的每一个路由器上,生成一个用来转发分组的转发表。
  2. 转发:每一个路由器在接收到一个分组时,要依据转发表中指明的路径把分组转发到下一个路由器。

数据链路层:

  1. 任务:实现两个相邻节点之间的可靠通信
  2. 协议:PPP点对点协议,CSMA/CD广播协议
  3. 数据单元:帧(frame)

物理层:

任务:实现比特(0 或 1)的传输。确定连接电缆的插头应当有多少根引脚,以及各引脚应如何连接。

在数据链路层加上尾部

1.7.4  实体、协议、服务和服务访问点

实体:表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

协议:控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

  1. 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。
  2. 要实现本层协议,还需要使用下层所提供的服务。

注意:协议和服务在概念上是不一样的

相邻两层之间的关系

协议很复杂,要应付所有异常情况


1.7.5  TCP/IP 的体系结构

现在互联网使用的 TCP/IP 体系结构已经发生了演变,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。

沙漏计时器形状的 TCP/IP 协议族

互联网中客户-服务器工作方式

同时运行多个服务器进程同时为多个客户进程提供服务


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