计算机网络在信息时代中的作用
计算机网络的定义
Internet
Internet：全球最大、最重要的计算机网络
因特网：推荐，但却长期未得到推广
互连网：目前流行最广，事实上的标准译名
互联网 ！= 互连网
互连网(internet)：局部范围互连起来的计算机网络
计算机网络的特点
互联网两个重要的基本特点
联通性
- 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联通一样
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方便使用。
这两个特点使Internet提供许多服务的基础
互联网的地位
- 已经成为社会最为重要的基础设施之一，互联网技术使推动世界发展的核心顶尖技术之一。
- 当今世界，谁掌握了互联网，谁就把握了时代的主动权。
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
互联网概述
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，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络
- 网络的网络
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
互联网(Internet)：特指覆盖全球的、具有联通性和资源共享性的计算机网络
互联网基础结构发展的三个阶段
| 1969-1990 | 1985-1993 | 1993-现在 |
|---|---|---|
| 从单个网络ARPANET向互联网发展 | 建成了三级结构的互联网 | 全球范围的多层次ISP结构的互联网 |
第一阶段
ARPANET：最初只是一个单个的分组交换网，不是一个互连网。
1983年，TCP/IP协议称为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互相通信。
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
国家科学基金网NSFNET
三级结构：主干网、地区网和校园网（或者企业网）
覆盖了全美国主要的大学和研究所，并且成为互联网中的主要组成部分。
第三阶段
出现了互联网服务提供者ISP
- 提供接入到互联网的服务
- 需要收取一定的费用
多层ISP结构：
- 主干ISP、地区ISP和本地ISP
- 覆盖面积大小和所拥有的IP地址数目的不同
互联网交换点IXP/IX：允许两个网络直接相连并快速交换分组。
- 常采用工作在数据链路层的网络交换机
- 世界上较大的IXP的峰值吞吐量都在Tbit/s量级
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。不向用户提供互联网的转接服务。
万维网WWW
WWW(World Wide Web)
由欧洲原子核研究组织CERN开发
成为互联网指数级增长的主要驱动力
互联网的标准化工作
组织结构
| 互联网协会ISOC |
|---|
| 互联网体系结构研究委员会IAB |
|---|
| 互联网研究指导小组IRSG（隶属互联网研究部IRTF） | 互联网工程指导小组IESG（隶属互联网工程部IETF） |
|---|
标准发表：以RFC的形式，Request For Comments（请求评论）
所有的RFC文档都可以从互联网上免费下载，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。
但并非所有的RFC文档都是互联网标准。只有很少的RFC文档最后才能变成互联网标准。
| 个人文档——》某工作组接受 | 工作组文稿——》工作组认可 | 工作组讨论——》工作组Last Call | IETF Last Call——》IESG审核通过 | RFC（RFC文档按发表时间的先后编上序号） |
|---|
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：
- 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机（又称为端系统）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。
- 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（提供联通性和交换）
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主机，又称为端系统(End System)
端系统有各类主机(host)构成：桌面计算机、移动计算机、服务器、其他智能终端设备
端系统的拥有者：可以是个人、单位、或某个ISP
计算机之间的通信——》实质上是主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信
端系统之间的两种通信方式
| 客户/服务器方式 | 对等方式 |
|---|---|
| Client/Server方式（C/S方式） | Peer to Peer方式(P2P方式) |
C/S方式
描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户机请求服务，服务器提供服务。
客户机与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的。客户和服务器都可以发送和接收数据。
客户程序
- 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。
- 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统
服务器程序
- 专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个用户请求。
- 一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地地客户地通信请求。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。
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任然是使用C/S方式，只是P2P中的每一个都是既是客户又是服务器
互联网的核心部分
是互联网中最复杂的部分。
向网络边缘中的主机提供连通性，使任何一台主机都能够向其他主机通信。
在网络核心部分器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。分组交换是网络核心部分最重要的功能。
电路交换
- 建立连接：建立一条专用的物理通路（占用通信资源）
- 通话：主叫和被叫双方相互通电话(一直占用通信资源)
- 释放连接：释放刚才使用的专用的物理通路(归还通信资源)
电路交换的特点：通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。
分组交换
采用存储转发技术。
数据段前面添加首部就构成了分组。分组又称包，而分组的首部页可称为包头。
互联网采用分组交换技术。分组交换以“分组”作为传输单元。
分组时在互联网中传送的数据单元。
发送端依次把个分组发送到接收端，接收端收到分组后剥去首部，还原成原来的报文。
分组在互联网中的转发
- 根据首部中包含的目的地址、源地址等重要控制信息进行转发
- 每一个分组在互联网中独立选择传输路径
- 位于网络核心部分的路由器负责转发分组，即进行分组交换
- 路由器要创建和动态维护转发表
分组交换的优点
分组交换的缺点
- 排队延迟：分组在各路由器存储转发时需要排队
- 不保证带宽：动态分配
- 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。
计算机网络的类别
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。
“可编程的硬件”表明：这种硬件一定包含有中央处理器CPU。
计算机网络可以：
- 传输数据
- 资源共享
- 支持多种应用
比较通俗的定义：
计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。
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
- 广域网WAN--互联网的核心部分
- 城域网MAN
- 局域网LAN
- 个人区域网PAN
按照网络的使用者进行分类
- 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
按照把用户接入到互联网的网络
-
接入网AN
又称本地接入网或居民接入网
它既不是互联网的核心部分，也不是互联网的边缘部分。是从某用户端系统到本地ISP的第一个路由器（也称边缘路由器）之间的一种网络。
ISP通过多种接入网络技术把用户的端系统连接到互联网，接入网起到与互联网连接的桥梁作用
计算机网络的性能
计算机网络的性能指标
速率 bit/s
在香农的理论中，比特成为信息的基本单位。
速率指的是数据的传输熟虑，也称为数据率或比特率，指在理想状态下，一定时间内网络信道能通过的最大数据量。
速率往往指额定速率或标称速率，非实际运行速率。
带宽
频域
- 某个信道具有的频带宽度
- 单位是HZ
- 某信道允许通过的信号频带范围称为该信道的带宽
时域
- 网路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”
- 单位就是数据率的单位bit/s
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。
- 受网络的带宽或网络的额定速率的限制
- 额定速率是决定上限值
- 可能会远小于额定速率，甚至下降到0
时延
- 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。
包括：
- 发送时延
- 传播时延
- 处理时延
- 排队时延
发送时延
- 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。
发送时延 = 数据帧长度bit/发送速率(bit/s)
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
处理时延和排队时延
- 处理时延是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
- 排队时延时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
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
？在高速链路上，比特会传送的更快一点吗
- 对于高速网络链路，我们提高的仅仅时数据的发送速率，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。
时延带宽积
时延带宽积 = 传播时延 * 带宽，即按比特计数的链路长度
判断当前信道的整体容纳程度
- 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，链路才能得到了充分利用
速率VS带宽
速率是一个额定值，不会改变。带宽是实际传输能力，会变动。
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。
有效数据率 = 数据长度/（发送时间+RTT）
- 在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延
利用率
-
信道利用率是指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0。
-
网络利用率是指全网络的信道利用率的加权平均值。
-
根据排队论，当信道的利用率增大时，时延会迅速增加。
D = D0/(1-U)
D:网络在当前的时延
D0：网络空闲时的时延
U：网络当前的利用率，数值在0-1之间。
一般控制利用率在30%-50%，超过70%时延会很高
计算机网络的非性能特征
费用、质量、标准化、可靠性、可拓展性、可升级性、管理维护性
计算机网络的体系结构
计算机网络体系结构的形成
最初的ARPANET设计时提出了分层的设计方法
采用分层的方法，把复杂的通信问题，划分成若干个较小的、比较易于研究和处理的局部问题。
抽象分层、统一标准、模块独立
IOS（国际化标准组织）提出OSI/RM是使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架。
- IOS/RM是一个抽象的概念
- 1983年，形成了著名的ISO7498国际标准，即七层协议的体系结构
- 应用层（最高层）
- 表示层
- 会话层
- 运输层
- 网络层
- 数据链路层
- 物理层（最低层）
协议与划分层次
网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义（不涉及实现）
协议
网络协议，简称协议，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：
-
语法
规定传输数据的格式，解决交换信息的格式问题
-
语义
规定所要完成的功能，解决做什么的问题
-
同步
规定各种操作的顺序，又称为时序，解决什么时间什么条件下做什么特定操作的问题
协议的两种表现形式：
- 文字描述
- 程序代码
协议必须遵守；协议非常复杂，无法十全十美。
划分层次
分层的原则：
- 层次适度
- 功能确定
- 层次独立
- 层次关联
- 层次对等
- 层次协议
- 层次接口
分层后，各层至少要完成的功能：
- 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠
- 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得急接收，不要太快
- 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原
- 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条底层的连接，在接收端再进行分用
- 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接
具有五层协议的体系结构
实际上的国际标准：TCP/IP
- 应用层
- 运输层
- 互联网层
- 网络接口层
讲述原理的体系结构：
- 应用层
- 运输层
- 网络层
- 数据链路层
- 物理层
应用层
- 任务：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用
- 协议定义的是应用进程间通信和交互的规则
- 把应用层交互的数据单元称为报文
- 应用层为用户提供服务
运输层
- 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
- 具有复用和分用功能
- 主要使用两种协议：
- 传输控制协议TCP：提供面向连接的可靠数据传输
- 用户数据报协议UDP：提供无连接的尽最大努力数据传输服务
网络层
-
为分组交换网上的不同主机提供通信服务
-
两个具体任务：
- 路由选择：通过一定的算法，再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
- 转发：每一个路由器再接收到一个分组时，要依据转发表中指明的路径把分组转发到下一个路由器
-
网际协议IP和路由协议
-
IP数据报
数据链路层
- 任务：实现两个相邻节点之间的可靠通信
- 在两个相邻节点间的链路上传送帧
- 差错检验
物理层
- 任务：实现比特（0/1）的传输
- 确定连接电缆的插头应当由多少根引脚，以及各引脚应如何连接
- 传输介质在物理层之下
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
服务：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。要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。
在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方，通常称为服务访问点（SAP），SAP是一个抽象的概念，实际上是一个逻辑接口。