第一章 概述
1.1 计算机网络在信息时代的作用
- 计算机网络已有一种通信基础设施发展成为一种重要的信息服务基础设施.
- 计算机网络已经像水、电、煤气这些基础设施一样，成为我们生活中不可或缺的一部分.
1.2 因特网概述
1.2.1 网络、互联网(互联网)和因特网
- 网络(Network)由若干结点(Node)和连接这些结点的链路(Link)组成.
- 多个网络还可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网(或互连网).因此，互联网是"网络的网络(Network of Networks)".
- 因特网(Internet)是世界上最大的互联网络(用户数以亿计，互连的网络数以百万计).
1.2.2 因特网发展的三个阶段
1.2.3 因特网标准化工作
1.2.4 因特网的组成
- 边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成.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.
- 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).
1.3 三种交换方式
1.3.1 电路交换(Circuit Switching)
- 电话交换机接通电话线的方式成为电路交换.
- 从通信资源的分配角度来看，交换就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源.
- 电路交换的三个步骤：
- 建立连接(分配通信资源)
- 通话(一直占用通信资源)
- 释放连接(归还通信资源)
1.3.2 分组交换(Packet Switching)
1.3.3 报文交换
报文交换中的交换结点也采用存储转发方式，但报文交换对报文的大小没哟限制，要求交换结点有较大的缓存空间.报文交换用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被较为先进的分组交换方式所取代.
1.3.4 电路交换、报文交换、分组交换的对比
1. 电路交换的优缺点
优点
- 通信时延小:通信线路为通信双方用户专用，数据直达，连续传输大量数据时，这一优势明显.
- 有序传输:数据只在专用线路上传输，因此不存在失序问题.
- 没有冲突:不同的通信双方拥有不同信道，不会出现争用物理信道的问题.
- 使用范围广:电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号.
- 实时性强:通信时延小.
- 控制简单
缺点
- 建立连接时间太长:电路交换的平均连接时间对计算机通信来说太长了.
- 线路独占，使用效率低
- 灵活性差:只要连接所建立的物理通路中的任何一点出现故障，就需要重新建立连接.
- 难以规格化:电路交换时，数据直达，不同类型、不同速度、不同规格的终端很难相互通信,也难以在通信过程中进行差错控制.
2. 报文交换的优缺点
优点
- 无需建立连接:用户可以随时发送报文.
- 动态分配线路:当发送方将报文发送到结点交换机时，结点交换机先存储整个报文,然后选择一条合适的空闲线路将报文发送出去.
- 提高线路可靠性:如果某条传输线路发生故障，会重新选择一条路径传输数据.
- 提高线路利用率:通信双方不是固定占用一条线路，而是在不同时间分段部分占用物理线路.
- 提供多目标服务:一个报文可以同时发送给多个目的地址.
缺点
- 引起了转发时延:结点交换机要存储和转发报文.
- 需要较大的存储空间:报文大小没有限制.
- 需要传输额外的信息量:因为需要携带源地址与目标地址等信息.
3. 分组交换的优缺点
优点
- 无需建立连接:用户可以随时发送分组.
- 线路利用率高:通信双方不是占用一条通信线路,而是在不同的时间分段部分占用物理线路.
- 简化了存储管理:相对于报文交换,分组长度固定，相应的缓存区大小也固定，管理起来相对容易.
- 加速传输:由于分组是逐个传输的，这就使得后一个分组的存储操作，与前一个分组的转发操作可以同时进行.
- 减少出错概率和数据量:因为分组比报文小,出错概率必然减小,即便分组出错也只需重传出错的分组.这比重传整个报文的数据量要小的多.不仅提高可靠性也减少了传输时延.
缺点
- 引起了转发时延:结点交换机上要经历存储转发的过程.
- 需要传输额外的信息量:将原始报文分割成等长的数据块,每个数据块都要加上源地址和目的地址等控制信息,从而构成分组.
- 对于数据包服务，存在失序、丢失或重复分组的问题;对于虚电路服务,存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程
1.4 计算机网络的定义与分类
1.4.1 计算机网络的定义
- 计算机网络的精确定义并未统一.
- 计算机网络最简单的定义是：一些互连的、自治的计算机的集合.
- 互连：指计算机之间可以通过有线或者无线的方式进行数据通信.
- 自治：是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用.
- 集合：是指至少需要两台计算机.
- 计算机网络较好的定义是：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同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.
- 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等智能硬件.
- 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持多种的应用(包括今后可能出现的各种应用).
1.4.2 计算机网络的分类
1.5 计算机网络的性能指标
1.5.1 速率
- 比特：计算机中数据量的单位,也是信息论中信息量的单位，一个比特就是二进制数字中的一个1或0.
- 速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为比特率或数据率.
1.5.2 带宽
带宽在模拟信号系统中的意义
- 信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围
- 单位：Hz(kHz、MHz、GHz)
带宽在计算机网络中的意义
- 用来表示网络的通信线路所能传送的数据的能力，因此网络贷款表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的"最高数据率".
- 单位：b/s(kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s)
其实，"带宽"的这两种意义表述之间有着密切的联系，一条通信线路的"频带宽度"越宽，其所传输的数据的"最高数据率"也越高.
1.5.3 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)的数据量.
- 吞吐量被经常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的数据量能够通过网络.
- 吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制.
1.5.4 时延
-
发送时延
\[发送时延=\frac{分组长度(b)}{发送速率(b/s)} \] -
传播时延
\[发送时延=\frac{信道长度(m)}{电磁波传播速率(m/s)} \] -
处理时延(一般不方便计算)
1.5.5 时延带宽积
\[时延带宽积=传播时延\times带宽 \]- 若发送端连续发送数据，则所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特.
- 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度.
1.5.6 往返时间
1.5.7 利用率
1.5.8 丢包率
- 丢包率即分组丢失率，是指一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率.
- 丢包率具体可分为接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等.
- 分组丢失主要有两种情况：
- 分组在传输过程中出现了误码，被结点丢弃.
- 分组到达了一个队列已满的分组交换机时被丢弃，在通信量较大时可能造成网络拥塞.
- 因此，丢包率反映了网络的拥塞情况
- 无拥塞时路径丢包率为0
- 轻度拥塞时路径丢包率为1%-4%.
- 重度拥塞时路径丢包率为5%-15%.
1.6 计算机网络体系结构
1.6.1 常见的计算机网络结构
- OSI(开放系统互连参考模型)体系结构(法律上的国际标准)
-
TCP/IP体系结构(事实上的国际标准)
1.6.2 计算机网络体系结构分层的必要性
-
计算机网络是一个非常复杂的系统.早在最初的APPANET设计时就提出了分层的设计理念.
-
"分层"可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较抑郁研究和处理.
1.6.3 计算机网络体系结构专用术语
实体 任何可发送或接收信息的硬件或软件进程.
- 对等实体：收发双方相同层次的实体.
协议 控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合
协议的三个要素：
- 语法：定义所交换信息的格式
- 语义：定义收发双方所要完成的操作
- 时序：定义收发双方的时序关系
服务 在协议控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务
- 服务访问点 在同一系统中相邻的两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型.
- 数据链路层的服务访问点为帧的"类型"字段.
- 网络层的服务访问点为IP数据报首部中的"协议字段".
- 运输层的服务访问点为"端口号"
- 服务原语 上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语.
- 协议数据单元PDU 对等层次之间传送的数据包称为该层协议的协议数据单元.
- 服务数据单元SDU 同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元.
- 多个SDU可以合成为一个PDU，一个SDU也可划分为几个PDU
