概述互联网的发展和计算机网络的体系结构。

1.1 计算机网络在信息时代中的作用

三网合一的“三网”：

  • 电信网络
  • 有线电视网络
  • 计算机网络

Internet的译名有两种：

  • 因特网，权威
  • 互联网，广泛

互联网的两个重要基本特点：连通性和共享

1.2 互联网概述

计算机网络（简称网络）有若干**结点（node）和连接这些结点的链路（link）**组成。

互连网是“网络的网络”。

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。

互联网基础结构发展的三个阶段：

  • 第一阶段：单个网络ARPANET

  • 第二阶段：三级结构的互联网

    • 主干网
    • 地区网
    • 校园网（或企业网）

  • 第三阶段：多层次ISP结构的互联网

    • 互联网服务提供者ISP
    • ISP又常译为互联网服务提供商

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区分internet和Internet[RFC 1208]

  • internet（互连网）是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络，网络之间的通信协议可以任选
  • Internet（互联网、因特网）是一个专有名词，指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网，采用TCP/IP协议族作为通信的规则，前身是美国的ARPANET

互连网交换点IXP的主要作用：允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。

互连网的正式标准要经过以下三个阶段：

  • 互连网草案：有效期6个月，不算RFC文档
  • 建议标准：成为RFC文档
  • 互联网标准：每个标准分配一个编号STD xx。一个标准可以和多个RFC文档关联。

RFC文档的类型：

  • 建议标准的RFC
  • 互联网标准的RFC
  • 历史的RFC
  • 实验的RFC
  • 提供信息的RFC

1.3 互联网的组成

从工作方式上互联网划分为两大块：

  • 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成，由用户直接使用来进行通信和资源共享
  • 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

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在网络边缘的端系统之间的通信方式通常分为两大类：

  • 客户-服务器方式（C/S方式）：客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程，客户是服务请求方，服务器是服务提供方

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  • 对等方式（P2P方式）：两台主机通信时不区分哪个是服务请求方，哪个是服务提供方，只要运行了对等连接软件，就可以进行平等的、对等的连接通信

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数据传送阶段的三种交换方式：

  • 电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送
  • 报文交换：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点
  • 分组交换：单个分组（指整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点

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应用对比：

  • 若要传送大量的数据，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。
  • 一个分组的长度往往小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时具有更好的灵活性。

1.5 计算机网络的类型

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（如传送数据或视频信号）。

计算机网络的类别划分：

  • 按照网络的作用范围进行分类
    • 广域网WAN
    • 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：普通用户使用
    • 专用网：特定部门使用
  • 用来把用户接入到互联网的网络：接入网，又称本地接入网或居民接入网

1.6 计算机网络的性能

计算机网络的七个性能指标：

  • 速率：数据的传送速率，单位bit/s（或b/s，bps）

  • 带宽：单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”，单位bit/s

  • 吞吐量：单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际的数据量

  • 时延

    • 发送时延：主机或路由器发送数据帧所需要的实际，$发送时延 = {数据帧长度（bit） \over 发送速率（Bit/s）}$
    • 传播时延：电磁波在信道中传播一定的句来需要花费的时间，$传播时延 = {信道长度（m） \over 电磁波在信道上的传播速率（m/s）}$
    • 处理时延：主机或路由器接收到分组时要花费时间进行处理
    • 排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多路由器，分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。

    $总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延$

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    降低数据传送的总时延要同时考虑四项时延组成

    数据发送速率的单位是每秒发送多少个比特，这是指在某个点或某个接口上的发送速率。传播速率的单位是每秒传播多少公里，是指在某一段传输线路上比特的传播速率。

    光纤信道的传输速率高是指可以用很高的速率向光纤信道发送数据，而光纤信道的传播速率实际上比铜线传播速率略低一点。

  • 时延带宽积：$时延带宽积 = 传播时延 \times 带宽$，链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

  • 往返时间RTT

  • 利用率

    • 信道利用率
    • 网络利用率
    • 信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延

计算机网络的非性能特征：

  • 费用
  • 质量
  • 标准化
  • 可靠性
  • 可扩展性和可升级性
  • 易于管理和维护

1.7 计算机网络体系结构

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应用层：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。应用层交互的数据单元称为报文。应用层协议有很多，包括

  • 域名系统DNS
  • 支持万维网应用的HTTP协议
  • 支持电子邮件的SMTP协议

运输层：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。运输层主要使用两种协议：

  • 传输控制协议TCP：提供面向连接的、可靠的数据传输服务，数据传输单位是报文段
  • 用户数据报协议UDP：提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务，数据传输单位是用户数据报

网络层：负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。

  • 在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报。
  • 无论在哪一层传送的数据单元，都可笼统地用”分组”来表示。
  • 互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和许多路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做网际层或IP层。

数据链路层：简称链路层，两台主机之间的数据传输是在链路上传送的，因此需要专门的链路层协议。

  • 在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交付下来的IP数据报组装成帧，在两个结点之间传送帧
  • 每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）
  • 控制信息可以使接收端检测到所收到的帧中有无差错，若有差错，数据链路层就简单的丢弃这个出了差错的帧

物理层：传送数据的单位是比特

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OSI参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元PDU。

OSI参考模型把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU。

可以多个SDU合成一个PDU，也可以是一个SDU划分成几个PDU。

术语协议栈：几个层次画在一起很像一个栈结构。

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（或多个实体）进行通信的规则的集合。

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。要实现本层的协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

协议和服务在概念上是不一样的：

  • 协议的实现保证了能够向上一层提供服务，使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议，即协议对上面的实体是透明的（不可见的）
  • 协议是”水平的“，控制对等实体之间的通信规则；服务是”垂直的“，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的，即对上层实体可见。

服务访问点SAP：在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方，是一个逻辑接口。

服务用户：服务提供者的上一层实体。

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