[计算机网络 谢希仁] 第一章
文章目錄
- 1.1計算機網絡在信息時代的作用
- 1.2互聯網概述
- 1.互聯網
- 2.互聯網基礎結構發展的三個階段
- 3.互聯網的標準化工作
- 1.3互聯網的組成
- 1.互聯網的邊緣部分
- 客戶-服務器方式(C/S方式)
- 對等方式(P2P方式)
- 2.互聯網的核心部分
- 電路交換
- 分組交換
- 報文交換
- 1.4計算機網絡在我國的發展
- 1.5計算機網絡的類別
- 按照網絡的作用范圍進行分類
- 按照網絡的使用者進行分類
- 用來把用戶接入到互聯網的網絡
- 1.6計算機網絡的性能
- 1.計算機網絡的性能指標
- 速率
- 帶寬
- 吞吐量
- 時延
- 時延帶寬積
- 往返時延RTT
- 利用率
- 2.計算機網絡的非性能特征
- 總結
- 1.7計算機網絡的體系結構
- 1.體系結構的形成
- 2.協議與劃分層次
- 協議
- 3.具有五層協議的體系結構
- 4.實體、協議、服務和服務訪問點
- 協議和服務在概念上是不一樣的
- 服務原語
- 服務訪問點
- 5.TCP/IP的體系結構
1.1計算機網絡在信息時代的作用
①三網：電信網絡、有線電視網絡和計算機網絡
②計算機網絡的作用：連通和共享、分布式處理、提高可靠性、負載均衡
?連通性：使上網用戶之間都可以交換信息(數據以及各種音頻視頻)，好像這些用戶的計算機都可以彼此直接連通一樣。
?共享性：指資源共享，可以是信息共享、軟件共享、硬件共享。
③計算機網絡：簡稱網絡，由若干結點和連接這些結點的鏈路組成。主要是由一些通用的、可編程的硬件互連而成的，而這些硬件并非專門用來實現某一特定目的的。這些可編程硬件能夠用來傳送多種不同類型的數據，并能支持廣泛的和日益增長的應用。
④互連網：僅在局部范圍互連起來的計算機網絡，網絡之間通過路由器連起來，因此互連網是**“網絡的網絡”**。
1.2互聯網概述
1.互聯網
互聯網：指Internet,是目前技術最為成功、應用最為廣泛的計算機網絡，已成為現代社會最為重要的基礎設施，起源于美國，是由數量極大的各種計算機網絡互連起來而形成的互連網絡。采用TCP/IP協議族作為通信規則，是一個覆蓋全球、實現全球范圍內連通性的資源共享的計算機網絡。
是一個專用名詞
2.互聯網基礎結構發展的三個階段
①第一階段：從單個網絡ARPANET向互聯網發展的過程。
②第二階段：建成了三級結構的互聯網：主干網、地區網和校園網(企業網)
③第三階段：逐漸形成了多層次ISP結構的互聯網
④聯網交換點IXP：允許兩個網絡直接相連并交換分組，而不需要再通過第三個網絡來轉發分組。
⑤WWW問世：互聯網的迅猛發展始于20世紀90年代。由歐洲原子核研究組織CERN開發的萬維網WWW(World Wide Web)被廣泛使用在互聯網上，大大方便了廣大非網絡專業人員對網絡的使用，成為互聯網的這種指數級增長的主要驅動力。
3.互聯網的標準化工作
①互聯成功的因素之一是開放性和標準化：
?開放性：任何人都可以參與標準的制定、下載標準，符合標準的任何設備都可以接入。
?標準化：對互聯網的發展起到了重要作用。
②ISOC：互聯網協會
?IAB：互聯網結構委員會
?IESG：研究每個領域短期和中期的工程問題
?IRSG：一些研究所組成，研究一些需要長期考慮的理論問題
③三個階段：
?所有互聯網標準都以RFC的形式在互聯網上發表：
?互聯網草案：有效期只有六個月。在這個階段還不是RFC文檔
?建議標準：從這個階段開始就成為RFC文檔
?互聯網標準：達到標準后，每個標準就分配到一個編號 STD xx。一個標準可以和多個RFC文檔關聯
?現在簡化為兩個階段：建議標準、互聯網標準
1.3互聯網的組成
邊緣部分：由所有連接在互聯網上的主機組成。這部分是用戶直接使用的，用來進行通信和資源共享。
核心部分：由大量網絡和連接這些網絡的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務的。
1.互聯網的邊緣部分
①處在互聯網邊緣的部分就是連接在互聯網上的所有主機。這些主機又稱為端系統
②“主機A和主機B進行通信”實際上是指：“運行在主機A上的某個程序和運行在主機B上的另一個程序進行通信”。
③端系統之間的兩種通信方式：
客戶-服務器方式(C/S方式)
?客戶和服務器都是指通信中所涉及的兩個應用進程，客戶-服務器方式所描述的是進程之間服務和被服務的關系，客戶是服務的請求方，服務器就服務的提供方。
?客戶軟件特點：被用戶調用后運行，在打算通信時主動向遠地服務器發起通信。因此，客戶程序必須知道服務器程序的地址。不需要特殊的硬件和很復雜的操作系統。
?服務器軟件特點：一種專門用來提供某種服務的程序，可同時處理多個遠地或本地客戶的請求。啟動后一直不斷地運行著，被動地等待并接受來自客戶的通信請求。服務器程序不需要知道客戶程序的地址。一般需要強大的硬件和高級的操作系統支持。
對等方式(P2P方式)
?對等連接是指兩個主機在通信時并不區分哪一個是服務請求方還是服務提供方。只要兩個主機都運行了對等連接軟件，他們就可以進行平等的、對等連接通信，雙方都可以下載對方已經存儲在硬盤中的共享文檔。
?特點：對等連接方式從本質上看仍然是使用客戶-服務器方式，只是對等連接中的每一個主機即是客戶又是服務器。對等連接工作方式可支持大量對等用戶同時工作。
2.互聯網的核心部分
?在網絡核心部分起特殊作用的是路由器(工作在網絡層)。路由器是實現分組交換的關鍵構件，其任務是轉發收到的分組，這是網絡核心部分最重要的功能。
?典型交換技術：電路交換、分組交換、報文交換。互聯網的核心部分采用分組交換技術。
電路交換
?電路交換必定是面向連接的，分為三個階段：建立連接、通信、釋放連接。在建立連接后，通話的兩個用戶始終占用端到端的通信資源。
分組交換
?分組交換采用存儲轉發技術。在發送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數據段，每一個數據段前面添加上首部構成分組。分組交換以**“分組”作為數據傳輸單元**。依次把各分組發送到接收端。
?接收端收到分組后剝去首部還原成報文。最后，在接收端把收到的數據恢復成為原來的報文。
?路由器轉發分組的過程：接收分組、存儲分組、查找轉發表、找到轉發端口轉發分組
報文交換
?整個報文先一次傳送到相鄰結點，全部存儲下來之后查找轉發表，轉發到下一個結點。
總結：
比較：
1.4計算機網絡在我國的發展
1.5計算機網絡的類別
計算機網絡作用：
數字化：現代技術的發展，現實世界可以存儲到計算機中，這就是數字化
信息化：數字化的現實世界，為人們的生活、工作、學習輔助決策等和人類相關的各種行為帶來巨大影響，提高了各種行為的效率，這就是信息化
網絡化：實現數字化、信息化共享
按照網絡的作用范圍進行分類
?廣域網WAN：作用范圍通常為幾十到幾千公里
?城域網MAN：作用距離約為5~50公里
?局域網LAN：局限在較小的范圍(如1公里左右)
?個人區域網PAN：范圍很小，大約在10米左右
?若中央處理器之間的距離非常近(如僅1米的數量級甚至更小)，則一般稱為多處理機系統，而不是計算機網絡。
按照網絡的使用者進行分類
?公用網：按規定交納費用的人都可以使用的網絡。因此也可稱為公眾網。
?專用網：為特殊業務工作的需要而建立的網絡。
用來把用戶接入到互聯網的網絡
?接入網AN，又稱為本地接入網或居民接入網，是一類比較特殊的計算機網絡，用于將用戶接入互聯網。接入網本身既不屬于互聯網的核心部分，也不屬于邊緣部分，是從某個用戶端系統到互聯網中的第一個路由器之間的一種網絡，很多接入網還是屬于局域網，從作用上看，接入網只是起到讓用戶能夠與互聯網連接的“橋梁”作用。
1.6計算機網絡的性能
1.計算機網絡的性能指標
速率
?速率是計算機網絡中最重要的一個性能指標，也稱為“數據傳送速率、數據率、比特率”。速率往往指的是額定速率或標稱速率，非實際運行速率。
?單位：bit/s(b/s或bps)，Kbit/s，Mbit/s，Gbit/s等。
帶寬
一、“帶寬”是指信號具有的頻率成分范圍，也可表示為信道的頻帶寬度，單位是赫。
二、在計算機網絡中，帶寬用來表示網絡中某通道傳送數據的能力。表示在單位時間內網絡中的某信道所能通過的"最高數據率"。單位是bit/s。
??網絡提速：單位時間內發送到鏈路上的比特數增多，而不是比特在鏈路上跑得更快。
吞吐量
?吞吐量表示在單位時間內通過某個網絡的數據量。用來測量實際上到底有多少數據量能過通過網絡，吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制。
時延
?時延是指數據(一個報文或分組，甚至比特)從網絡(或鏈路)的一段傳送到另一端所需的時間，有時也稱為延遲或遲延。分為：發送時延、傳播時延、處理時延、排隊時延。
?發送時延也稱傳輸時延，發送數據時，數據幀從結點進入到傳輸媒體所需要的時間。
?傳播時延：電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。傳播時傳播速率保持不變。
?處理時延：主機或路由器在收到分組時，為處理分組(例如分析首部、提取數據、差錯檢驗或查找路由)所花費的時間。
?排隊時延：分組在路由器輸入輸出隊列中排隊等待處理所經歷的時延，排隊時延的長短往往取決于網絡中當時的通信量。
?數據在網絡中所經歷的總時延就是發送時延、傳播時延、處理時延和排隊時延之和。
???????總時延=發送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延
時延帶寬積
?時延帶寬積又稱以比特為單位的鏈路長度。
往返時延RTT
?互聯網上的信息不僅僅單方向傳輸，而是雙向互交的。因此，有時很需要知道雙向交互一次所需的時間。往返時間表示從發送方發送數據開始，到發送發收到來自接收方的確認，總共經歷的時間。在互聯網中，往返時間包括往返傳播時延、各中間結點的處理時延、排隊時延以及轉發數據時的發送時延。
利用率
2.計算機網絡的非性能特征
?費用、質量、標準化、可靠性、可擴展性和可升級性、易于管理和維護
總結
1.7計算機網絡的體系結構
1.體系結構的形成
?由于每個公司推出的體系結構各不相同，不同公司的設備很難互相連通。為了使不同體系結構的計算機網絡能夠互連，國際標準化組織IOS于1977年成立專門機構研究問題。提出了開放系統互連基本參考模型OSI/RM，簡稱OSI。
?OSI只獲得了一些理論成果，在市場化方面卻失敗了。原因包括：
①OSI的專家們在完成OSI標準時沒有商業驅動力；
②OSI的協議實現起來過分復雜，且運行效率很低；
③OSI標準的制定周期太長，因而使得按OSI標準生產的設備無法及時進入市場；
④OSI的層次劃分不太合理，有些功能在多個層次中重復出現；
非國際標準TCP/IP卻獲得了最廣泛的應用。常被稱為事實上的國際標準。
2.協議與劃分層次
協議
?網絡協議，簡稱為協議，是為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定。
?三個組成要素：語法：數據與控制信息的結構或格式，解決交換信息的格式問題
????????語義：需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應，解決做什么問題
????????同步：事件實現順序的詳細說明，解決先做什么后做什么
?兩種形式：文字描述、程序代碼
?計算機網絡體系為什么要分層：計算機網絡是個非常復雜的系統。相互通信的兩個計算機必須高度協調工作才行，而這種“協調”是相當復雜的。“分層”可將龐大而復雜的問題，轉化為若干較小的局部問題，而這些較小的問題就比較易于研究和處理。按功能進行抽象分層，定義層間接口和提供什么服務，層間如何調用服務，對等層間的必須遵循的規則(協議)。
?分層的優點：各層之間是獨立的，靈活性好，結構上可分隔開，易于實現和維護，能促進標準化工作。
?分層的缺點：降低效率，有些功能會在不同的層次中重復出現，因而產生了額外開銷。
?層數太少，就會使每一層的協議太復雜。太多，又會在描述和綜合各層功能的系統工程任務時遇到較多的困難
3.具有五層協議的體系結構
?計算機網絡的體系結構是計算機網絡的各層及其協議的集合。體系結構就是這個計算機網絡及其部件所應完成的功能的精確定義。實現是遵循這種體系結構的前提下用何種硬件或軟件實現這些功能的問題。體系結構是抽象的，而實現則是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件。
?OSI的七層協議體系結構的概念清除，理論也較完整，但它既復雜又不實用。
?TCP/IP是四層體系結構：應用層、運輸層、網際層和網絡接口層。但最下面的網絡接口層沒有具體內容
?因此往往采用折中的辦法，即綜合OSI和TCP/IP的優點，采用一種只有五層協議的體系結構。
?OSI參考模型把對等層之間傳送的數據稱為該層的協議數據單元PDU，該名次目前已被眾多標準采用。任何兩個同樣的層次把數據(即數據單元加上控制信息)通過水平虛線直接傳遞給對方，這就是所謂的“對等層”之間的通信。各層協議實際上就是在各個對等層之間傳遞數據時的各項規定。
4.實體、協議、服務和服務訪問點
?實體表示任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程
?協議是控制兩個對等實體進行通信的規則的集合
?在協議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務
?要實現本層協議，還需要使用下層所提供的服務
協議和服務在概念上是不一樣的
?①協議的實現保證了能夠向上一次提供服務。
?②本層的服務用戶只能看見服務而無法看見下面的協議。即下面的協議對上面的服務是透明的。
?③協議是"水平的"，即協議是控制對等實體之間通信的規則。
?④服務是“垂直的”，即服務是由下層向上層通過層間接口提供的。
?⑤上層使用服務原語獲得下層所提供的服務。
服務原語
?服務在形式上由一組接口原語來描述的。上層實體向下層實體請求服務時，服務提供者和服務用戶間需要交互一些必要的信息，以說明要求服務的一些情況，這些信息即服務原語。
服務訪問點
?同一系統相鄰兩層的實體進行交互的地方，稱為"服務訪問點SAP"。
?服務訪問點SAP是一個抽象的概念，它實際上就是一個邏輯接口(下層服務的入口)。
?服務訪問點規定了上層如何調用下層提供的服務：服務的名字？參數是什么？
??協議很復雜：協議必須把所有不利的條件事先都估計到，而不能假定一切都是正常和非常理想的。看一個計算機網絡協議是否正確，不能光看在正常情況下是否正確，還必須非常仔細地檢查這個協議能否應付各種異常情況。
5.TCP/IP的體系結構
總結
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