计算机网络与通信之必须掌握的基础知识详解_第三代:具有标准化网络体系结构的计算机网络。准是什么

计算机的学习，无论是从上到下（软件开发），还是从下到上（配置入手），迟早都会遇到TCP/IP、应用层、网络安全、认证、操作系统，数据库、计算机原理。

如果从这个角度来看，计算机网络只是极小的一个分支，但是恰恰是这个极小的分支，扮演者极其重要的角色，因为没有它的正常工作，计算机将成为一个个信息孤岛！

因此,计算机网络这块是非常重要的内容,于是我打算花点时间好好地整理一下这块的内容,我将分为几篇文章来讲解,这是第一篇,开胃小菜:

1. 计算机网络的发展及其定义
2. 因特网(internet)概述
3. 网络结构与分类
4. 网络的性能指标

1. 计算机网络的发展及其定义

计算机网络是计算机技术和通信技术密切结合的产物。计算机网络发展过程大致可分为四个阶段:

• 第一代:网络雏形(20世纪50年代):中心计算机-终端
• 第二代:初级网络(20世纪60年代):计算机-计算机
  前两代也称为计算机网络形成阶段。
• 第三代:开放、标准化(20世纪70-80年代):网络体系结构
• 第四代:Internet时代(20世纪90年代至今): 趋于高速大容量、多媒体、万物互联

第一代：网络雏形(20世纪50年代):计算机通信网

20世纪50年代初，美国半自动地面防空系统(SAGE)的研究开始了计算机技术与通信技术相结合的尝试

广义观点的网络定义：以传输信息为主要目的、用通信线路将多个计算（终端）连接起来的计算机系统的集合。（计算机通信网）

第二代：初级网络(20世纪60年代):ARPAnet

20世纪60年代，ARPANET与分组交换技术的研究与发展。1969年，美国ARPAnet网络被公认为世界上第一个网络，同时也是Internet的前身。

公认的的计算机网络定义：计算机网络是利用通信设备和线路将分布在地理位置不同的、具有独立功能的多个计算机系统连接起来，在功能完善的网络软件（网络通信协议及网络操作系统等）的控制下，进行数据通信，实现资源共享、互操作和协同工作的系统。

在这种系统中，终端和中心计算机之间的通信已发展到计算机与计算机之间的通信。这里的多台计算机都具有自主处理能力，它们之间不存在主从关系:

电话系统和分布式网络拓扑模型对比

a.电话系统

• 笨终端
• 信息（数据）流
• 电路交换
• 星形拓扑

b.网络系统

• 智能终端
• 信息（数据）块
• 分组交换
• 网状拓扑

第三代：开放、标准化 (20世纪70-80年代)

• 1970年代的计算机网络
  X.25 分组交换网：各国的电信部门建设运行
  各种专用的网络体系结构：SNA，DNA

• 1980年代的计算机网络
  标准化计算机网络体系结构：OSI/RM、TCP/IP
  局域网络 LAN 技术空前发展：IEEE802
  建成NSFNET，Internet 初具规模

用户透明性观点的网络定义：存在着一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，由它调用完成用户任务所需要的资源，而整个网络像一个大的计算机系统一样对用户是透明的。（计算机分布式系统）

第四代：Internet时代(20世纪90年代至今)

• 1990年代的计算机网络
  Internet空前发展
  Web技术在Internet/Intranet 得到广泛应用

• 21世纪的计算机网络
  网络计算技术的研究与发展
  移动技术发展迅速
  宽带城域网与接入网技术的研究与发展
  网络与信息安全技术的研究与发展
  下一代互联网internet2研究受到普遍重视
  万物互联

2. 因特网(internet)概述

1. 网络的网络
2. Internet边缘部分
3. Internet核心部分
4. Internet的结构与管理
5. Internet的发展趋势

网络的网络

• 网络把许多计算机连接在一起。
• 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。

• 计算机网络 (简称为网络，network)
  由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。

• 互联网 (internet)
  以小写字母 “i” 开始的 internet是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互联（不管采用什么协议）并能够相互通信，从而构成的“网络的网络”(network of networks)。

• 全球互联网或因特网 (Internet)
  以大写字母 “I” 开始的的 Internet（全球互联网或因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET。

当使用一朵“云”来表示网络时，可能会有两种不同的情况：

1. 云表示的网络已经包含了和网络相连的计算机。
2. 云表示的网络里面就只剩下许多路由器和连接这些路由器的链路，把有关的计算机画在云的外面。习惯上，与网络相连的计算机常称为主机 (host)。主机可以是计算机，也可以是智能手机等智能终端。
   

因特网的组成

从因特网的工作方式上看，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。
2. 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）。

Internet边缘部分

处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统 (end system)。

端系统在功能上可能有很大的差别:

• 小的端系统可以是一台普通个人电脑，具有上网功能的智能手机，甚至是一个很小的网络摄像头。
• 大的端系统则可以是一台非常昂贵的大型计算机。
• 端系统的拥有者可以是个人，也可以是单位。

端系统之间的两种通信方式

端系统之间通信的含义：“主机 A 和主机 B 进行通信”实际上是指：“运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信”。简称为“计算机之间通信”。

端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：

• 客户服务器方式（C/S 方式）
  即 Client/Server 方式，简称为 C/S 方式。
  
• 对等方式（P2P 方式）
  即 Peer-to-Peer 方式 ，简称为 P2P 方式。
  

Internet核心部分

互联网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器(Router)组成。路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘部分的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。

网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。

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，这是网络核心部分最重要的功能。

说到分组交换,就不得不提到电路交换:

电路交换

传统电话系统使用电路交换，每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。所采用的交换方式就是电路交换 。

这里的“交换”(switching)的含义就是转接 —— 把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。

从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

主要特点

电路交换必定是面向连接的。

通信过程必须分为三个阶段：

1. 建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用；
2. 通信：主叫和被叫双方就能互相通电话；
3. 释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路（释放刚才占用的所有通信资源）。

电路交换举例

电路交换的用户始终占用端到端的通信资源

缺点

• 计算机数据具有突发性。
• 这导致在传送计算机数据时，通信线路的利用率很低（用来传送数据的时间往往不到10%甚至1% ）。

分组交换

主要特点

• 分组交换则采用存储转发技术。
• 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。
  

添加首部构成分组

• 每一个数据段前面添加上首部构成分组(packet)。
  

传输单元

• 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。
• 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。

分组首部的重要性

• 每一个分组的首部都含有地址（诸如目的地址和源地址）等控制信息。
• 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
• 每个分组在互联网中独立地选择传输路径。
• 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。

收到分组后剥去首部并恢复成为原来的报文

接收端收到分组后剥去首部还原成报文,最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。

路由器

在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。

路由器处理分组的过程是：

• 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
• 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
• 把分组送到适当的端口转发出去。

优点

分组交换带来的问题

• 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
• 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

三种交换的比较

• 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。
• 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。
• 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。

Internet的结构与管理

1983 年， TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议，使得所有使TCP/IP 协议的计算机都能利用互连网相互通信。人们把 1983 年作为互联网的诞生时间。

经过几十年的发展，逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。出现了互联网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。任何机构和个人只要向某个 ISP 交纳规定的费用，就可从该 ISP 获取所需 IP 地址的使用权，并可通过该 ISP 接入到互联网。根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的 IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同层次的 ISP：主干 ISP、地区 ISP 和 本地 ISP。

基于 ISP 的多层结构的因特网

互联网的标准化工作

互联网的标准化工作对互联网的发展起到了非常重要的作用。

成为互联网正式标准要经过三个阶段

所有互联网标准都以 RFC 的形式在互联网上发表。

• 互联网草案 (Internet Draft) ——有效期只有六个月。在这个阶段还不是 RFC 文档。
• 建议标准 (Proposed Standard) ——从这个阶段开始就成为 RFC 文档。
• 互联网标准 (Internet Standard) ——达到正式标准后，每个标准就分配到一个编号 STD xxxx。 一个标准可以和多个 RFC 文档关联。

Internet的发展趋势

从60年代单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。1983 年， TCP/IP 协议成为 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相互通信。

人们把 1983 年作为互联网的诞生时间。

自从 20 世纪 90 年代以后，随着万维网 WWW 的问世， Internet 得到了飞速的发展。

3. 网络结构与分类

1. 网络结构和拓扑类型
2. 网络的分类

网络结构和拓扑类型

拓扑（Topology）是一种研究与大小形状无关的点、线、面特点的方法。

• 网络拓扑是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体间的结构关系;
• 计算机网络拓扑主要是指网络核心部分（也叫通信子网）的拓扑构型;

拓扑设计对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。

常见的网络物理结构

常用网络拓扑类型

• 总线型：结构简单成本低，扩充性好；可靠性高。
• 星型：建网容易，扩充性好，易于集中控制；如果中央结点出现故障，则导致整个网络瘫痪。
• 环型：建网容易，数据传送延时确定，但网络的可靠性较差。
• 树型：适用于各种管理部门需要进行分级数据传送的场合。其优点是连接容易，管理简单，维护方便。缺点是共享能力差，可靠性低。
• 网状型：具有较高的可靠性，但其实现起来费用高、结构复杂、不易管理和维护。

点对点通信和广播通信

前面五种拓扑类型又可以分为点对点通信（Point-to-Point）和广播通信（Broadcast）两种通信（信道）类型:

1. 点对点信道：特点是一条线路连接一对结点。两台主机常常经过几个结点相连接，信息传输采用存储转发方式。由这种信道构成的通信子网，其网络拓扑结构通常为网状拓扑类型。
2. 广播信道：特点是只有一条供诸结点共享的通信信道。任一结点所发出的信息报文可被所有其他结点接收，当然对信道需要有一定的访问控制机制。由这种信道构成的通信子网拓扑结构有星形、总线型和环形等。

网络的分类

1. 根据网络覆盖范围进行分类

• 局域网（LAN，Local Area Network）覆盖的地理范围有限（如一幢大楼、一个校园等）。提供高数据传输速率（10Mbps～10Gbps）、低误码率的数据传输环境；一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展；
• 城域网（MAN，Metropolitan Area Network）城域网是介于广域网与局域网之间的一种高速网络
• 广域网（WAN，Wide Area Network）覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。通信子网主要使用分组交换技术；它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。
• 个人区域网 (PAN，Personal Area Network) ：范围很小，大约在 几十米左右。

2. 按照网络的传输介质可以将计算机网络划分为：

• 有线网络
• 无线网络

3. 按照网络的通信技术可以将计算机网络划分为：

• 广播网络
• 点到点网络

4. 按照网络的使用者可以将计算机网络划分为：

• 公用网 (public network) 按规定交纳费用的人都可以使用的网络。
• 专用网 (private network) 为特殊业务工作的需要而建造的网络。

4. 网络的性能指标

计算机网络的几个重要的性能指标包括：

• 速率
• 带宽
• 吞吐率
• 时延
• 往返时间 RTT
• 利用率

速率

比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。

比特（bit）来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。

速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率 (data rate)或比特率 (bit rate)。

速率的单位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s 等。例如 4 * 10^10 bit/s 的数据率就记为 40 Gbit/s。

带宽

带宽有两种不同的意义：

• “带宽”(bandwidth) 本来是指信号具有的频带宽度，其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
• 在计算机网络中，带宽用来表示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”。单位是 bit/s ，即 “比特每秒”。

在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄

吞吐率

吞吐量 (throughput) 表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

吞吐量更经常地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数据量能够通过网络。

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

时延

时延 (delay 或 latency) 是指数据（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。有时也称为延迟或迟延。

网络中的时延由以下几个不同的部分组成：

1. 发送时延
2. 传播时延
3. 处理时延
4. 排队时延

数据在网络中经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和:

另外,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。

发送时延

发送时延（也称传输时延）,表示发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。

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。

传播时延

传播时延指电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

发送时延与传播时延有本质上的不同,信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。:

处理时延

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

排队时延是分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。

排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

往返时间 RTT

互联网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互的。因此，有时很需要知道双向交互一次所需的时间。

往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。

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。

当使用卫星通信时，往返时间 RTT 相对较长，是很重要的一个性能指标。

利用率

分为信道利用率和网络利用率:

• 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。
• 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。

信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

时延与网络利用率的关系

当信道的利用率增大时，该信道引起的时延迅速增加。