计算机网络——第1章 概述_上下层次之间传送的数据单

第 1 章 概述

基本概念

1. “三网融合”：电信网络、有线电视网络、计算机网络

2. 互联网的两个重要基本特点：连通性、共享

3. 计算机网络（简称为网络）由若干节点（包括PC、Hub、Switch、Router）和连接这些节点的链路组成

   一个一个的网络可以通过一些路由器相互连接起来，构成一个范围更大的计算机网络，称为互连网

4. 网络连接许多计算机，互连网把许多网络通过一些路由器进行连接

5. 互联网基础结构发展的三个阶段

   • 第一阶段：ARPANET向互连网发展，TCP/IP协议初步成型

   • 第二阶段：建成了三级结构的互联网——主干网、地区网、校园/企业网

   • 第三阶段：全球范围的多层次ISP结构的互联网逐渐形成，首次出现ISP

6. 互联网交换点IXP，允许两个网络直接相连并交换分组，常采用工作在数据链路层的交换机

互联网的组成

互联网总体上可以划分为边缘部分、核心部分两大块

边缘部分

1. 边缘部分由所有连接互联网的主机组成，用户直接使用，主要用来进行通信和资源共享

2. 连接在互联网上的主机又称为端系统，端系统小到智能手机、大到服务器

3. 计算机之间的通信实际上是两台主机上的两个进程进行的通信

4. 端系统之间的通信方式

   • 客户端/服务器方式（C/S）

     需要通信的两个进程，分为客户端和服务器，客户端发起请求以请求服务，服务器响应请求以提供服务

     其中，客户端必须指导服务器程序的地址。在客户端和服务器建立通信关系后，双方均可发送和接受数据，进行双向通信

   • 对等连接方式（P2P）

     两台主机通过P2P方式通信时，不区分谁是服务请求方、谁是服务提供方。换一个角度说，P2P连接中的双方都既是客户端又是服务器

核心部分

核心部分向边缘部分中的主机提供连通性。路由器在网络核心部分发挥重要的特殊作用，是实现分组交换的关键构件

几种交换方式

电路交换

电路交换是面向连接的，最多用于电话的连接。

电话两两直接相连，明显是不合理的，在电话机增多时，需要用到程控交换机，各程控交换机彼此连接以完成整个电信网的交换任务

电话机先拨号请求建立连接，对方接起后，双方就建立起了一条专用的物理通路，这条通路被双方独占，也就是说，在双方通信时其他用户不能使用这条通路

由于计算机数据是突发地进行传输，线路实际传输数据的时间占比很小，用这种电路交换的方式显然很浪费

报文交换

报文交换是基于存储转发原理的，传输的单位是整一块数据（称为报文），根据各“中转节点”的转发表转发，逐个路由器到达目的地

节点接收到一个报文后，将其全部存储下来，然后查找转发表，转发到下个节点

分组交换

分组交换就是将要传输的报文分成一个个较小的等长数据段，并在每个数据段前加上一些额外的信息（称为首部/包头）构成分组（也称为包），以分组为单位传输数据

需要注意的是，同一个报文被分成的各个分组可以沿不同路径到达目的地

通过分组交换，可以实现

• 在传输中动态分配带宽，对链路逐段占用

• 可为每个分组独立选择合适的转发路由

• 传输前无需先建立连接

• 可使用保证可靠性的网络协议，网络生存性强

由上图对比可知

1. 电路交换可以保证长时间的连接，适用于需要连续传输大量数据、且传输时间远大于连接建立时间的场合

2. 报文交换与分组交换无需预先建立连接，即无需提前分配链路和带宽，适用于传送突发数据，可以提高整个网络的信道利用率

3. 分组交换得益于报文的分割，小分组的交换会比整个报文交换时延更小，灵活性也更高

计算机网络的分类

按网络作用范围分

以下类别作用范围从大到小

1. 广域网WAN：也称远程网，是互联网的核心部分，用于长距离传送数据

2. 城域网MAN：用于互连多个局域网，一般作用于一个城市

3. 局域网LAN：地理上局限在较小范围，例如一个学校、一个企业

4. 个人区域网PAN：将属于个人的设备用无线技术连接起来的网络

按使用者分

1. 公用网：也称为公众网，大型网络，交费就能使用

2. 专用网：某个部门为满足特殊业务工作而建造的网络，不向本单位以外的人提供服务

接入网

接入网AN，也称为本地接入网/居民接入网，一般为本地ISP所拥有，它既不是核心部分，也不是边缘部分

接入网由某端系统连接到本地ISP的第一个路由器之间的一些物理链路组成

计算机网络的性能

性能指标

1. 速率

   即数据的传送速率，往往指的是额定或标称速率，并不是实际运行的速率

2. 带宽

   原指某个信号具有的频带宽度（单位是赫兹），但在计算机网络中指的是单位时间内网络中某信道所能通过的最高数据率

3. 吞吐量

   表示单位时间内通过某个网络的实际数据量

4. 时延

   也称为延迟、迟延，网络中的时延可以分为几个不同部分。需要注意的是，对于高速网络链路，提高的是数据的发送速率而不是在链路上的传播速率

   总时延是下面四种时延的总合

   • 发送时延（也称传输时延）

     主机或路由器发送数据帧所需要的时间，即从发送第一个bit开始一直到最后一个bit发送完成所需的时间

     $$发送时延=\frac{数据帧长度(bit)}{发送速率(bit/s)}$$

     此处需要注意分组交换发送时延的计算

     例如，要传送的分组数量为y个，分组的长度为p bit，链路段数为k段，数据率为b bit/s

     很显然，每个分组发送所需要的时间为$p/b$

     由于分组交换是按分组转发的，各分组在整个网络中可以沿不同路径并行传送，可以类比为CPU流水线的工作流程

     

     $$分组转发发送时延=单个分组发送时间\times (链路数量+分组数量-1)$$

• 传播时延

  电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间

  $$传播时延=\frac{信道长度(m)}{电磁波在该信道上的传播速率(m/s)}$$

• 处理时延

  主机或路由器在收到分组后进行处理的时间

• 排队时延

  分组进入路由器后在输入队列中排队需要的时间，以及分组被处理完后在输出队列中的排队时间

5. 时延带宽积

   $$时延带宽积=传播时延\times 带宽$$

   对于一定长度、介质固定的一条链路，其传播时延可以认为是固定的，将其乘上带宽，就可以得到这一条链路的时延带宽积

   例如时延带宽积为20万，当发送端连续地发送了一段时间的数据后，在发送的第一个bit到达终点的前一刻，发送端就已经发出了20万个bit，也就是此时链路上存在着20万个bit，这20万个bit已经从发送端发出，但还未到达接收端

6. 往返时延RTT

   往返时延的意义：发送发至少需要经过多少时间，才能知道自己发送的数据是否被对方接收。RTT的具体值一般是直接给出的，用它可以计算有效数据率

   $$有效数据率=\frac{数据长度}{发送时间+RTT}$$

7. 利用率

   利用率分为信道利用率与网络利用率，信道利用率指的是某信道有百分之几的时间是被使用的；网络利用率是全网信道利用率的加权平均值

   利用率增大时，网络中的时延也会增大，大致满足下面的公式，其中$D$为网络当前时延、$D_0$为网络空闲时时延、$U$为当前的网络利用率

   $$D=\frac{D_0}{1-U}$$

非性能指标

网络还有几个非性能指标：费用、质量、标准化、可靠性、可扩展与可升级性、易于管理与维护

计算机网络的体系结构

1. 计算机网络中从最初就提出了“分层”的思想，用以解决整个问题。在发展过程中，出现了好几种分层的标准

   • OSI/RM（简称OSI），七层协议体系结构，是法律上的国际标准

   • TCP/IP，四层协议体系结构，非国际标准，但用的最多，已成为事实上的国际标准

2. 网络协议的三要素：语法、语义、同步

3. 在实际应用的感受中，各层似乎是沿下图虚线进行“对等”通信的，下面的层次为上面的层次提供服务，这使得下面的层次的协议对上面层次透明

   上下层次之间通过交换服务原语进行通信

   由此可知，协议是水平的，服务是垂直的

4. 在同一系统中相邻两层交换信息的连接点，称为服务访问点SAP

5. OSI七层体系结构虽然定义完整，但由于过于繁杂，实际不使用；TCP/IP最底下的链路层没有实际协议

6. 在OSI参考模型中，将对等层次之间传送的数据单元称为该层的协议数据单元PDU（Protocol Data Unit），将层与层之间交换数据的单位称为服务数据单元SDU（Service Data Unit）

五层体系结构

应用层

应用层的协议很多（例如FTP、HTTP、FTP、SMTP、DNS、Telnet），应用层交互的数据单元称为报文

运输层

为两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务，即与具体应用无关。该层主要有TCP、UDP两个协议

• TCP：提供可靠连接（会重传数据），数据传输的单位是报文段

• UDP：不保证可靠性，数据传输的单位是用户数据报

网络层

为不同主机提供通信服务，分组在本层中称为IP数据报，本层要完成两个任务

• 通过一定算法，在每个路由器上生成一个转发表

• 路由器在接收到一个分组后，按照转发表进行转发

本层使用的协议是：无连接的网际协议IP和多种路由选择协议

数据链路层

也可简称为链路层，本层将网络层交下来的IP数据包组装成帧，网络上的两个相邻节点间传送的是帧，其中除了要传输的数据外，还包括了控制信息（同步信息、地址信息、差错控制等）

物理层

本层传送数据的单元是比特，本层需要考虑用多大的电压代表1和0，确定线缆插头的线数，确定线缆所用的物理介质

TCP/IP体系结构

上面已经给出了TCP/IP四层结构的示意图，下图是路由器转发分组时涉及的层次

需要注意的是，随着技术的深入发展，实际上的TCP/IP层次已经演变成下图所示，也就是说，有些应用程序可以直接使用IP层甚至直接使用最下面的链路层

另外，TCP/IP协议簇还可以使用下图的形式表示，各层中列出了各自的协议。可以发现，网络越核心的部分越简单，复杂的东西交由网络的边缘部分实现，这符合设计理念

数据传输举例

事实上包的封装就是不断给分组加首部的过程，解封就是取下本层需要的首部信息后将分组继续往上传递

从上图中可以发现，路由器工作在第3层（网络层），会将分组一直解封，直到得到IP数据报的首部，在转发前又会从IP数据报的首部开始封装；而交换机工作在第2层（数据链路层）