《计算机网络》第一章：基础知识Part I

一.计算机网络在信息时代的作用

1.21 世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。
2.网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。
3.这里的网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。
4.发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。

二.计算机网络与因特网

2.1什么是计算机网络？

计算机网络是用通信线路将分散在不同地点并具有独立功能的多台计算机互相连接，按照网络协议进行数据通信，实现资源共享的信息系统。(出发点：网络协议)

2.2计算机网络向用户提供的最重要的功能

2.2.1.连通性——计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。
2.2.2.共享——即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。

2.3.网络与因特网

2.3.1.网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。
2.3.2.互联网(Internet)是“网络的网络”(network of networks)。
2.3.3.连接在因特网上的计算机都称为主机(host)。
2.3.4.起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网

2.3.5.网络把许多计算机连接在一起。
2.3.6.因特网则把许多网络连接在一起
#请注意名词“结点”
1.“结点”的英文名词是node。
2.虽然node 有时也可译为“节点”，但这是指像天线上的驻波的节点，这种节点很像竹竿上的“节”。
3.在网络中的node 的标准译名是“结点”而不是“节点”。
4.但数据结构的树(tree)中的node 应当译为“节点”。

2.4.“internet”和“Internet”的区别

2.4.1.以小写字母i 开始的internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。
2.4.2.以大写字母I开始的的Internet（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。

三.计算机网络的发展历史

3.1 50年代初，批处理方式——计算机与通信没有任何联系。

1946年，世界上第一台计算机问世。在此后的10年里，计算机与远程通信并没有什么关系，当时的用户必须在计算机房里使用计算机进行科学计算。

3.2 50年代后期，具有通信功能的单机系统——以主机为中心

优点：减轻了远程用户来往路途上的时间；
缺点：
1：主机负荷过重；既要数据处理，又要完成通信控制。
2：线路的利用率比较低，特别是在终端速率比较低时更严重。

3.3 60年代初，使用通信控制处理机和集中器的通信系统

3.4 1970年代的计算机网络

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
Internet 的前身ARPANET进行实验运行
——美国国防部高级研究计划局研制ARPANET
#新要求：计算机系统之间的通信
1. 提出并实现了分组交换(包交换)的数据交换形式；
2. 采用层次化的网络体系结构模型；
3. 提出了通信子网和资源子网两级子网概念等；

3.5 1980年代的计算机网络

3.5.1.标准化计算机网络体系结构：OSI(开放系统互连)
3.5.2.建成NSFNET,主要用于大学的研究。
3.5.3.1983 年TCP/IP 协议成为ARPANET 上的标准协议, 人们把1983 年作为因特网的诞生时间。
3.5.4.Internet初具规模

3.6 1990年代的计算机网络

3.6.1.出现了Internet服务提供商ISP(Internet Service Provider)。
3.6.2.因特网的迅猛发展始于20 世纪90 年代。由欧洲原子核研究组织CERN 开发的万维网WWW(World Wide Web, 主要用于浏览网页)被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。

3.7 2000年代的计算机网络

3.7.1.Internet的使用方式发生了根本变化，如社会网络（QQ, facebook）和微博腾空而起。
3.7.2.IPv6网络快速发展(128位地址)
3.7.3.移动技术发展迅速
3.7.4.下一代互联网研究受到普遍重视

四.用户通过ISP上网

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 也分成为不同的层次。

五.Internet在中国的发展(2009)

1.2009年底，中国网民人数达到3.84亿，比1997年增长了618倍，年均增长3,195万人，互联网普及率达到28.9%，超过世界平均水平。
2.中国境内网站达323万个，比1997年增长了2,152倍。
3.中国拥有IPv4地址约2.3亿个，已成为世界第二大IPv4地址拥有国。
4.中国使用宽带上网的网民达到3.46亿人，使用手机上网的网民达到2.33亿人。

5.1 中国手机用户概况

1.2012.3用户总数已达10亿
2.2011.5用户总数已达9亿
3.2010年3.03亿用户使用手机上网，较2009年增加了2.3亿。
4.2010年新增3G用户数3.47亿，2011年第1季度新增3G用户数1.35亿
5.2010年购买智能手机6200万部

5.2 与网络有关的工业界

1.电话公司–拥有传输线路和接入线路，大量的客户
2.有线电视公司–拥有接入线路
3.无线/卫星公司–通讯线路
4.媒体公司–可以提供内容
5.ISP，Internet服务提供商
6.设备制造商–交换机/路由器，芯片，光纤，计算机

六.因特网的组成

6.1 因特网的边缘部分与核心部分

6.2 因特网的边缘部分

（1）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)。
（2）“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”。
（3）即“主机A 的某个进程和主机B 上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信”

6.3 两种通信方式

在网络边缘的端系统中运行的程序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）、对等方式（P2P 方式）
6.3.1 客户服务器方式（C/S 方式）即Client/Server方式
客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。
客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
例：客户A 向服务器B 发出请求服务，而服务器B 向客户A 提供服务。

6.3.1.1.客户软件的特点
1.被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。
2.不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。
6.3.1.2.服务器软件的特点
1.一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
2.系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。
3.一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。
6.3.2 对等方式（P2P 方式）即Peer-to-Peer方式
1.对等连接(peer-to-peer，简写为P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。
2.只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P 软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。
3.双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。
6.3.2.1 对等连接方式的特点
1.对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。
2.例如主机C 请求D 的服务时，C 是客户，D 是服务器。但如果C 又同时向F提供服务，那么C 又同时起着服务器的作用。

6.3 因特网的核心部分

1.网络核心部分是因特网中最复杂的部分。
2.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）。
3.在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。
4.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。
6.3.1 路由器的重要任务
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。
1.电路交换的主要特点
两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。

5 部电话机两两相连，需10 对电线。

N 部电话机两两相连，需N(N–1)/2 对电线。
当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。
当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。
2.使用交换机
当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。

3.“交换”的含义
在这里，“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。
4.电路交换的特点
电路交换必定是面向连接的。
电路交换的三个阶段：建立连接–通信–释放连接
5.电路交换举例
A 和B 通话经过四个交换机，通话在A 到B 的连接上进行

C 和D 通话只经过一个本地交换机，通话在C 到D 的连接上进行

6.电路交换传送计算机数据效率低
计算机数据具有突发性。这导致通信线路的利用率很低。
6.3.2 分组交换的主要特点
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。

1.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。

2.分组交换的传输单元
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）。

3.分组首部的重要性
每一个分组的首部都含有地址等控制信息。
分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。
4.收到分组后剥去首部
接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
收到的数据

5.最后还原成原来的报文
最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。

这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。

6.分组交换网的示意图

6.4 路由器

在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。
1.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。
2.主机和路由器的作用不同
主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。
路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。
3.分组交换的优点
高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
灵活以分组为传送单位和查找路由。
迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组。
可靠保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。
4.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。
#存储转发原理并非完全新的概念
在20 世纪40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。
报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。
5.三种交换的比较

七.计算机网络的分类

依据拓扑结构：星型网、树型网、总线型网、环型网、网状网等
依据使用范围：公用网、专用网
依据信息交换方式：电路交换网、分组交换网及综合交换网
依据通信方式：双绞线网、同轴电缆网、光纤网、无线网及卫星网等
依据传输技术：广播式网络、点到点网络
依据网络规模：个域网、局域网、城域网、广域网、互联网
例：网络的拓扑结构

八.计算机网络的性能

8.1 速率

主机在数字信道上传送数据的速率
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。
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。
速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是b/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等
速率往往是指额定速率或标称速率

8.2 带宽

“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
现在“带宽”是数字信道所能传送数据的能力，即“最高数据率”，单位是“比特每秒”，或b/s (bit/s)。
更常用的带宽单位是
–千比每秒，即kb/s （210=1024 b/s）
–兆比每秒，即Mb/s（220b/s）
–吉比每秒，即Gb/s（230b/s）
–太比每秒，即Tb/s（240b/s）

8.3 数字信号流随时间的变化

在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄

8.4 吞吐量

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。

8.4. 时延(delay 或latency)

传输时延（发送时延）发送数据时，数据块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：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。

处理时延交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
排队时延结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。
接入时延与所用的MAC协议有关
数据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：
总时延= 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延+接入时延

8.5 不同时延所产生的地方（有线）

从结点A 向结点B 发送数据

容易产生的错误概念
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。
提高链路带宽减小了数据的发送时延。

8.6 时延带宽积

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

8.7 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。

8.8 时延与网络利用率的关系

根据排队论的理论，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。
若令D0 表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示D 和D0之间的关系

U 是网络的利用率，数值在0 到1 之间