第1章 计算机网络的概述——计算机网络
文章目录
1.1对网络的基本认识
计算机网络的定义：一些相互连接的、自治的计算机的集合，以实现数据的交换与资源的共享。
几点说明：
- 自治，指独立的计算机，有自己的软件与硬件，可以独立运行；
- 相互连接，计算机之间能够进行通信或者交换信息；
- 最简单的计算机网络，两台计算机；
- 联网的基本牧师是共享资源与交换数据。
注意：计算机网络与通信网络不是同一个概念。
1.2Internet的概述
互联网是网络的网络，它也是生态的网络。
因特网的前身是ARPANET——开始连接几个高校。
ARPANET采用了TCP/IP协议
1990年以后，ARPANET关闭，并入到NSFNET，进一步连接至CSNET，Eunet等网络，主键形成了现在的Internet。
用户通过ISP接入到Internet
学校的网络中心作为ISP通常不能直接访问Internet，还需要有上一级的ISP。
Internet Society 负责制定Internet的标准制定。
RFC草案文件格式
1.3Internet的组成
Internet 的组成：边缘部分 核心部分
边缘系统：资源
核心部分：由大量的网络设备组成——通信子网
边缘：
- 客户/服务器（C/S）方式
- 对等连接（peer to peer）（p2p）
核心：
基本问题：如何穿过网络将数据传送到目的端系统？
两种思路：
- 电路交换（circuit switching）:电话网
- 分组交换：计算机网络
“交换”的含义是：
- 转接–把一条电话线转接到另一条电话线，是它们连通起来。
- 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。
电路交换的缺点：传送计算机数据效率低。
- 电路交换建立的电路为通信双方独占。
- 计算机数据具有突发性。
分组交换：
1.数据包
2.存储转发
1.4计算机网络的类别
网络的分类标准：
- 覆盖范围
- 作用范围
按照覆盖范围：
LAN（局域网）：
局域网的特点：
相对来说，覆盖的地理范围比较小
个人局域网络（简称PAN）
体域网（简称BAN）
物联网
城域网（简称MAN）
WAN（广域网）：
广域网对的特点:
覆盖的范围较大，不仅仅是在局域网的基础上范围增大，还有协议的变化。
1.5计算机网络的性能
网络最基本的指标：
-
速率
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（bps），或kb/s,Mb/s,Gb/s等。
网络速率：标准速率 额定速率 -
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）。
在计算机网络中“带宽‘是数字信道所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的”最高数据率“。单位为“比特每秒”，记为bit/s -
吞吐量
吞吐量（throughput）/吞吐量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要的时间。时延有时也称为延迟或迟延。
时延分为：
（1）发送时延
发送时延是主机或路由器将分组发送到通信线路上所需要的时间（从发送分组的第一个比特起，到该分组的最后一个比特发送到线路上所需要的时间），也被称为传输时延。计算公式：
发送时延 = 分组时延/发送速率
（2）传播时延
传播时延是电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。传播时延的计算公式是：
传播时延 = 信道长度/电磁波在信道上的传播速率
（3）处理时延
主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，因此而花费对的时间称为处理时延。
（4）排队时延
分组在进行网络传输时，要经过许多的路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中队列等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。 -
丢包率
丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，分组在传输过程中丢失的分组数量与总的分组数据的比率。 -
利用率
利用率有信道利用率和网络利用率两种。
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）。
1.6计算机网络体系结构
1.6.1网络协议
定义：
明确规定了所交换的数据格式和时序，以及 在发送或接受数据时要采取的动作等问题，为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议（Network Protocol），网络协议简称为协议。
网络协议三要素：
- 语法
即数据与控制信息的结构或格式。 - 语义
即各个控制信息的具体含义，包括需要发出何种控制信息，完成何种动作及作出何种响应。 - 同步（或时序）
即事件实现顺序和时间的详细说明，包括数据应该在何时发送出去，以及数据应该以什么速率发送。
1.6.2 层次模型与计算机网络体系结构
计算机网络的体系结构：
是指这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。
强调：体系结构是抽象的，而实现是具体的，是真正运行的计算机硬件和软件。
按层次设计计算机网络的体系结构的好处：
-
各层之间是独立的
某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口（即界面）所提供的服务。 -
灵活性好
当任何一层发生变化时（如由于技术的变化），只要层间接口关系保持不变，则在该层以上或以下各层均不受影响。 -
结构上可分割开
各层都可以采用最合适的技术来实现。 -
易于实现和维护。
这种结构使得实现和调试一个庞大而复杂的系统变得易于处理，因为整个系统已被分解为若干个相对独立的子系统。 -
有利于功能复用。
下层可以为多个不同的上层提供服务。 -
能促进标准化工作。
因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明。标准化对于计算机网络来说非常重要，因为协议是通信双方共同遵守的约定。
两种系统网络体系结构：
OSI（Open System Interconnection Standardization）：开放系统互联参考模型
TCP/IP参考模型。
最终TCP/IP占领市场成为事实上的国际标准。
1.6.3 具有五层协议的原理体系结构
-
应用层（Application Layer）
应用层是体系结构中的最高层。应用层的任务是如何通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。 -
运输层（Transport Layer）
运输层（或传输层）的任务是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。
主要有两个运输层协议：- 传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）——提供面向连接的，可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段（segment）。
- 用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP）——提供无连接的，尽最大努力（Best-Effort）的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），其数据传输的单位是用户数据报。
-
网络层（Network Layer）
网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。 -
数据链路层（Data Link Layer）
数据链路层常简称为链路层。数据链路层的任务是在相邻的结点之间（主机和路由器之间或两个路由器之间）的链路上传送以帧为单位的数据。 -
物理层（Physical Layer）
物理层是原理体系结构的最底层，完成计算机网络中最基础的任务，即在传输媒体上传送比特流，将数据链路层帧中的每个比特从一个结点通过传输媒体传送到下一个节点。物理层传送数据的单位是比特。
假设主机1上的应用进程AP1向主机2的应用进程AP2传送数据：
1.6.4 实体、协议和服务
实体：
用来表示任何可发送或接受信息的硬件或软件的进程。在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。
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。
服务:
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。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。
协议与服务的差别：
1.首先，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。下面的协议对上面的实体是透明的。
2.协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是”垂直的“，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
1.6.5 TCP/IP的体系结构
如下图给出了TCP/IP的4层协议体系结构的一种表示方法：
如下图是另一种方法来表示TCP/IP协议簇，它的特点是上下两头大而中间小：应用层和网络接口层都有多种协议，而中间的IP层很小，上层的各种协议都向下汇聚到一个IP协议中。
TCP/IP协议可为各式各样的应用提供服务（Everything Over IP），同时TCP/IP协议也允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行（IP Over Everything）
1.7 计算机网络在我国的发展
最早着手的建设专用计算机广域网的是铁道部（现为中国铁路总公司）。
1989年11月我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。
从20世纪80年代起，国内的许多单位相继安装了大量的局域网。
在20世纪80年代后期，*、银行、军队以及一些部门也相继建立了各自的专用计算机广域网。
1994年4月20日，我国用64kbit/s专线正式连入因特网。从此，我国被国际上正式承认接入因特网的国家。同年5月，中国科学院高能物理研究所设立了我国的第一个万维网服务器。同年9月，中国公用计算机互联网CHINANET正式启动。到目前为止，我国建造了基于因特网技术的并可以和因特网互联的9个全国范围的公用计算机网络。
1.8 两个重要的新型网络技术
1.8.1 云计算
云计算（Cloud Computing）是2006年以来在IT（Information Technology）行业兴起的一个概念，被誉为”革命性的计算模型“，是分布式计算、并行计算、效用计算、网络存储、虚拟化、负载均衡等传统计算机和网络技术发展融合的产物。是一种运行在计算机网络之上的的分布式应用，通过网络以按需、易扩展的方式向用户提供安全、快速、便捷、廉价的数据存储和网络计算服务。
1.8.2 物联网
物联网（Internet of Things，IoT）的概念最早实时由美国麻省理工学院的Ashton教授于1998年提出的。
物联网是指通过二维码识读设备、射频识别、全球定位系统、激光扫描器和红外感应器等信息传感设备与技术，实时采集任何需要监控、连接和互动的物体的声、光、电、热、力学、化学、生物、位置等各种信息，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现人与物和物与物的相互沟通和对话，对物体进行智能化识别、定位、跟踪、管理和控制的一种信息网络。
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