计算机网络.docx

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计算机网络

1.1计算机网络在信息时代的作用

1、21世纪的特征：

数字化、网络化、信息化，即：

一个以网络为核心的信息时代。

2、“三网”的含义：

电信网络、有线电视网络、计算机网络（发展最快并起到核心作用）

3、计算机网络向用户提供的重要的功能：

连通性；共享；

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。

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。

4、因特网的发展

进入20世纪90年代以后，以因特网为代表的计算机网络得到了飞速的发展。

已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络。

已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。

5、因特网的意义

（1）、因特网是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。

（2）、现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网。

1.2因特网概述

1.2.1网络的网络

1、关于网络的基本概念：

（1）网络（network）由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。

（2）互联网是“网络的网络”（networkofnetworks）。

（3）连接在因特网上的计算机都称为主机（host）。

2、网络与因特网

网络把许多计算机连接在一起。

因特网则把许多网络连接在一起。

请注意名词“结点”

“结点”的英文名词是node。

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”。

在网络中的node的标准译名是“结点”而不是“节点”。

但数据结构的树（tree）中的node应当译为“节点”。

1.2.2因特网发展的三个阶段

（1）第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。

ARPRNET:

1969年建立，是第一个分组交换网（但是不互连）。

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。

（2）第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。

1、NSF:

美国国家科学基金会

2、1986年，建立三级的NSFNET

注意：

1、各网络之间用路由器连接

2、主机到主机之间的通信可能要经多级网络

3、三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

（3）第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。

出现了因特网服务提供者ISP（InternetServiceProvider）。

1、1993年，NSFNET被若干个商用的ISP网络所代替。

2、1994年开始创建了4个网络接入点NAP。

NAP就是用来交换因特网上流量的结点。

（是最高级的接入点，向各个ISP提供交换设施，使它们能够互相通信）

3、从1994年到现在，因特网逐渐演变成多级结构网络。

注意：

今日的多级结构的因特网大致可分为以下五个接入级：

1、网络接入点NAP

2、国家主干网（主干ISP）

3、地区ISP

4、本地ISP

5、校园网、企业网或PC机上网用户

知识区分与了解：

internet和Internet的区别

（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）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，且其前身是美国的ARPANET。

万维网WWW的问世

（1）因特网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络，没有人能够准确说出因特网究竟有多大。

（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（WorldWideWeb）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。

1.2.3关于因特网的标准化工作（选修）

1992年，因特网不再归美国管理，成立国际性组织：

因特网协会ISOC，其下有一个技术组织：

因特网体系结构委员IAB制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段

（1）因特网草案（InternetDraft）——在这个阶段还不是RFC文档。

（2）建议标准（ProposedStandard）——从这个阶段开始就成为RFC文档。

（3）草案标准（DraftStandard）

（4）因特网标准（InternetStandard）

1.3因特网的组成

从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块：

（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）。

1.3.1因特网的边缘部分

1、

（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（endsystem）。

（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”

2、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：

（1）客户服务器方式（C/S方式）即Client/Server方式

（2）对等方式（P2P方式）即Peer-to-Peer方式

3、对以上两种方法的详解：

客户服务器方式

（1）客户（client）和服务器（server）都是指通信中所涉及的两个应用进程。

（2）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。

（3）客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

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。

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。

对等连接方式

（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。

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。

1.3.2因特网的核心部分

1.网络中的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成；

2.功能：

（1）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）。

（2）在网络核心部分起特殊作用的是路由器（router）。

（3）路由器是实现分组交换（packetswitching）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。

3.因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在因特网的边缘部分。

4.在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘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。

5.主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。

路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。

以下内容属于因特网的核心部分：

1.电路交换的主要特点

（1）两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。

（2）更多的电话机互相连通：

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。

（3）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。

“交换”的含义a.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。

b.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。

2.电路交换的特点

（1）电路交换必须经过三个阶段：

建立连接；通信；释放连接

（2）电路交换的特点（三点）：

1.是面向连接的:

不适于传送突发性数据连接要费时

2.通话期间两个用户始终占用信道：

低效

3．正在通信的电路中只要有一个交换机或一条链路有故障，整个通信电路就会中断。

如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。

a.不可靠b.有时延

注：

计算机数据具有突发性，若用电路交换来传送，会使得通信线路的利用率极低。

3.分组交换的原理（存储转发）

（1）报文的含义：

通常把要发送的整块数据称为一个报文。

而实际网络中报文都较长，不便于传输，因此把报文分成一个个更小的等长数据段，并在每段前面加上必要的控制信息（首部），构成分组。

a.发送端：

添加首部构成分组

b.每一个数据段前面添加上首部构成分组。

c.分组交换网以“分组”作为数据传输单元。

（2）分组首部的重要性

a.每一个分组的首部都含有地址等控制信息。

b.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。

c.用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。

（3）接收端收到分组后剥去首部还原成报文。

4、分组交换的两种方式

（1）面向连接的

（2）无连接的（适于突发式数据）

优点：

a.减少时间开销b.分组独立的选择路由

小结：

1.在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。

2.路由器处理分组的过程是：

a.把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；

b.查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；

c.把分组送到适当的端口转发出去。

3.分组到达接收端的顺序和发送顺序可能不一致

4.不同主机发送的分组有时会沿相同的链路段传送

5.主机和路由器都是计算机，但是有很大的区别：

a.主机处于网络的边缘部分；路由器处于核心部分

b.路由器之间一般都用高速链路相连接；而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

c.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。

d.结点交换机对分组进行存储转发，最后把分组交付给目的主机。

6.分组交换的优点

a.高效动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。

b.灵活以分组为传送单位和查找路由。

c.迅速不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。

d.可靠完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。

7.分组交换的缺点

a.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。

b.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。

1.4计算机网络在我国的发展

（1）中国公用计算机互联网CHINANET

（2）中国教育和科研计算机网CERNET

（3）中国科学技术网CSTNET

（4）中国联通互联网UNINET

（5）中国网通公用互联网CNCNET

（6）中国国际经济贸易互联网CIETNET

（7）中国移动互联网CMNET

（8）中国长城互联网CGWNET（建设中）

（9）中国卫星集团互联网CSNET（建设中）

1.5计算机的类别

几种不同的分类方法

一、从网络的交换功能分类：

1、电路交换网

2、报文交换网

3、分组交换网

4、混合交换网

二、从网络的作用范围来分：

1、广域网WAN

2、局域网LAN

3、城域网MAN

4、个人区域网PAN:

即在个人工作地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络，也称无线个人区域网，范围：

10m左右。

三、从网络的使用者来分：

1、公用网（公众网）2、专用网

四、用来把用户接入因特网的网络

即：

接入网AN，又称本地接入网或居民接入网，既不属于因特网的边缘部分，也不属于核心部分

1.6计算机网络的性能

1.6.1计算机网络的性能指标

1.速率

a.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。

因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0。

b.数据率：

数字信道传送数字信号的速率，也称比特率（或发送速率或传输速率），简称为速率。

它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

c.速率往往是指额定速率或标称速率。

2.带宽

a.“带宽”（bandwidth）本来是指信号具有的频带宽度（传送模拟信号时），单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。

b.现在“带宽”表示在单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，单位是“比特每秒”，或b/s（bit/s）。

c.常用的带宽单位

千比每秒，即kb/s（103b/s）兆比每秒，即Mb/s（106b/s）

吉比每秒，即Gb/s（109b/s）太比每秒，即Tb/s（1012b/s）

请注意：

在计算机界，K=210=1024M=220,G=230,T=240。

d.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。

3.吞吐量

a.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。

b.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。

c.吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

4.时延（delay或latency）

a.时延：

指数据从网络（或链路）的一段传送到另一端所需要的时间。

也称延迟或迟延。

它由以下几个部分组成：

b.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。

发送时延=数据块长度（比特）/发送速率（比特/秒）

c.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。

⏹对于固定的传播介质其传播速率是固定的。

传播时延=信道长度（米）/信号在信道上的传播速率（米/秒）

d.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。

e.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。

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

需要强调的几点

（1）四种时延产生的地方不同

（2）在总时延中，哪种时延占主导地位要具体分析

（3）不能笼统地认为数据的发送速率越高传送的越快，因为总时延由四项决定。

（4）比特的传播时延与链路的带宽无关，提高了链路的带宽只是减小了数据的发送时延；

因此，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。

（5）发送速率的单位：

bit/s

传播速率的单位：

km/s

5.时延带宽积

a.链路的时延带宽积表示链路可以容纳多少个比特

b.链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

6.往返时延RTT

往返时延RTT（Round-TripTime）表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。

7.利用率

a.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。

b.网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。

c.信道利用率并非越高越好。

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U增大时，该信道引起的时延D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：

D=D0/（1-U）U是网络的利用率，数值在0到1之间。

1.6.2计算机网络的非性能特征

费用：

网络的速率越高，其价格越高。

质量：

高质量的网络其价格较高。

标准化：

可以得到更好的互操作性，更易于升级和维护；技术支持。

可靠性：

速率更高的网络的可靠性不一定会差，但速率更高的网络要可靠的运行，难度更大；费用更高。

可扩展性和可升级性：

性能越高，扩展和升级越困难，费用越高。

易于管理和维护：

只有得到好的管理和维护，才能达到所设计的性能。

1.7计算机网络的体系结构

1.7.1计算机网络体系结构的形成

1、相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。

“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

1974年，IBM公司宣布了系统网络体系结构SNA

1977年，国际标准化组织IOS成立专门机构研究网络体系结构，不久提出著名的开放系统互连参考模型OSI/RM,简称为OSI，成为一种国际标准。

2、两种国际标准

a.法律上的（dejure）国际标准OSI并没有得到市场的认可。

（成为历史）

⏹OSI专家缺乏实际经验，缺乏商业驱动力

⏹OSI标准过于繁杂，且运行效率很低；

⏹OSI标准的制定周期过长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；

⏹OSI层次划分不合理，有些功能在多个层次中重复出现

b.非国际标准TCP/IP现在获得了最广泛的应用。

⏹比OSI简单

⏹迅速占领了市场，取得了商家的支持

⏹TCP/IP常被称为事实上的（defacto）国际标准。

1.7.2划分层次的必要性

a.计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。

b.这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。

c.网络协议（networkprotocol），简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

它由三个要素：

1）.语法数据与控制信息的结构或格式。

2）.语义需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。

3）.同步事件实现顺序的详细说明。

d.划分层次的概念举例

1）主机1向主机2通过网络发送文件。

2）可以将要做的工作进行如下的划分。

3）第一类工作与传送文件直接有关。

a.确信对方已做好接收和存储文件的准备。

b.双方协调好一致的文件格式。

4）两个主机将文件传送模块作为最高的一层。

剩下的工作由下面的模块负责。

e.分层的好处：

1）各层之间是独立的。

2）灵活性好。

3）结构上可分割开。

4）易于实现和维护。

5）能促进标准化工作。

注意：

层数多少要适当

若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。

层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。

f.计算机网络的体系结构

1、计算机网络的体系结构：

是计算机网络的各层及其协议的集合。

2、计算机体系结构是抽象的,而计算机网络是具体的

（即实现是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件）

1.7.3具有五层协议的体系结构

一、五层协议的体系结构的由来：

1、TCP/IP：

四层即应用层、运输层、网际层和网络接口层。

（实际是三层，因为网络接口层没有具体内容）

特点：

简单，明了；但是理论结构不完整

2、OSI协议：

七层即应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，链路层，物理层

特点：

复杂，不实用；但是概念清楚，理论体系较完整

3、取二者优点，组建五层协议的体系结构

a.应用层（applicationlayer）

b.运输层（transportlayer）

c.网络层（networklayer）

d.数据链路层（datalinklayer）

e.物理层（physicallayer）

各层简介：

（1）应用层：

a、直接为用户应用进程提供服务

b、因特网中的应用层协议：

HTTP协议：

支持万维网应用的

SMTP协议：

支持电子邮件的

FTP协议：

支持文件传送的

（2）运输层：

a、负责两个主机中近程之间的通信

b、因特网的运输层使用两种不同的协议：

传输控制协议TCP:

面向连接的；传输单位：

报文段

提供可要的交付

用户数据报协议UDP:

无连接的传输单位：

用户数据报

只“尽最大努力交付”

（3）网络层（网际层，IP层）：

a、功能：

1.负责分组交换网上的不同主机提供信息

2、将运输层送来的数据封装成“IP数据报”

3、选择合适的路由

b、因特网中网络层使用的协议：

网际协议IP多种路由选择协议

（4）链路层

a.功能：

1、发送端：

将IP数据报加上必要的控制信息组装成帧，以帧为单位送到下一层

2、接收端：

接到帧后去处1中加的控制信息，把数据送到上层

b.因特网中的链路层使用的协议：

1、ARQ协议

2、PPP协议

注意：

无论在哪一层传送的数据单元,实际上都可以笼统地用“分组”来表示，只不过在每一层其控制信息有所不同。

（5）物理层

a.物理层的任务是透明的传送比特流

b.传送信息的物理媒体在物理层的下面，不在物理层之内，故物理媒体又称为第0层。

需要注意的几个问题

1、对等层：

相互通信的两台计算机中的相对应的层次

2、协议数据单元PDU：

在对等层上传送的数据单位

3、以上图中的复杂过程对用户而言是不可见的，感觉像AP1直接把数据送给了AP2

4、同理，任何两个层次之间好像直接把数据传送给了对方，这就是所谓的“对等层”之间的通信

5、前面提到的各层协议，实际上便是在各个对等层之间传递数据时的各项规定

1.7.4实体、协议、服务和服务访问点

一、概念

1、实体：

表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

2、协议：

控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

3、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，还需要使用下层所提供的服务。

注：

服务用户是指接受服务者

4、服务访问点SAP：

同一系统中相邻的两层实体进行信息交换的地方叫SAP，是一个逻辑接口。

5、服务数据单元SDU：

OSI将层与层之间交换的数据单位称为SDU，一个SDU可以分成多个PDU（协议数据单元），多个SDU也可以合成一个PDU。

6、服务原语：

上层若想使用下层提供的服务，必须通过与下层交换一些命令，这些命令就是服务原语。

二、服务与协议的区别

1、协议是“水平的”，即协议是控