1.1 计算机网络在信息时代中的作用
21世纪的一些重要特征：数字化、网络化和信息化，是一个以网络为核心的时代。
三类熟悉的网络：
- 电信网络：提供电话、电报及传真等服务。
- 有线电视网络：向用户传送各种电视节目。
- 计算机网络：使用户能在计算机之间传送数据文件。
如何称呼 Internet？
- 因特网：推荐，但却长期未得到推广。
- 互联网：目前流行最广，事实上的标准译名。
注意：互联网 ≠互连网。互连网：局部范围互连起来的计算机网络。
互联网的 2 个重要基本特点
- 连通性：几乎忽略距离因素，使上网用户之间可以非常便捷、非常经济地交换各种信息，好像这些用户终端都彼此直接连通一样。
- 资源共享：实现信息共享、软件共享、硬件共享。由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样。
互联网+：指“互联网+各个传统行业”。把互联网的创新成果深度融合于经济社会各领域。
1.2 互联网概述
1.2.1 网络的网络
计算机网络：
由若干节点和连接这些节点的链路组成。
节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。
互连网：
多个网络通过一些路由器相互连接起来，即“网络的网络”。
主机：与网络相连的计算机，路由器是特殊计算机，但不是主机
主机可以在云里，也可以在云外：
网络：把许多计算机连接在一起。
互连网 (internet) ≠ 互联网 (Internet)
- 互连网（internet）：把许多网络通过一些路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。协议不一定是TCP/IP
- 互联网（Internet）：覆盖全球的特定互连网，采用TCP/IP协议，前身是ARPANET。
1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段
【第一阶段】
ARPANET：最初只是单个的分组交换网，不是互连网。 【互联网的雏形】1983 年，TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。【互联网的诞生时间】
【第二阶段：构成了三级结构的互联网】
三级结构：主干网、地区网和校园网（或企业网）。
【第三阶段：出现了多层次的互联网服务提供者 ISP】
ISP：提供接入到互联网的服务，但需收取一定的费用。国内如中国电信、中国联通、中国移动等等。
理解：用户通过ISP购买的IP接入互联网。
多层次 ISP 结构：
主干 ISP、地区 ISP 和本地 ISP。
互联网交换点 IXP：允许两个网络直接相连并快速交换分组，不需第三个网络交换分组。
常采用交换机。
内容提供者：在互联网上向所有用户提供视频等内容的公司。
1.2.3 互联网的标准化工作
RFC：（请求评论）
- 所有的 RFC 文档都可从互联网上免费下载。
- 任何人都可以用电子邮件随时发表对某个文档的意见或建议。
- 但并非所有的 RFC 文档都是互联网标准。只有很少部分的 RFC 文档最后才能变成互联网标准。
- RFC 文档按发表时间的先后编上序号（即 RFCxxxx，xxxx 是阿拉伯数字）。
1.3 互联网的组成
从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块：
- 边缘部分： 由所有连接在互联网上的主机组成，由用户直接使用，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。
- 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）。
1.3.1 互联网的边缘部分
处在互联网边缘部分的就是连接在互联网上的所有的主机。这些主机又称为端系统 。
端系统在功能上可能有很大差别：
- 小的端系统：普通个人电脑、智能手机、网络摄像头等。
- 大的端系统：非常昂贵的大型计算机或服务器。
- 端系统的拥有者：可以是个人、单位、或某个 ISP。
理解：主机A和主机B进行通信是指：主机A的某个进程与主机B的另一个进程进行通信。
通信方式分成：
- 客户-服务器方式（C/S 方式）
- 对等连接方式（P2P 方式）
a. 客户-服务器方式（C/S 方式）
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。
客户程序
- 被用户调用后运行，需主动向远地服务器发起通信（请求服务）。必须知道服务器程序的地址。
- 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。
服务器程序
- 专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个客户请求。
- 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。不需要知道客户程序的地址。
- 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。
b. 对等连接方式（P2P 方式）
两台主机在通信时不区分服务请求方和服务提供方。只要都运行了 P2P 软件，就可以进行平等的、对等连接通信。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是服务器。
1.3.2 互联网的核心部分
核心部分：网络+路由器。
路由器：实现分组转发
典型交换技术包括：
- 电路交换
- 分组交换
- 报文交换
互联网的核心部分采用分组交换技术。
a. 电路交换
问题：电线对的数量与电话机数量的平方（N2）成正比。
解决：电话交换机
电路交换特点：
- 建立连接：建立一条专用的物理通路（占用通信资源）。
- 通话：主叫和被叫双方互相通电话（一直占用通信资源）。
- 释放连接：释放刚才使用的专用的物理通路（归还通信资源）。
这种必须经过“建立连接（占用通信资源）、通话（一直占用通信资源）、释放连接（归还通信资源）”三个步骤的交换方式称为电路交换。通话的两个用户始终占用端到端的通信资源
缺点：
通信线路的利用率很低，真正用来传送数据的时间往往不到 10%，甚至不到 1%，已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的。
b. 分组交换
采用存储转发技术。
过程：
数据段前面添加首部就构成了分组
接收端收到分组后剥去首部，还原成原来的报文
路由器作用：分组转发：
分组交换的优点
优点 |
所采用的手段 |
高效 |
在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 |
灵活 |
为每一个分组独立地选择最合适的转发路由。 |
迅速 |
以分组作为传送单位，可以不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；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性。 |
缺点：
- 排队延迟：分组在各路由器存储转发时需要排队。
- 不保证带宽：动态分配。
- 增加开销：各分组必须携带控制信息；路由器要暂存分组，维护转发表等。
c. 报文交换
类似分组转发，但转发的不是分组而是整个报文。
电路交换、报文交换和分组交换的主要区别
- 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。
1.4 计算机网络在我国的发展
1994 年，中国教育和科研计算机网 CERNET (China Education and Research NETwork) 是我国第一个 IPv4 互联网主干网。
2004 年 2 月，我国的第一个下一代互联网 CNGI 的主干网 CERNET2 试验网正式开通，并提供服务。
试验网以 2.5~10 Gbit/s 的速率连接北京、上海和广州三个 CERNET 核心节点，并与国际下一代互联网相连接。
中国互联网络信息中心 CNNIC (ChiNa Network Information Center) 每年两次公布我国互联网的发展情况。
到 2019 年底，我国的国际出口带宽已超过 8.8 Tbit/s （1 Tbit/s = 103 Gbit/s）。
1.5 计算机网络的类别
1.5.1 计算机网络的定义
计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
1.5.2 几种不同类别的计算机网络
按照网络的作用范围进行分类
类别 |
作用范围或距离 |
广域网 WAN |
通常为几十到几千公里。有时也称为远程网. |
城域网 MAN |
作用范围一般是一个城市，作用距离约为 5~50 公里。 |
局域网 LAN |
局限在较小的范围（如 1 公里左右）。 |
个人区域网 PAN |
范围很小，大约 10 米左右。有时也称无线个人区域网。 |
按照网络的使用者进行分类
类别 |
作用范围或距离 |
公用网 |
按规定交纳费用的人都可以使用的网络。也可称为公众网。 |
专用网 |
为特殊业务工作的需要而建造的网络。 |
用来把用户接入到互联网的网络-接入网【又称为本地接入网或居民接入网】
1.6 计算机网络的性能
1.6.1 计算机网络的性能指标
性能指标*7：从不同的方面来度量计算机网络的性能。
a. 速率
速率（数据率或比特率）:数据的传送速率，一般指额定速率或标称速率，非实际运行速率。
单位：bit/s,b/s,bps，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s 等。
【示例】
b. 带宽
频域【传统通信】:如300Hz到3.4kHz
- 某个信号具有的频带宽度。
- 单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
- 某信道允许通过的信号频带范围称为该信道的带宽（或通频带）。
时域【计算机网络】:允许通过的最高数据率
- 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”。
- 单位就是数据率的单位 bit/s。
c. 吞吐量
吞吐量：单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。
- 受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
- 额定速率是绝对上限值。
- 可能会远小于额定速率，甚至下降到零！
单位：bit/s,bit
d. 时延
时延（延迟或迟延）：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。
单位：s
组成：
- 发送时延
- 传播时延
- 处理时延
- 排队时延
（1）发送时延：是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，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。
（2）传播时延：是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。
电磁波传播速率：
- 自由空间的传播速率是光速 = 3.0 ⅹ 105 km/s
- 在铜线电缆中的传播速率约 = 2.3 ⅹ 105 km/s
- 在光纤中的传播速率约 = 2.0 ⅹ 105 km/s
注意：发送时延与传播时延有本质上的不同。
发送时延发生在机器内部的发送器中，与传输信道的长度（或信号传送的距离）没有关系。
传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上，而与信号的发送速率无关。信号传送的距离越远，传播时延就越大。
（3）处理时延：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。
（4）排队时延：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理和转发所经历的时延。
排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大。
易错：
- “在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送得更快些”。（错误），因为对于高速网络链路，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。
提高数据的发送速率只是减小了数据的发送时延。
e. 时延带宽积
表示含义：
管道中的比特数表示从发送端发出但尚未到达接收端的比特数。
只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分利用。
单位：bit
f. 往返时间 RTT
表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。
【示例】
g. 利用率
信道利用率
某信道有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）。
完全空闲的信道的利用率是零。
网络利用率
全网络的信道利用率的加权平均值。
问题：信道利用率越高越好吗？
不是。解答如下：
1.6.2 计算机网络的非性能特征
1.7 计算机网络体系结构
1.7.1 计算机网络体系结构的形成
1.7.2 协议与划分层次
计算机网络体系结构
- 法律上的国际标准 OSI
- 事实上的国际标准 TCP/IP
网络协议，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。
三个组成要素：
- 语法：数据与控制信息的结构或格式 。
- 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。
- 同步：事件实现顺序的详细说明。
1.7.3 具有五层协议的体系结构
各层的主要功能
应用层：
- 任务：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。
- 协议：DNS，HTTP，SMTP
- 数据单元：把应用层交互的数据单元称为报文(message)。
运输层：
- 任务：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。
- 协议：TCP，UDP
- 数据单元：TCP的数据单元是报文段，UDP的数据单元是用户数据报
TCP与UDP
- TCP是面向字节流、连接、可靠数据传输服务。
- UDP是面向报文、无连接、不可靠的传输服务。
网络层：
- 任务：为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
- 协议：IP
- 数据单元：IP数据报
两个具体任务：
- 路由选择：通过一定的算法，在互联网中的每一个路由器上，生成一个用来转发分组的转发表。
- 转发：每一个路由器在接收到一个分组时，要依据转发表中指明的路径把分组转发到下一个路由器。
数据链路层：
- 任务：实现两个相邻节点之间的可靠通信
- 协议：PPP点对点协议，CSMA/CD广播协议
- 数据单元：帧（frame）
物理层：
任务：实现比特（0 或 1）的传输。确定连接电缆的插头应当有多少根引脚，以及各引脚应如何连接。
在数据链路层加上尾部
。
1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点
实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
- 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。
注意：协议和服务在概念上是不一样的
相邻两层之间的关系
协议很复杂，要应付所有异常情况
1.7.5 TCP/IP 的体系结构
现在互联网使用的 TCP/IP 体系结构已经发生了演变，即某些应用程序可以直接使用 IP 层，或甚至直接使用最下面的网络接口层。
沙漏计时器形状的 TCP/IP 协议族
互联网中客户-服务器工作方式
同时运行多个服务器进程同时为多个客户进程提供服务
