计算机网络第一章概述重点复习

说明：

• 本复习笔记基于谢希仁的《计算机网络》第五版教材、《Computer Networks: A Top-Down Approach》以及老师补充内容整理。
• 这是详细学习的笔记，考试突击用的还在看效果怎么样，等先前给他们用的突击笔记效果反馈给我了再发。
• 水平有限，希望能帮到大家，如果发现错误请联系我修改，谢谢。

第一章 概述 Internet

Internet译名有两种：

1. 因特网，是由全国科学技术名词审定委员会推荐的，这个译名是较为准确的，但却长期未得到推广。
2. 互联网，这是目前最广的、事实上的标准译名。Internet是由数量极大的各种计算机网络互联起来的，采用“互联网”作为Internet的译名能体现出Internet最主要的特征。

对于仅在局部范围互连起来的计算机网络，只能称为互连网（也就是internet或internetwork），而不是互联网。

internet（互连网）：通用名词，泛指多个计算机网络互连而成的计算机网络。在这些网络之间的通信协议（即通信规则）可以任意选择，不一定使用TCP/IP协议。

Internet（互联网，或因特网）：专用名词，指当前全球最大的、开放的、由众多网络互相连接而成的特定的互连网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。

互联网的三个发展阶段：

1. 第一阶段：从单个网络ARPANET向互连网方向发展。这一阶段的主要特点是TCP/IP协议初步成型。
2. 第二阶段：建成三级结构的互联网，这一阶段的主要特点是互联网分为了主干网、地区网和校园（企业）网。
3. 第三阶段：形成多层次ISP（Internet Service Provider 互联网服务提供商或互联网服务提供者）结构的互联网，这一阶段的主要特点是ISP首次出现。中国电信、中国联通和中国移动等公司都是我国最有名的ISP。

在研究出ISP后，为了更快地分组，和更有效地利用网络资源，人们研究出了IXP（Internet Exchange Point 互联网交换点）。IXP的主要作用就是允许两个计算机网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来分组。

图1.1.1 基于ISP的多层结构的互联网的概念示意图

例如，在图1.1.1中右方的两个地区ISP通过一个IXP连接起来了。这样主机A和主机B交换分组时，就就不必再经过最上层的主干ISP，二手直接在两个地区ISP之间用高速链路对等地交换分组。

1.2 互联网的工作原理及互联网+

互联网之所以能向用户提供许多服务，就是因为互联网具有两个重要的基本特点：连通性（connectivity）和共享。

“互联网+”的意思是：互联网+各个传统行业。也就是可以利用信息通信技术和互联网平台来创造新的发展生态。

计算机网络

计算机网络：由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

计算机网络之间还可以通过路由器互连起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。这样的计算机网络就称为互连网，因此互连网是“网络的网络（network of network）”

习惯上，与计算机网络相连的计算机常常称为主机（host）。

也就是：计算机网络把许多计算机连接在一起，而互连网吧许多网络通过路由器连接在一起，与计算机网络相连的计算机常称为主机。

互联网的组成

从互联网的工作方式看，可以划分为两大块：

1. 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。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）。

边缘部分

处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有主机。这些主机又称为端系统（end system）。

端系统有小有大，小到普通个人电脑和具有上网功能的智能手机，甚至是一个很小的网络摄像头，大到一台昂贵的大型计算机。端系统的拥有这可以是个人也可以是单位，或者某个ISP（ISP不仅仅向端系统提供服务，也可以拥有端系统）。

边缘部分利用核心部分所提供的服务，使众多主机之间能够互相通信并交换或共享信息。

“主机A和主机B进行通信” “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” “主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”

这种比较严密的说法通常可以简称为“计算机之间通信”。

明确以上概念后，再继续往下看。

在网络边缘的端系统之间的通信方式通常可以划分为两大类：

1. 客户-服务器方式（C/S方式即Client/Server方式）

浏览器-服务器方式（B/S方式即Browser/Server方式）是C/S方式的一种特例。

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。

主要特征：客户是服务请求方，服务器是服务提供方。他们的共同点是都要使用网络核心部分所提供的服务。

1. 对等连接方式（P2P方式即Peer-to-Peer方式）

对等连接方式是指两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方。只要两台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，此时双方都可以下载双方的共享文档。

核心部分

计算机网络核心部分是互联网中最复杂的部分，它要向边缘部分中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一台主机都能像其他主机通信。

在计算机网络核心部分起特殊作用的是路由器（router），它是一种专用计算机但不叫做计算机。路由器是实现分组交换（packet switching）的关键构件，其任务是收到的分组。

在计算机网络的发展过程中有三种交换方式：

1. 电路交换（circuit switching）：是指必须经过“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。电路交换是建立端到端的连接，也就是一条专用的物理通路。电路交换的一个重要特点就是在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。值得一提的是，电话发明后的一百多年来，电话交换机交换的方式一直都是电路交换。

当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低，且不能保证数据无差错。但它的时延是最小的。

1. 报文交换（message switching）：是指如20世纪40年代的电报通信的基于存储原理的交换方式。报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等，现在已经不使用了。
2. 分组交换（packet switching）：采用存储技术，也就是把一个保温划分为几个分组后再进行传送。

报文（message）：要发送的整块数据。

首部（header）：由必要的控制信息组成。包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息。

分组（packet）：首部+数据段。

分组又称为“包”，分组的首部又称“包头”。

分组是互联网中传送的数据单元。

为了提高分组交换的可靠性，互联网的核心部分常采用网状拓扑结构，使得当发生网络拥塞或少数结点、链路出现故障hi，路由器可灵活地改变路由（路由选择协议 protocol）而不致引起通信的中断或全网的瘫痪。

分组交换的优点有：高效、灵活、迅速、可靠。

分组交换的问题有：分组在各路由器存储时排队造成一定的时延（delay）和个分组必须携带的控制信息造成的一定的开销（overhead）。

以下是三种交换方式在数据传送阶段的主要特点：

图1.3.1 电路交换；报文交换；分组交换的比较，P1~P4表示四个分组

电路交换——整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。

报文交换——整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找表，到下一个结点。

分组交换——单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查到表，到下一个结点。

计算机网络的类别

计算机网络有多种类别，在不同范围的分类方式不同。

按网络的作用范围

1. 广域网WAN（Wide Area Network）：作用范围通常为及时到几千公里，有事也称为远程网。广域网是互联网的核心部分，其任务是通过长距离运送主机所发生的数据。
2. 域域网MAN（Metropolitan Area Network）：作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，其作用距离约为5 ~ 50 km。城域网可以为一个或几个单位所拥有，但也可以是一种公用设施，用来将多个局域网进行互连。目前很多城域网采用的是以太网技术。
3. 局域网LAN （Local Area Network）：局域网一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连（速率通常在10 Mbit/s以上)，但地理上则局限在较小的范围(如1 km 左右)。现在局域网非常广泛地使用，学校或企业大都拥有许多个互连的局域网（这样的网络常称为校园网或企业网)。
4. 个人区域网PAN (Personal Area Network) ：个人区域网就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备（如便携式电脑等）用无线技术连接起来的网络，因此也常称为无线个人区域网WPAN (Wireless PAN)，其范围很小，大约在 10 m左右。

1.4.2 按照网络的使用者

1. 公用网（public network）：这是指电信公司（国有或私有〉出资建造的大型网络。
2. 专用网（private network）：是某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务。例如，军队、铁路、银行、电力等系统均有本系统的专用网。

用来把用户接入到互联网的网络

这种网络就是接入网AN(Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。这是一类比较特殊的计算机网络。由于从用户家中接入到互联网可以使用的技术有许多种，因此就出现了可以使用多种接入网技术连接到互联网的情况。接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络。从覆盖的范围看，很多接入网还属于局域网。从作用上看，接入网只是起到让用户能够与互联网连接的“桥梁”作用。

其他分类

1. 网络拓扑结构：星型网、树型网、环型网、总线网；
2. 通信介质：双绞线网、同轴电缆网、光纤网、卫星网；
3. 传输带宽：基带网、宽带网；
4. 传输介质：有线、无线；
5. 交换技术：电路交换网、报文交换网、分组交换网；
6. 传输技术：点对点网络、广播式网络。

是否采用分组存储与路由选择机制是点对点与广播室的重要区别。

计算机网络的性能

计算机网络的性能一般是指它的几个重要的性能指标。但除了这些重要的性能指标外，还有一些非性能特征(nonperformance characteristics)也对计算机网络的性能有很大的影响。

计算机的性能指标从不同的方面来度量计算机网络的性能，有七个常用的性能指标

1.5.1速率

网络技术中的速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率(data rate)或比特率(bit rate)。速率是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是bit/s (比特每秒)(或bls，有时也写为 bps，即 bit per second)。

要注意的是，当提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，而并非网络实际上运行的速率。

1.5.2 带宽

“带宽”(bandwidth)有以下两种不同的意义:

1. 带宽本来是指某个信号具有的频带宽度。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。表示某信道允许通过的信号频带范围就称为该信道的带宽(或通频带)。
2. 在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络带宽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”。

在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

1.5.3 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）的实际的数据量。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。

1.5.4 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的时间。时延是个很重要的性能指标，它有时也称为延迟或迟延。

1. 发送时延(transmission delay)：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。因此发送时延也叫做传输时延。

1. 传播时延（propagation delay）：是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

1. 处理时延：检查比特差错、决定输出链路。
2. 排队时延：分组等待在链路上传输的排队时间。

1.5.5 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。

1.5.6 往返时间RTT

往返时间RTT (Round-Trip Time)也是一个重要的性能指标。

1.5.7 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)。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。

1.5.8 非性能特征

（1）费用；

（2）质量；

（3）标准化；

（4）可靠性；

（5）可扩展性和可升级性；

（6）易于管理和维护。

1.6 计算机网络的体系结构

网络协议（network protocol）：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

网络协议由一下三个要素组成：

1. 语法，即数据与控制信息的结构或格式；
2. 语义，即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，即事件实现顺序的详细说明。

体系结构（architecture）：计算机网络的各层及其协议的集合。换种说法，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义[GREE82]。

图1.6.1 计算机网络体系结构

这里详细讲五层网络体系结构。

1. 应用层（application layer）：应用层是体系结构中的最高层。应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。应用层协议很多，如域名系统DNS，支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议等。应用层交互的数据单元称为报文(message)。
2. 运输层（transport layer）：运输层的任务就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。应用进程利用该服务传送应用层报文。运输层有复用和分用的功能。复用就是多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务，分用和复用相反，是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。运输层主要使用以下两种协议:传输控制协议TCP (Transmission Control Protocol)——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UDP (User Datagram Protocol)一—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。
3. 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。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。
4. 数据链路层（data link layer）：数据链路层常简称为链路层。在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧(framing)，在两个相邻结点间的链路上传送帧(frame)。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等)。

数据链路层不仅要检错，而且要纠错)，那么就要采用可靠传输协议来纠正出现的差错。这种方法会使数据链路层的协议复杂些。

1. 物理层（physical layer）：在物理层上所传数据的单位是比特。物理层要确定连接电缆插头的定义及连接法。

1.6 本章重要概念

• 计算机网络（可简称为网络）把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络连接在一起，是网络的网络。
• 以小写字母i开始的internet(互连网）是通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议（即通信规则）可以是任意的。
• 以大写字母Ⅰ开始的Internet(互联网）是专用名词，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互连网，并采用TCP/IP协议族作为通信规则，且其前身是美国的 ARPANET。Internet的推荐译名是“因特网”，但很少被使用。
• 互联网现在采用存储的分组交换技术，以及三层ISP结构。
• 互联网按工作方式可划分为边缘部分与核心部分。主机在网络的边缘部分，其作用是进行信息处理。路由器在网络的核心部分，其作用是按存储方式进行分组交换。
• 计算机通信是计算机中的进程（即运行着的程序）之间的通信。计算机网络采用的通信方式是客户-服务器方式和对等连接方式(P2P方式)。
• 客户和服务器都是指通信中所涉及的应用进程。客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
• 按作用范围的不同，计算机网络分为广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN和个人区域网PAN。
• 计算机网络最常用的性能指标是:速率、带宽、吞吐量、时延（发送时延、传播时延、处理时延、排队时延)、时延带宽积、往返时间和信道（或网络）利用率。网络协议即协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则。计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。
• 五层协议的体系结构由应用层、运输层、网络层（或网际层)、数据链路层和物理层组成。运输层最重要的协议是 TCP和 UDP协议，而网络层最重要的协议是IP协议。

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