• 计算机网络——绪论

    6个章节，外加实验和复习课时。题目来自于题库，重在理解+翻译。

    1. 概述
    2. 物理层
    3. 链路层
    4. 网络层
    5. 传输层
    6. 应用层
    7. 复习课
    8. 实验课

    一、计算机网络的基本概念

    • 21 世纪的一些重要特征就是 数字化、网络化 和 信息化 ，是一个以网络为核心的信息时代。
    • 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。

    发展最快的并起到核心作用的是计算机网络

    Ø 第一代  以主机为中心
    Ø 第二代  以通信子网为中心
    Ø 第三代  ISO/OSI-RM 、 Internet
    Ø 第四代  新一代网络

    第一代: 以主机为中心，面向终端的计算机网络。

    以单个主机为中心的星形网，各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源。将地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上，利用中心计算机进行信息处理，其余终端都不具备自主处理能力。

    例子：早期的飞机订票系统、银行储蓄系统等。

     第二代:以通信子网为中心，是计算机到计算机的连接

    Ø 网络结构从“主机－终端” 转变为“主机－主机”；
    Ø 采用报文分组交换方式，主机都处在网络的外围；
    Ø 通信任务从主机中分离，由专门的接口信息处理机（ Interface Message Processor, IMP ）来完成；
    Ø 典型的代表是目前 Internet 网的前身 ARPNET 。

    第三代:开放式标准化网络

    Ø 第二代计算机网络存在明显不足，主要表现：
    • 各个厂商各自开发自己的产品，产品之间不能通用；
    • 各个厂商各自制定自己的标准，不同的标准之间转换非常困难。
    Ø 一些大的计算机公司纷纷提出了各种网络体系结构与网络协议

    厂商标准：IBM SNA（System Network Architecture），1974
                            DEC DNA（Digital Network Architecture），1975

    国际标准：

    国际标准化组织（ International Standards Organization ， ISO ）

    成立专门委员会研究网络体系结构与网络协议国际标准化问题，提出了开放系统互联参考模型，即ISO OSI（Open System Interconnection）Reference Model) , 简称OSI参考模型  （1983年）

    TCP/IP 协议 ( Transport Control Protocol / Internet Protocol )

    事实上的国际标准，所有厂家都支持，Internet 采用TCP/IP体系结构   （1974年最初定义， 1985年改进）

    第四代:  新一代宽带网络. 计算机网络向全球网络互连 、高速、智能化、多媒体方向发展

    Ø 美国的超宽带网络服务、下一代 Internet （ NGI ）和 Internet2 ；
    Ø 欧盟的 GEANT 、 6NET 等；
    Ø 我国的高速互联实验网络 NSFCNET

        计算机网络的定义

    Ø 最简单的定义：计算机网络是一些 互相连接的 、 自主的 / 自治的（ autonomous ） 计算机的集合。
    Ø 完整的定义：计算机网络是利用 通信设备和链路 将分散在不同地点且 具有独立功能的 多个计算机系统互连起来，通过 网络协议和软件 进行数据通信，实现资源共享的计算机系统的集合。
    计算机网络就是将分布在不同 地理位置 ，具有 独立功能 的多台计算机，通过 通信线路 和 通信设备 相互连接起来， 辅以 网络软件 进行控制， 进行 数据通信 ，实现 资源共享 。

     

    定义涉及到以下问题：

    Ø 各计算机是 独立自主的 ，具有各自的操作系统，其运行不依赖于其他计算机；   
    Ø 计算机之间的连接 需要有一条通信链路 以及必要的 通信设备 。主要的 通信线路 传输介质 ( 有线、无线）、 通信设备（网卡、路由器等）；
    Ø 计算机之间能够利用各种 网络 软件（ 网络协议 ） 进行相互通信， 实现计算机资源共享，使用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据资源。

    计算机网络、分布式系统与Internet

    Ø 计算机网络

    自主计算机的互连集合。

    Ø 分布式系统

    是建立在网络之上的软件系统，用户向系统递交一个

    任务后，由操作系统来安排任务的完成。

    区别：由谁来发起传送，是用户还是系统？

    共同点：资源共享。

    Ø Internet （因特网）

    是“网络的网络”，由许多网络构成的网络。

    计算机网络的组成

    Ø 完整的定义：计算机网络是利用 通信设备和链路 将分散在不同地点且 具有独立功能的 多个计算机系统互连起来，通过 网络协议和软件 进行数据通信，实现资源共享的计算机系统的集合。

    计算机网络的组成

    主机（ Host ）
    通信子网（ Communication Subnet ）
    • 通信设备－用于转发数据包 ( 如路由器、交换机 )
    • 通信链路－传输介质
    通信协议

    计算机网络从信息的不同处理方式分为通信子网和资源子网

    计算机网络的基本功能

    ① 数据通信 （ 最基本的功能 ）
    • 数据的传送和发布：文件传输、 IP 电话、 email 、视频会议、信息发布、交互式娱乐 …
    ② 资源共享
    • 共享 软件、硬件、数据 / 信息
    ③ 提 高可靠性
    • 通过网络备份存放提高信息可靠性
    ④ 提 高系统处理能力
    • 分布与协同处理，多计算机并行处理

     计算机网络的分类

    计算机网络的分类方法主要的是以下几种：

    § 根据网络所使用的 传输技术 分类；
    § 根据网络的 覆盖范围与规模 分类；
    § 根据网络的 拓扑结构 分类；
    § 按网络的 传输介质 分类 
    1. 按网络传输技术进行分类
    Ø 目前普遍采用的传输技术有两种：
    • 广播式链接
    • 点到点链接

       相应的计算机网络也可以分为两类：

    • 广播网络 （ broadcast networks ）
    • 点到点网络（ point-to-point networks ）
    l 点到点网络 (point － to － point networks)
    ü 由许多连接构成，每一个连接对应于一对机器。
    ü 为了将一个包从源端传送到目的地，通常存在多条不同长度的路径。

    一般的原则：

    Ø 小规模的、地理位置局部化的网络倾向于使用广播传输模式；
    Ø 大规模的网络通常使用点到点传输模式。
    l 广播网络 (broadcast networks)
    只有一个通信信道，网络上所有的机器都共享该信道。
    在机器之间传递的是包 (packet) ，任何一台机器发送的短消息都可以被其他所有的机器接收到。
    在数据包里包含一个地址域，目标机器通过检查该地址域来判断是否是发送给它的包，如果是发给它的，就进一步处理；不是，则忽略丢弃该数据包。

     

    按覆盖的地理范围进行分类

    ◎局域网（LAN）

    • 范围： 覆盖有限的地理范围 <1Km. 它适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求 , 一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展
    • 传输技术： 采用广播技术共享传输媒介传送，提供高数据传输速率（ 10Mbps ～ 100Mbps ～ 10GMbps ）、低误码率、低延迟的高质量数据传输环境；
    • 拓扑结构： 总线型 和 环型

    ◎城域网（MAN）

    • 城域网是传送距离介于 LAN 和 WAN 之间（通常是一个城市）的一种高速网络；－－－“大型的 LAN”
    • 城域网在技术上与局域网相似。

    例子：有线电视网

    ◎广域网（WAN） 

    • 广域网也称为远程网；
    • 覆盖的地理范围从几十公里到几千公里，覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络；
    • 它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。

    ◎互联网（internet）

    • 互联网 i nternet/internetwork ：一组相互连接起来的网络

         因特网Internet：特定的、世界范围内的互联网

    • 互联网的组成形式：通过一个 WAN 将多个 LAN 组织起来

    按网络拓扑结构分类

    Ø 拓扑学（ Topology ）是几何学的一个分支，是从图论演变而来。拓扑学首先把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成线，进而研究了点、线、面之间的关系 ;

    Ø 网络的拓扑结构 是指抛开网络中的具体设备，用点和线来抽象出网络系统的逻辑结构

    总线型结构

          由一条总线连接若干个结点所形成的网络称总线型网络。总线型网络采用广播通信方式，即由一个结点发出的信息可被网络上的多个结点所接收。作为总线的通信线路可以是同轴电缆，也可以是光缆等。

    总线型结构应用广泛，其突出的特点为：

     （1）结构简单，可扩充，性能好；

     （2）网络的可靠性高，结点间响应速度快，共享资源能力强；

     （3）网络的成本低，设备投入量少，安装使用方便；

     （4）总线的性能和可靠性对网络有很大影响。

     

    星型结构

          以中央结点为中心，把若干外围结点连接起来的网络称星型结构，如图所示。星型结构中，中央结点对各外围结点间的通信和信息交换进行集中控制和管理。

        星型结构的特点是：

       （1）建网容易，扩充性好，控制简单；

       （2）只要中央结点不出现故障，系统的可靠性较高；如果中央结点出现故障，则导致整个网络瘫痪；

     

    树型结构

          树型结构是指联网的各计算机按树形结构组成，树的每个结点都是计算机，如图所示。在树型结构的网络中有多个中心结点，形成一种分级管理的集中式网络，适用于各种管理部门需要进行分级数据传送的场合。

          其优点是连接容易，管理简单，维护方便。缺点是共享能力差，可靠性低。

     

     

    环型结构

          环型拓扑结构如图所示，它由通信线路将各结点连接成一个闭合的环。环型结构网络结构简单，环中各结点地位相等，建网容易，能实现数据传送的实时控制，但网络的可靠性较差。

     

    网状型结构

          网状型拓扑结构如图所示，这种结构的各结点通过传输线相互连接起来，并且任何一个结点都至少与其他两个结点相连。所以网状结构的网络具有较高的可靠性，但其实现起来费用高、结构复杂、不易管理和维护。

     

     

    混合型拓扑结构

          从上面的介绍可知，每一种拓扑结构都有自己的优缺点。一般来说，一个较大的网络都不是单一的网络拓扑结构，而是由多种拓扑结构混合而成，充分发挥各种拓扑结构的特长，这就是所谓的混合型拓扑结构。

     

    4、按网络的传输介质分类

    Ø 有线网

       有线网络是指采用有形的传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等组建的网络。

    Ø 无线网

     

    二、计算机网络体系结构

     

    • 由于计算机网络功能越来越强，结构越来越复杂，给设计者带来很大的难度，所以采用了“ 分层 ”的思想，“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。
    • 一般人们采用“层次结构”的方法来描述计算机网络，即： 计算机网络中提供的功能是分层次的。

     

    分层的特点： 

    • 简化网络系统设计的复杂性；
    • 可以更加方便地适应网络技术和应用需求变化；
    • 提供一种更为模块化的设计。

     

    各层的设计问题：

    ü 编址机制（ addressing ）
    ü 错误控制（ error control ）
    ü 流控制（ flow control ）
    ü 多路复用 / 解复用（ multiplexing/demultiplexing ）

     

    网络协议的组成要素

    Ø 语法      数据与控制信息的结构或格式 。如：数据格式、编码、信号电平等。－－－“怎么讲”
    Ø 语义      控制信息的内容，需要完成何种动作以及做出何种响应。－－－“讲什么”
    Ø 同步     事件实现顺序的详细说明。如，速度匹配、排序等。

     

    层 (layer)
    协议 (protocol)
    服务 (service 或业务 )
    接口（ interface)

         原语(primitive)

     

    协议的复杂性

    • 协议必须将 各种 不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。
    •
    • 应当注意：事实上难免有 极个别的 不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时，协议就会失败。因此实际上协议往往只能应付 绝大多数 的不利情况。

     

    服务类型有4种：

    Ø 面向连接与确认服务 －－－页码页序列、远程登录
    Ø 面向连接与不确认服务 －－－数字化的语音（电话）
    Ø 无连接与确认服务 －－－挂号信
    Ø 无连接与不确认服务 －－－电子垃圾邮件

        设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同的服务类型。

     

    在网络体系结构中，下层可以向上提供两种不同类型的服务：

        ☆面向连接服务(connection-oriented service)；

              ☆无连接服务（connectionless service）。

     

    面向连接服务(connection-oriented)

    Ø 类似 电话服务
    Ø 每次数据传输要经过 连接建立 、 数据传输 和 释放连接 三个过程；
    Ø 在数据传输过程中，各数据单元不携带目的地址，而使用连接号；
    Ø 面向连接服务的传输 类似传输前先建立起一个通信管道，发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出数据；
    Ø 面向连接的传输，其收发数据的 顺序不变 ，传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。

     

    无连接服务(connectionless)

    Ø 类似 邮政服务 ；
    Ø 无连接服务中的数据传输过程不需要经过连接建立、数据传输与释放连接的三个过程；
    Ø 无连接服务的每个分组都携带完整的目的节点地址，各分组在系统中是独立传送的；
    Ø 不保证分组的顺序和正确性。数据分组传输过程中，目的节点接收的数据分组可能出现乱序和丢失的现象；
    Ø 无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，通信效率较高。

     

    确认和重传机制

    每一个服务可以用一个服务质量（quality of service）来表述其特征。

    • 网络数据传输的服务质量 —— 可靠性
    • 连接 并不意味可靠，可靠要通过确认、重传等机制来保证。

     

    • 确认 是指 接收节点 在正确地接收到每个分组后，向发送节点发回接收分组的确认信息；

      在规定的时间内，如果发送节点没有接收到接收节点的确认信息，就认为该数据分组发送失败，发送节点将重新发送该数据分组；

    • 确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但是它需要制定较为复杂的确认和重传协议，并且需要增加网络额外的通信负荷，占用网络带宽，同时会造成延迟。

     

    Ø 一个服务通常是由一组原语（ primitive ）操作来描述的，用户进程通过这些原语操作可以访问该服务。
    Ø
    Ø 原语的作用：
    • 告诉 服务 要做些什么

    向用户进程报告对等实体做了些什么

     

    常用原语有：

     请求（ Request ）：表示某实体希望开始调用服务做事；
     指示（ Indication ）：表示某实体被通知有事件发生；
     响应（ Response ）：表示某实体对事件做出响应；
     确认（ Confirm ）：表示对发回响应的确认。

     

    • 服务
    • 涉及同一系统的相邻两个层次之间的接口，定义了下层可以为上层执行的操作，但没有说明这些操作如何完成。
    • 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，上层通过与下层的服务原语的交换来使用下层所提供的服务。
    • 协议
    • 涉及不同系统上的对等实体之间发送的分组，定义了这些实体间通信所要遵循的规则，如数据包的格式及含义等。对等实体使用协议来实现它们的服务。
    • 协议是“水平的” ，即协议是控制对等实体之间的通信的规则

     

    Ø 1974 年 Kahn 定义了最早的 TCP/IP 参考模型；
    Ø 20 世纪 80 年代 Leiner 、 Clark 等人对 TCP/IP 参考模型进一步的研究；
    Ø TCP/IP 协议一共出现了 6 个版本，目前我们使用的是版本 4 ，它的网络层 IP 协议一般记作 IPv4 ；版本 6 的网络层 IP 协议一般记作 IPv6 （或 IPng,  IP next generation ）， IPv6 被称为下一代的 IP 协议。

     

    TCP/IP协议是一组协议的总称，包括：

    IP 层 ( 即互联网层 ) ：

    IP、ICMP、ARP、RARP、OSPF等。

    TCP 层 ( 即传输层 ) ：

    TCP、UDP等。

    应用层：

                            FTP、SMTP、SNMP、HTTP、DNS等

     

    相同点：OSI与TCP/IP模型的比较

    相同的

    1. 都是以协议栈的概念为基础，并且协议栈中的协议彼此相互独立。

    2.  两者都有功能相似的应用层、传输层、网络层。

     

    不同点：

    1. 在OSI模型中，严格地定义了服务、接口、协议；

        在TCP/IP模型中，并没有严格区分服务、接口与协议。

    2. 模型的通用性：

            OSI     ：先有模型，后出现协议－－模型具有较好的通用性

            TCP/IP：先有协议，后出现模型

    3. 层数：

           OSI      ：7层

           TCP/IP：4层

    4. 通信服务类型：

           OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层只支持面向连接的通信；

           TCP/IP模型在网络层只支持无连接通信，但在传输层有无连接和面向连接的两种协议可供用户选择。

     三、计算机网络的主要性能指标

     

    • 速率
    • 带宽
    • 吞吐量
    • 时延

     

    • 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

     

    • “ 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的 “ 最高数据率 ” 的同义语，单位是 “ 比特每秒 ” ，或 b/s (bit/s) 。   

     

    • 宽带线路：可通过较高数据率的线路。
    • 宽带是相对的概念，并没有绝对的标准。
    • 在目前，对于用户接入到因特网的用户线来说，每秒传送几个兆比特就可以算是宽带速率。

     

    宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。

    宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。

     在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄

     

    宽带和窄带线路：车速一样 

    宽带线路：车距缩短

     

    • 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 , 使得吞吐量往往远小于介质本身可以提供的最大数字带宽。
    • 吞吐量以比特 / 秒或字节 / 秒表示。

     

    时延是指数据从一个网络（或一个链路）的一端传送到另一端所需的时间。时延由以下几部分组成：

    • 发送时延 （传输时延 ）

        发送数据时，数据块从结点进入到传输介质所需要的时间。

    • 传播时延

        电磁波在信道上传播一定距离所花费的时间。

    • 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。取决于网络中当时的通信量。

     

    • 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。
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