计算机网络第七版谢希仁 - 第一章概述 - 学习笔记

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发布时间：2019-05-23

本文共 6903 字，大约阅读时间需要 23 分钟。

本章重点内容

（1）互联网边缘部分和核心部分的作用，其中包含分组交换的概念。

（2）计算机网络的性能指标。

（3）计算机网络分层次的体系结构，包含协议和服务的概念。

建议：抽象的概念一下子难以掌握，但是对后面的内容有着指导作用，因此最好时常回顾本章中的基本概念，有利于掌握好整个计算机网络的概念。

1.1 计算机网络在信息时代中的作用

首先我们来讨论一下计算机网络在信息时代中的作用。

毫无疑问，在这个数字化、网络化、信息化的时代，网络是不可或缺的核心部分。对于我们来说，主要有三大类非常熟悉的网络：电信网络、有线电视网络和计算机网络。

	最初分工
电信网络	打电话、发电报、发传真
有线电视网络	传送各种电视节目
计算机网络	在计算机之间传送数据文件

随着科学技术的发展，电信网络和有线电视网络逐渐融入到了现代计算机网络技术，这就是所谓的“三网融合”。计算机网络高速发展，其中Internet更是逐渐发展成为供全球使用的，全球最大和最重要的计算机网络。Internet推荐译名因特网，但是没有得到广泛的推广，因此接下来我们使用更为流行的互联网指代。

互联网之所以能够向许多用户提供服务，正是因为它的两大基本特点：连通性和共享。

1.2 互联网概述

1.2.1 网络的网络

计算机网络（简称网络）是由若干结点（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。比如，下图（a）给出了一个具有四个结点和三条链路的网络，三台计算机分别通过三条链路连接到一个集线器上。在很多情况下，我们可以用一朵云来表示一个网络，这样的好处是可以抛开细节去关注网络互连的一些问题。下图（b）给出了互连网的概念：网络之间通过路由器连接起来形成的更大的网络，即网络的网络。

我们现在可以建立起来一个基本的概念：

网络把许多计算机连接在一起，互连网把许多网络通过路由器连接在一起。与网络连接的计算机常叫做主机。

1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

第一阶段是从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。

1983年，TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都能利用互联网相互通信，因而人们就把1983年作为互联网的诞生时间。这里我们需要注意internet和Internet的区别：

internet（互连网）	通用名词，泛指由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可以任意选择。
Internet（互联网）	专有名词，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，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。

第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的互联网（互联网服务提供者ISP->Internet Service Provider）。

ISP可以从互联网管理机构申请到很多IP地址，同时拥有通信线路以及路由器等连网设备，因此任何机构和个人都可以从ISP获取所需IP地址的使用权，并可通过ISP接入到互联网。根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分为不同次的ISP：主干ISP、地区ISP和本地ISP。

从原理上讲，在这些相互连接的ISP的共同作用下，就可以完成互联网中的所有的分组转发任务，但随着互联网上数据流量的急剧增长，为了能更快的转发分组以及更有效的利用网络资源，互联网交换点IXP（Internet eXchange Point）应运而生。

互联网交换点IXP的主要作用就是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。

1.2.3 互联网的标准化工作

互联网的标准化工作对互联网的发展起到了非常重要的作用。缺乏国际标准，将会使技术的发展处于比较混乱的状态，而盲目自由竞争的结果，很可能形成多种技术体制并存且互不兼容的状态，给用户带来较大的不方便。标准制定的时机也很重要，制定的过早，由于技术还没有发展到成熟水平，会使技术比较陈旧的标准限制了产品的技术水平；反之，若标准制定的太迟，也会使技术的发展无章可循，造成产品的互不兼容。互联网在制定标准上最大的特点是面向公众，而且任何人都可以提出意见和建议。

1992年由于互联网不再归美国政府管辖，因此成立了一个国际性组织叫做互联网协会ISOC（Internet Society），以便对互联网进行全面管理以及在世界范围内促进其发展和使用。ISOC下面有一个技术组织叫做互联网体系结构委员会IAB，IAB下面有两个工程部，分别是互联网工程部IETF（Internet Engineering Task Force）和互联网研究部IRTF（Internet Research Task Force）。

制定互联网的正式标准，要经过以下三个阶段，一、互联网草案，二建议标准，三互联网标准。

1.3 互联网的组成

从工作方式上看，互联网可划分为以下两大块：

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，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 互联网的边缘部分

我们先要明确以下的概念，我们说“主机A和主机B进行通信”，实际上是指“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”，进程指运行着的程序。

在网络边缘的端系统（主机）之间的通信方式，通常可划分为两大类：客户-服务器（C/S）方式和对等（P2P）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，最主要的特征就是客户是服务请求方，服务器是服务提供方。

对等连接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。

1.3.1 互联网的核心部分

在网络核心部分起特殊作用的是路由器，路由器是实现分组交换的关键构件，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。下面先介绍电路交换的基本概念。

在电话问世后不久，人们就发现要让所有的电话机都两两相连是不现实的，因为如果有n部电话，两两相连就需要n*(n-1)/2对电线，当n很大时，电线数量太大了，于是人们认识到应该使用电话交换机将这些电话连接起来。

像拨打电话的整个过程一样，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，称为电路交换。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。

分组交换则采用存储转发技术。通常我们把要发送的整块数据称为一个报文，在发送报文之前，先把较长的报文划分为一个个更小的等长数据段，每个数据段前面加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组。分组是在互联网中传送的数据单元。

当我们讨论互联网的核心部分中的路由器转发分组的过程时，往往把单个的网络简化成一条链路，而路由器成为核心部分的结点。在存储转发的过程中，路由器暂时存储的是一个个短分组，而不是整个的长报文，短分组是暂存在路由器的存储器(即内存)中，而不是存储在磁盘中的，这就保证了较高的交换速率。应当注意的是，分组交换在传送数据之前不必先占用一条端到端的链路的通信资源，分组在哪段链路上传送才占用这段链路的通信资源。

下图归纳了三种交换方式在数据传送阶段的主要特点。

电路交换：整个报文的比特流连续地从原点直达终点，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转发表，转发到下一个结点。

分组交换：单个分组传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

1.4 计算机网络在我国的发展

最早着手建设专用计算机广域网的是铁道部，铁道部在1980年就开始进行计算机联网实验。1989年11月我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。1994年4月20日我国用64kbit/s专线正式连入互联网，从此我国被国际上正式承认为接入互联网的国家。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，我国陆续建造了基于互联网技术并能够和互联网互连的多个全国范围的公用计算机网络，其中规模最大的就是下面这五个：

等等

1.5 计算机网络的类别

1.5.1 计算机网络的定义

计算机网络的精确定义并未统一，较好的定义：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。这些可编程的硬件可以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，可分为广域网WAN、城域网MAN、局域网LAM和个人区域网PAN。

按照网络的使用者进行分类，可分为公用网和专用网。

用来把用户接入到互联网的网络，是接入网AN，它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

(1)速率。网络技术中的速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率或比特率。速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，速率的单位是比特每秒bit/s(或b/s，有时也写为bps即bit per second)。当数据率较高时，就常常在bit/s的前面加上一个字母，例如

k=10^3，M=10^6，G=10^9，T=10^12，P=10^15 ... 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。

(2)带宽。带宽有以下两种不同的意义:

带宽本来是指某个信号具有的频带宽度，这种意义的带宽的单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫等)；

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，这种意义的带宽的单位就是数据率的单位，比特每秒。

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。

(3)吞吐量。吞吐量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。显然，吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

(4)时延。时延是指数据从网络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，有时也称为延迟或迟延。网络中的时延是由以下几个不同的部分组成的：

发送时延。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，因此，发送时延也叫做传输时延。计算公式：发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)；

传播时延。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。计算公式：传播时延=信道长度(m)/电磁波在信号上的传播速率(m/s)；

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，这就产生了处理时延。

排队时延。分组在经过网络传输时要经过许多路由器，但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理，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。

数据在网络中经历的总时延就是以上四种时延之和：总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延。

(5)时延带宽积。时延带宽积=传播时延*带宽，时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

(6)往返时间RTT。在计算机网络中，往返时间也是一个重要的性能指标，因为在许多情况下互联网的信息不仅仅单方面传输，而是双向交互的。

(7)利用率。利用率有信道利用率和网络利用率，信道利用率指的是某信道有百分之几的时间是被利用的，网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延，因此利用率并非越高越好。

1.6.2 计算机网络的非性能特征

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

1.7 计算机网络体系结构

1.7.1 计算机网络体系结构的形成

计算机网络是个非常复杂的系统，为了说明这一点，可以设想一种最简单的情况：连接在网络上的两台计算机要互相传送文件。

显然，在这两台计算机之间必须有一条传送数据的通路，但这还远远不够，至少还有以下几项工作需要去完成：

发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活，所谓激活就是要发出一些信令，保证要传送的计算机数据能在这条通路上正确发送和接收；

要告诉网络如何识别接收数据的计算机；

发起通信的计算机，必须查明对方计算机是否已开机，并且与网络连接正常；

发起通信的计算机中的应用程序，必须弄清楚在对方计算机中的文件管理程序是否已做好接收文件和存储文件的准备工作；

若计算机的文件格式不兼容，至少其中一台应完成格式转换功能；

对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或丢失，网络中某个结点交换机出现故障等，应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够收到正确的文件。

由此可见，相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行。为了设计这样复杂的计算机系统，早在最初的ARPANET设计时即提出了分层的方法。

为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题，他们提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM，简称为OSI。但是由于种种原因，基于TCP/IP的互联网已抢先在全球相当大的范围成功的运行了，最后得到最广泛应用的不是法律上的国际标准OSI，而是非国际标准TCP/IP，因此TCP/IP就常被称为是事实上的国际标准。

OSI失败的原因可归纳为：

1.7.2 协议与划分层次

在计算机网络中要做到有条不紊交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则，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。这里的同步含有时序的意思，即在一定的条件下应当发生什么事件。这些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，简称为协议。网络协议主要由以下三个要素组成：

语法，即数据与控制信息的结构或格式；

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；

同步，即事件实现顺序的详细说明。

分层可以带来很多好处，比如

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。

分层时应注意使每一层的功能非常明确，若层数太少，就会使每一层的协议太复杂，但层次太多，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。通常各层所要完成的功能主要有以下一些：

①差错控制

②流量控制

③分段和重装

④复用和分用

⑤连接建立和释放

计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构。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。

1.7.3 具有五层协议的体系结构

OSI的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。TCP/IP体系结构则不同，但它现在却得到了非常广泛的应用。我们在学习计算机网络的原理时，往往采用折中的办法，综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种具有五层协议的体系结构。

简要的介绍下各层的主要功能：

应用层：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；

运输层：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。运输层主要使用以下两种协议，传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP；

网络层：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：数据链路层常简称为链路层，我们知道两台主机之间的数据传输总是在一段一段的链路上传送的，这就需要使用专门的链路层的协议；

物理层：在物理层上所传数据的单位是比特，考虑如何在物理媒体上传送比特流。