參考引用

• 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)微課堂-湖科大教書(shū)匠
• 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第7版）-謝希仁

1. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在信息時(shí)代的作用

• 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已由一種通信基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展成為一種重要的信息服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施
• 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)像水、電、煤氣這些基礎(chǔ)設(shè)施一樣，成為我們生活中不可或缺的一部分

2. 因特網(wǎng)概述

2.1 網(wǎng)絡(luò)、互連網(wǎng) (互聯(lián)網(wǎng))和因特網(wǎng)

• 網(wǎng)絡(luò) (Network) 由若干結(jié)點(diǎn) (Node) 和連接這些結(jié)點(diǎn)的鏈路 (Link) 組成

• 多個(gè)網(wǎng)絡(luò)還可以通過(guò)路由器互連起來(lái)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)覆蓋范圍更大的網(wǎng)絡(luò)，即互聯(lián)網(wǎng)(或互連網(wǎng))。因此，互聯(lián)網(wǎng)是 “網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò) (Network of Networks)”
• 因特網(wǎng) (Internet) 是世界上最大的互連網(wǎng)絡(luò) (用戶(hù)數(shù)以?xún)|計(jì)，互連的網(wǎng)絡(luò)數(shù)以百萬(wàn)計(jì))

internet 與 Internet 的區(qū)別

• internet (互聯(lián)網(wǎng)或互連網(wǎng))是一個(gè)通用名詞，它泛指由多個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互連而成的網(wǎng)絡(luò)。在這些網(wǎng)絡(luò)之間的通信協(xié)議可以是任意的
• Internet (因特網(wǎng))則是一個(gè)專(zhuān)用名詞，它指當(dāng)前全球最大的、開(kāi)放的、由眾多網(wǎng)絡(luò)相互連接而成的特定計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它采用 TCP/IP 協(xié)議族作為通信的規(guī)則，其前身是美國(guó)的 ARPANET

2.2 因特網(wǎng)發(fā)展的三個(gè)階段

• 1969年：從單個(gè)網(wǎng)絡(luò) ARPANET 向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展
  • 1969 年，第一個(gè)分組交換網(wǎng) ARPANET
  • 70 年代中期，研究多種網(wǎng)絡(luò)之間的互連
  • 1983 年，TCP/IP 協(xié)議成為 ARPANET 的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 (因特網(wǎng)誕生時(shí)間)
• 1985 年：逐步建成三級(jí)結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)
  • 1985 年，NSF 圍繞六個(gè)大型計(jì)算機(jī)中心建設(shè) NSFNET (主干網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)和校園網(wǎng))
  • 1990 年，ARPANET 任務(wù)完成，正式關(guān)閉
  • 1991 年，美國(guó)政府將因特網(wǎng)主干網(wǎng)交給私人公司經(jīng)營(yíng)，并開(kāi)始對(duì)接入因特網(wǎng)的單位收費(fèi)
• 1993 年：逐步形成了多層次 ISP 結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)
  • 1993 年，NSFNET 逐漸被若干個(gè)商用因特網(wǎng)主干網(wǎng)替代；政府機(jī)構(gòu)不再負(fù)責(zé)因特網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，讓各種因特網(wǎng)服務(wù)提供者 ISP 來(lái)運(yùn)營(yíng)
  • 1994 年，萬(wàn)維網(wǎng) WWW 技術(shù)促使因特網(wǎng)迅猛發(fā)展
  • 1995 年，NSFNET 停止運(yùn)作，因特網(wǎng)徹底商業(yè)化

因特網(wǎng)服務(wù)提供者 ISP (Internet Service Provider)

基于 ISP 的三層結(jié)構(gòu)的因特網(wǎng)

2.3 因特網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作

• 因特網(wǎng)在制定其標(biāo)準(zhǔn)上的一個(gè)很大的特點(diǎn)是面向公眾

  • 因特網(wǎng)所有的 RFC(Request For Comments) 技術(shù)文檔都可從因特網(wǎng)上免費(fèi)下載
    (http://www.ietf.org/rfc.html)
  • 任何人都可以隨時(shí)用電子郵件發(fā)表對(duì)某個(gè)文檔的意見(jiàn)或建議

• 因特網(wǎng)協(xié)會(huì) ISOC 是一個(gè)國(guó)際性組織，它負(fù)責(zé)對(duì)因特網(wǎng)進(jìn)行全面管理，以及在世界范圍內(nèi)促進(jìn)其發(fā)展和使用

  • 因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)委員會(huì) IAB，負(fù)責(zé)管理因特網(wǎng)有關(guān)協(xié)議的開(kāi)發(fā)
  • 因特網(wǎng)工程部 IETF，負(fù)責(zé)研究中短期工程問(wèn)題，主要針對(duì)協(xié)議的開(kāi)發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化
  • 因特網(wǎng)研究部 IRTF，從事理論方面的研究和開(kāi)發(fā)一些需要長(zhǎng)期考慮的問(wèn)題
    

• 制訂因特網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)要經(jīng)過(guò)以下 4 個(gè)階段

  • 1、因特網(wǎng)草案 (在這個(gè)階段還不是 RFC 文檔)
  • 2、建議標(biāo)準(zhǔn) (從這個(gè)階段開(kāi)始就成為 RFC 文檔)
  • 3、草案標(biāo)準(zhǔn)
  • 4、因特網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 因特網(wǎng)的組成

• 邊緣部分
  • 由所有連接在因特網(wǎng)上的主機(jī)組成。這部分是用戶(hù)直接使用的，用來(lái)進(jìn)行通信（傳送數(shù)據(jù)、音頻或視頻）和資源共享
• 核心部分
  • 由大量網(wǎng)絡(luò)和連接這些網(wǎng)絡(luò)的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務(wù)的（提供連通性和交換）

3. 三種交換方式

3.1 電路交換 (Circuit Switching)

• 電話交換機(jī)接通電話線的方式稱(chēng)為電路交換
• 從通信資源的分配角度來(lái)看，交換 (Switching)就是按照某種方式動(dòng)態(tài)地分配傳輸線路的資源
• 電路交換的三個(gè)步驟
  • 建立連接 (分配通信資源)
  • 通話 (一直占用通信資源)
  • 釋放連接 (歸還通信資源)
    

當(dāng)使用電路交換來(lái)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，其線路的傳輸效率往往很低，因此通常不采用該方式傳輸計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，而是采用分組交換的方式

3.2 分組交換 (Packet Switching)

• 發(fā)送方
  • 構(gòu)造分組發(fā)送分組
• 路由器
  • 緩存分組轉(zhuǎn)發(fā)分組
• 接收方
  • 接收分組還原報(bào)文
    

3.3 報(bào)文交換 (Message Switching)

• 主要用于早期的電報(bào)通訊網(wǎng)，現(xiàn)在較少使用，故不再贅述

3.4 三種交換方式對(duì)比

• 電路交換
  • 優(yōu)點(diǎn)：通信時(shí)延小、有序傳輸、沒(méi)有沖突、適用范圍廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單
  • 缺點(diǎn)：建立連接時(shí)間長(zhǎng)、線路獨(dú)占使用效率低、靈活性差、難以規(guī)格化
• 報(bào)文交換
  • 優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需建立連接、動(dòng)態(tài)分配線路、提高線路可靠性、提高線路利用率、提供多目標(biāo)服務(wù)
  • 缺點(diǎn)：引起了轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、需要較大存儲(chǔ)緩存空間、需要傳輸額外的信息量
• 分組交換
  • 優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需建立連接、線路利用率高、簡(jiǎn)化了存儲(chǔ)管理、加速傳輸、減少出錯(cuò)概率和重發(fā)數(shù)據(jù)量
  • 缺點(diǎn)：引起了轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延、需要傳輸額外的信息量、對(duì)于數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)，存在失序、丟失或重復(fù)分組的問(wèn)題；對(duì)于虛電路服務(wù)，存在呼叫建立、數(shù)據(jù)傳輸和虛電路釋放三個(gè)過(guò)程

4. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義和分類(lèi)

4.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的定義

• 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的最簡(jiǎn)單的定義
  • 一些互相連接的、自治的計(jì)算機(jī)的集合
    • 互連：是指計(jì)算機(jī)之間可以通過(guò)有線或無(wú)線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信
    • 自治：是指獨(dú)立的計(jì)算機(jī)，它有自己的硬件和軟件，可以單獨(dú)運(yùn)行使用
    • 集合：是指至少需要兩臺(tái)計(jì)算機(jī)
• 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的較好的定義
  • 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要是由一些通用的、可編程的硬件互連而成的，而這些硬件并非專(zhuān)門(mén)用來(lái)實(shí)現(xiàn)某一特定目的 (例如，傳送數(shù)據(jù)或視頻信號(hào))。這些可編程的硬件能夠用來(lái)傳送多種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)，并能支持廣泛的和日益增長(zhǎng)的應(yīng)用
    • 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)所連接的硬件，并不限于一般的計(jì)算機(jī)，而是包括了智能手機(jī)等智能硬件
    • 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)并非專(zhuān)門(mén)用來(lái)傳送數(shù)據(jù)，而是能夠支持很多種的應(yīng)用 (包括今后可能出現(xiàn)的各種應(yīng)用)

4.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)

• 按交換技術(shù)分類(lèi)
  • 電路交換網(wǎng)絡(luò)
  • 報(bào)文交換網(wǎng)絡(luò)
  • 分組交換網(wǎng)絡(luò)
• 按使用者分類(lèi)
  • 公用網(wǎng)
  • 專(zhuān)用網(wǎng)
• 按傳輸介質(zhì)分類(lèi)
  • 有線網(wǎng)絡(luò)
  • 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
• 按覆蓋范圍分類(lèi)
  • 廣域網(wǎng)WAN
  • 城域網(wǎng)MAN
  • 局域網(wǎng)LAN
  • 個(gè)域網(wǎng)PAN
• 按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類(lèi)
  • 總線型網(wǎng)絡(luò)
  • 星型網(wǎng)絡(luò)
  • 環(huán)型網(wǎng)絡(luò)
  • 網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)
    

5. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)

• 性能指標(biāo)可以從不同的方面來(lái)度量計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能

5.1 常用的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)

• 1. 速率
  

• 2. 帶寬

  • 帶寬的這兩種表述之間有著密切的聯(lián)系。一條通信線路的 “頻帶寬度” 越寬，其所傳輸數(shù)據(jù)的 “最高數(shù)據(jù)率” 也越高
    

• 3. 吞吐量

  • 吞吐量表示在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某個(gè)網(wǎng)絡(luò) (或信道、接口) 的數(shù)據(jù)量
  • 吞吐量被經(jīng)常用于對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的網(wǎng)絡(luò)的一種測(cè)量，以便知道實(shí)際上到底有多少數(shù)據(jù)量能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)
  • 吞吐量受網(wǎng)絡(luò)的帶寬或額定速率的限制
    

• 4. 時(shí)延
  

• 5. 時(shí)延帶寬積

  • 時(shí)延帶寬積 = 傳播時(shí)延 × 帶寬
  • 若發(fā)送端連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，則在所發(fā)送的第一個(gè)比特即將到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，發(fā)送端就已經(jīng)發(fā)送了時(shí)延帶寬積個(gè)比特
  • 鏈路的時(shí)延帶寬積又稱(chēng)為以比特為單位的鏈路長(zhǎng)度

• 6. 往返時(shí)間

  • 在許多情況下，因特網(wǎng)上的信息不僅僅單方向傳輸，而是雙向交互
  • 有時(shí)很需要知道雙向交互一次所需的時(shí)間
  • 因此，往返時(shí)間 RTT(Round-Trip Time) 也是一個(gè)重要的性能指標(biāo)
    

• 7. 利用率

  • 信道利用率：用來(lái)表示某信道有百分之幾的時(shí)間是被利用的 (有數(shù)據(jù)通過(guò))
  • 網(wǎng)絡(luò)利用率：全網(wǎng)絡(luò)的信道利用率的加權(quán)平均

  1、根據(jù)排隊(duì)論，當(dāng)某信道的利用率增大時(shí)，該信道引起的時(shí)延也會(huì)迅速增加，因此，信道利用率并非越高越好。如果令 $D_0$ 表示網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)的時(shí)延，D 表示網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的時(shí)延，那么在適當(dāng)?shù)募俣l件下，可以用下面的簡(jiǎn)單公式來(lái)表示 D、$D_0$ 和利用率 U 之間的關(guān)系$$D=\frac{D_o}{I?U}$$

  • 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的利用率達(dá)到 50% 時(shí)，時(shí)延就要加倍
  • 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的利用率超過(guò) 50% 時(shí)，時(shí)延急劇增大
  • 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的利用率接近 100% 時(shí)，時(shí)延就趨于無(wú)窮大
  • 因此，一些擁有較大主千網(wǎng)的 ISP 通常會(huì)控制它們的信道利用率不超過(guò) 50%。如果超過(guò)了，就要準(zhǔn)備擴(kuò)容，增大線路的帶寬。

  2、也不能使信道利用率太低，這會(huì)使寶貴的通信資源被白白浪費(fèi)。應(yīng)該使用一些機(jī)制，可以根據(jù)情況動(dòng)態(tài)調(diào)整輸入到網(wǎng)絡(luò)中的通信量，使網(wǎng)絡(luò)利用率保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

• 8. 丟包率

  • 丟包率即分組丟失率，是指在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，傳輸過(guò)程中丟失的分組數(shù)量與總分組數(shù)量的比率
  • 丟包率具體可分為接口丟包率、結(jié)點(diǎn)丟包率、鏈路丟包率、路徑丟包率、網(wǎng)絡(luò)丟包率
  • 丟包率是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員非常關(guān)心的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，但對(duì)于普通用戶(hù)來(lái)說(shuō)往往并不關(guān)心這個(gè)指標(biāo)因?yàn)樗麄兺ǔＲ庾R(shí)不到網(wǎng)絡(luò)丟包
  • 分組丟失主要有兩種情況
    • 分組在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)誤碼，被結(jié)點(diǎn)丟棄
    • 分組到達(dá)一臺(tái)隊(duì)列已滿(mǎn)的分組交換機(jī)時(shí)被丟棄；在通信量較大時(shí)就可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞
  • 因此，丟包率反映了網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況
    • 無(wú)擁塞時(shí)路徑丟包率為 0
    • 輕度擁塞時(shí)路徑丟包率為 1% ~ 4%
    • 嚴(yán)重?fù)砣麜r(shí)路徑丟包率為 5% ~ 15%

6. 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

6.1 常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

• OSI 體系結(jié)構(gòu)（法律上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）

  • 應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、運(yùn)輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層

• TCP/IP 體系結(jié)構(gòu)（事實(shí)上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）

  • 應(yīng)用層、運(yùn)輸層、網(wǎng)際層、網(wǎng)絡(luò)接口層
    

• 原理體系結(jié)構(gòu)（適于教學(xué)）

  • 應(yīng)用層：解決通過(guò)應(yīng)用進(jìn)程的交互來(lái)實(shí)現(xiàn)特定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的問(wèn)題
  • 運(yùn)輸層：解決進(jìn)程之間基于網(wǎng)絡(luò)的通信問(wèn)題
  • 網(wǎng)絡(luò)層：解決分組在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)上傳輸 (路由)的問(wèn)題
  • 數(shù)據(jù)鏈路層：解決分組在一個(gè)網(wǎng)絡(luò) (或一段鏈路) 上傳輸?shù)膯?wèn)題
  • 物理層：解決使用何種信號(hào)來(lái)傳輸比特的問(wèn)題

6.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層的必要性

• 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)。早在最初的 ARPANET 設(shè)計(jì)時(shí)就提出了分層的設(shè)計(jì)理念
• 分層可將龐大而復(fù)雜的問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為若干較小的局部問(wèn)題，而這些較小的局部問(wèn)題就比較易于研究和處理
• 下面按照由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的順序，來(lái)看看實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)要面臨哪些主要的問(wèn)題，以及如何將這些問(wèn)題劃分到相應(yīng)的層次，層層處理。
  

6.3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層思想舉例

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分層思想舉例

6.4 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)

實(shí)體、協(xié)議和服務(wù)

• 實(shí)體：任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進(jìn)程

  • 對(duì)等實(shí)體：收發(fā)雙方相同層次中的實(shí)體
    

• 協(xié)議：控制兩個(gè)對(duì)等實(shí)體進(jìn)行邏輯通信的規(guī)則的集合，三要素（語(yǔ)法、語(yǔ)義和同步）
  

  • 語(yǔ)法：定義所交換信息的格式
    

  • 語(yǔ)義：定義收發(fā)雙方所要完成的操作

  • 同步：定義收發(fā)雙方的時(shí)序關(guān)系
    

• 服務(wù)

  • 在協(xié)議的控制下，兩個(gè)對(duì)等實(shí)體間的邏輯通信使得本層能夠向上一層提供服務(wù)

  • 要實(shí)現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下面一層所提供的服務(wù)

  • 協(xié)議是 “水平的”，服務(wù)是 “垂直的”

  • 實(shí)體看得見(jiàn)相鄰下層所提供的服務(wù)，但并不知道實(shí)現(xiàn)該服務(wù)的具體協(xié)議。也就是說(shuō)，下面的協(xié)議對(duì)上面的實(shí)體是 "透明” 的

  • 服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)：在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實(shí)體交換信息的邏輯接口，用于區(qū)分不同的服務(wù)類(lèi)型

    • 數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)為幀的 “類(lèi)型” 字段
    • 網(wǎng)絡(luò)層的服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)為IP數(shù)據(jù)報(bào)首部中的 “協(xié)議字段”
    • 運(yùn)輸層的服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)為 “端口號(hào)”

  • 服務(wù)原語(yǔ)：上層使用下層所提供的服務(wù)必須通過(guò)與下層交換一些命令，這些命令稱(chēng)為服務(wù)原語(yǔ)
    

  • 協(xié)議數(shù)據(jù)單元 PDU：對(duì)等層次之間傳送的數(shù)據(jù)包稱(chēng)為該層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元

  • 服務(wù)數(shù)據(jù)單元 SDU：同一系統(tǒng)內(nèi)，層與層之間交換的數(shù)據(jù)包稱(chēng)為服務(wù)數(shù)據(jù)單元

  • 多個(gè) SDU 可以合成為一個(gè) PDU；一個(gè) SDU 也可劃分為幾個(gè) PDU
    

必須通過(guò)與下層交換一些命令，這些命令稱(chēng)為服務(wù)原語(yǔ)
[外鏈圖片轉(zhuǎn)存中…(img-Ly3ihdV1-1696131772480)]
- 協(xié)議數(shù)據(jù)單元 PDU：對(duì)等層次之間傳送的數(shù)據(jù)包稱(chēng)為該層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元
- 服務(wù)數(shù)據(jù)單元 SDU：同一系統(tǒng)內(nèi)，層與層之間交換的數(shù)據(jù)包稱(chēng)為服務(wù)數(shù)據(jù)單元
- 多個(gè) SDU 可以合成為一個(gè) PDU；一個(gè) SDU 也可劃分為幾個(gè) PDU
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