计算机网络第一章 概述

计算机网络第一章概述，主要介绍计算机网络的基本知识，包括网络发展历史，网络的体系结构，拓扑结构及网络的主要性能指标等内容

第一章 概述

• 教学内容: 介绍计算机网络的基本知识。包括网络发展历史,网络的体系结构，拓扑结构及网络的主要性能指标等内容。
• 教学重点: 计算机网络的概念，数据交换技术，网络体系结构。
• 教学难点: 网络体系结构。
• 1．2 计算机网络的发展过程
  • 1.2.1 分组交换
    • 一、分组交换的产生
      • 1、分组交换是 20 世纪 60 年代美苏冷战时期的产物。
      • 2、传统的电路交换(circuit switching)（如电信网）的缺点：
        • 正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。
      • 60 年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA (Advanced Research Project Agency) 提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。要求能满足如下一些条件：
        • <1>网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。
        • <2>所有的网络结点都同等重要，不能哪个节点可以控制其他节点。
        • <3>计算机在进行通信时，必须有冗余的路由，因而大大提高网络的生存性。
        • <4>网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。
    • 二、交换相关概念
      • 交换：
        • 是按照某种方式动态的分配传输线路的资源。
    • 三、数据交换的种类
      • <一>电路交换：
        • 电路交换必定是面向连接的数据交换方式其由三个阶段构成：
          • <1>建立连接，<2>通信，<3>释放连接
        • 电路交换传送计算机数据效率低。
        • 1、电路交换的缺点：
          • <1>电路交换是面向连接的数据交换方式，由三个阶段构成，这导致通信线路的利用率很低。计算机数据具有突发性。
        • 2、电路交换的优点：
          • <1>可靠性高。
          • <2>传送的数据能按时按序到达目的节点。
      • <二>报文交换：
        • • 类似于电报方式的一种传输方式。采用存储转发技术。但报文不管大小都一次性传送。对中间存储节点要求较高。
      • <三>分组交换：
        • 分组交换方式的工作过程：
          • 采用存储转发技术。在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。每一个数据段前面添加上首部构成分组。分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端。
          • 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。把收到的数据恢复成为原来的报文。
        • 分组交换的优点
          • <1>高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段共享占用。
          • <2>灵活 以分组为传送单位和查找路由。
          • <3>迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。
    • 核心知识点
      • 数据交换方式
        • （1）电路交换
        • （2）电报方式
        • （3）分组交换
      • 分组交换的特点
        • （1）采用存储/转发技术，提升了信道利用率。
        • （2）采用无连接服务方式，数据传送高效、灵活、快捷。
  • 1.2.2 因特网时代
    • 一、因特网的基础结构的演进（大体上经历了三个阶段）
      • <1>因特网发展的第一阶段
        • 第一个分组交换网 ARPANET 最初只是一个单个的分组交换网，只有四个节点。ARPA 研究多种网络互连的技术。1983 年 TCP/IP 协议成为标准协议。 同年，ARPANET分解成两个网络： ARPANET——进行实验研究用的科研网 MILNET——军用计算机网络 1983~1984 年，形成了因特网 Internet。 1990 年 ARPANET 正式宣布关闭。
      • <2>因特网发展的第二阶段
        • 1986 年，NSF 建立了国家科学基金网，NSFNET。它是一个三级计算机网络： 主干网 地区网 校园网 三级结构的因特网。 1991 年，美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入因特网的单位收费。1993 年因特网主干网的速率提高到 45 Mb/s（T3 速率）。 各网络之间需要使用路由器来连接。主机到主机的通信可能要经过多种网络。
      • <3>因特网发展的第三阶段
        • 从1993年开始，由美国政府资助的 NSFNET逐渐被若干个商用的 ISP 网络所代替。 1994 年开始创建了 4 个网络接入点 NAP (Network Access Point)，分别由 4 个电信公司经营。NAP 就是用来交换因特网上流量的结点。在NAP 中安装有性能很好的交换设施。 到本世纪初，美国的 NAP 的数量已达到十几个。从 1994 年到现在，因特网逐渐演变成多级结构网络。
  • 1.2.3 关于因特网的标准化工作
    • 制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段：
      • 因特网草案(Internet Draft) ——在这个阶段还不是 RFC 文档。
      • 因特网草案(Internet Draft) ——在这个阶段还不是 RFC 文档。
      • 建议标准(Proposed Standard) ——从这个阶段开始就成为 RFC 文档。
      • 草案标准(Draft Standard)
      • 因特网标准(Internet Standard)
• 1.3 计算机网络的分类
  • 1.3.1 计算机网络的定义
    • 将空间地理位置不同的具有独立处理能力的计算机，由通信线路连接起来，在网络操作系统控制（包括通信协议）之下，实现资源共享的计算机群，称为计算机网络。
  • 1.3.2 计算机网络的几种不同分类方法
    • 1、从网络的交换功能进行分类
      • （1）电路交换（2）报文交换（3）分组交换（4）混合交换
    • 2、从网络的作用范围进行分类
      • 广域网 WAN (Wide Area Network)
      • 局域网 LAN (Local Area Network)
      • 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)
      • 接入网 AN (Access Network)
    • 3、从网络的使用者进行分类
      • 公用网 (public network)
      • 专用网 (private network)
  • 核心知识点：
    • 计算机网络概念
    • 按空间地理划分：
      • （1）局域网（LAN）
      • （2）广域网（WAN）
      • （3）城域网（MAN）
      • （4）AN（接入网有的又称PAN，个人区域网）
• 1.4 计算机网络的主要性能指标
  • 1.4.1 带宽
    • 1、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）
    • 2、计算机网络中最常用的带宽概念：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)。通常是信道的数据传输速率
    • 更常用的带宽单位是
      • 千比每秒，即 kb/s （103 b/s）
      • 兆比每秒，即 Mb/s（106 b/s）
      • 吉比每秒，即 Gb/s（109 b/s）
      • 太比每秒，即 Tb/s（1012 b/s）
      • 请注意： 1Kb = 1024b，1M b=1024Kb, 1G = 1024Mb, 1T = 1024Gb。
  • 1.4.2 时延
    • 1、时延(delay 或 latency)的种类：
      • <1>发送时延：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。
        • 发送时延=数据块长度/数据传输率
      • <2>传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
        • 传播时延=线路长度/信号在信道上的传播速率
        • 例 同轴电缆中电磁波传播速度约为光速的三分之二。
      • <3>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，如分析分组的首部、提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等等，产生了处理时延。
      • <4>排队时延 分组进入和从接口转发输出时都要进入相应的输入队列和输出队列，在其中排队所花费的时间，称为排队时延。
      • 数据经历的总时延： 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延+排队时延。
    • 容易产生的错误概念：
      • 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。 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。
  • 1.4.3 时延带宽积和往返时延
    • 往返时延 RTT (Round-Trip Time) 表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。
• 1.5 计算机网络的体系结构
  • 1.5.1 计算机网络体系结构的形成
    • 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。“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。
    • 1、关于开放系统互连参考模型OSI/RM：
      • 只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。在市场化方面 OSI 却失败了。
      • OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；
      • OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；
      • OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场；
    • 2、两种国际标准：
      • 法律上的(de jure)国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。是非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的(de facto) 国际标准。
  • 1.5.2 划分层次的必要性
    • 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。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（同步含有时序的意思）。为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即网络协议(network protocol)，简称为协议。
    • 1、分层的好处
      • 各层之间是独立的。
      • 灵活性好。
      • 结构上可分割开。
      • 易于实现和维护。
      • 能促进标准化工作。
    • 2、层数多少要适当
      • 若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数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。
  • 1.5.3 计算机网络的体系结构
    • 计算机网络的体系结构(architecture)：
      • 网络体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合。就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。
      • 体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。
      • TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。OSI/RM是七层的体系结构：应用层、会话层、表示层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。
      • 综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构
    • 五层协议的理论体系结构
      • 应用层(application layer)
      • 运输层(transport layer)
      • 网络层(network layer)
      • 数据链路层(data link layer)
      • 物理层(physical layer)
      • 注：五层结构是指从介绍本门课程知识角度来分为五层介绍。不是体系结构中有五层的网络体系结构。
  • 1.5.4 实体、协议、服务和服务访问点等相关概念
    • 1.实体(entity)： 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
    • 2.协议：协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集
      • 网络协议的三个要素
        • 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。
        • 说明：
          • <1>、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。
          • <2>、要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。
          • <3>、本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。
          • <4>、下面的协议对上面的服务用户是透明的。
          • <5>、协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。
    • 3、服务：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。
    • 4、服务访问点 SAP (Service Access Point)：同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点。
    • 5、协议设计的复杂性：
      • 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。必须非常仔细地检查所设计协议能否应付所有的不利情况。
      • 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。
    • 服务方式
      • 1、面向连接服务(connection-oriented)：
        • 面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。
      • 2、无连接服务(connectionless)：
        • 两个实体之间的通信不需要先建立好连接。是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(best effort delivery)或“尽力而为”。
  • 核心知识点：
    • 计算机网络体系结构
      • （1）OSI/RM，七层结构。由高到低的顺序：应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层，物理层。
      • （2）TCP/IP模型，四层结构。应用层，传输层，网络层，网络接口层。
    • 协议及协议三个要素
      • （1）协议：控制对等实体进行数据传送的规则或约定。
      • （2）三要素：语法，语义，同步。
    • 服务方式
      • （1）面向连接服务。由三个过程组成。
      • （2）无连接服务。因特网使用的分组交换主要采用方式。