第一章 概述

1. 计算机网络的特点，互联网发展的三个阶段

计算机网络特点

• 连通性：使上网用户之间都可以交换信息（数据，以及各种音频视频） ，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。注意，互联网具有虚拟的特点，无法直接的知道对方是谁，和对方的位置。
• 共享：指资源共享。 资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。 由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样，方便使用。

互联网发展三个阶段

• 1969 ARPANET向互联网发展

• 1985 三级结构因特网

• 1993 多层次ISP结构因特网

• 1994.4.20 我国正式接入互联网

2. 互联网的组成（边缘部分，核心部分），交换方式

互联网组成

边缘部分（设备，用来进行通信和资源共享）、核心部分（路由器和网络，提供连通性和交换）

交换方式

• 电路交换

  建立连接： 分配通信资源

  通话： 一直占用通信资源

  释放连接： 归还通信资源

计算机之间的数据传送是突发式的，当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率一般都会很低

• 分组交换

  发送方： 构造分组、发送分组

  交换节点： 缓存分组、转发分组

  接收方：接收分组、还原报文

  其优点：

  • 没有建立连接和释放连接的过程。
  • 分组传输过程中逐段占用通信链路，有较高的通信线路利用率。
  • 交换节点可以为每一个分组独立选择转发路由，使得网络有很好的生存性。

  缺点：

  • 分组首部带来了额外的传输开销。
  • 交换节点存储转发分组会造成一定的时延。
  • 无法确保通信时端到端通信资源全部可用，在通信量较大时可能造成网络拥塞。
  • 分组可能会出现失序和丢失等问题。

• 报文交换

  • 在报文交换中，报文被整个地发送，而不是拆分成若干个分组进行发送。
  • 交换节点将报文整体接收完成后才能查找转发表，将整个报文转发到下一个节点。
  • 因此，报文交换比分组交换带来的转发时延要长很多，需要交换节点具有的缓存空间也大很多

三种方式对对比及其优缺点：

1. 若要连续传送大量的数据，并且数据传送时间远大于建立连接的时间，则使用电路交换可以有较高的传输效率。然而计算机的数据传送往往是突发式的，采用电路交换时通信线路的利用率会很低。
2. 报文交换和分组交换都不需要建立连接（即预先分配通信资源），在传送计算机的突发数据时可以提高通信线路的利用率。
3. 将报文构造成若干个更小的分组进行分组交换，比将整个报文进行报文交换的时延要小，并且还可以避免太长的报文长时间占用链路，有利于差错控制，同时具有更好的灵活性。

3. 计算机网络的分类

计算机网络定义

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（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够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。

• 可编程硬件指要有CPU
• 计算机网络并非只用来传送数据，而是能够基于数据传送进而实现各种各样的应用，包括今后可能出现的各种应用。

计算机网络分类

• 交换方式：电路交换、分组交换、报文交换

• 使用者：公用网（因特网）、专用网（军队、铁路、电力、银行）

• 传输介质：无线网络（通过路由器）、有线网络（通过交换机）

• 覆盖范围：广域网（WAN、几十到几千千米）、城域网（MAN、5-50千米）、局域网（LAN、1千米左右）、个域网（PAN、10米）

• 拓扑结构：总线型、星型、环形、网状型

4. 计算机网络的性能（速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、利用率、非性能特征）

速率

速率是指数据的传送速率（即每秒传送多少个比特），也称为数据率（Data Rate）或比特率（Bit Rate）

• 速率的基本单位是比特/秒（bit/s，可简记为b/s，有时也记为bps，即bit per second）。速率的常用单位有千比特/秒（kb/s或kbps）、兆比特/秒（Mb/s或Mbps）、吉比特/秒（Gb/s或Gbps）以及太比特/秒（Tb/s或Tbps）。

带宽

用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，即在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。

• 单位：b/s（kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s）。
• 数据传送速率 = min [ 主机接口速率，线路带宽，交换机或路由器的接口速率 ] （木桶短板效应）

吞吐量

吞吐量是指在单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量。吞吐量常被用于对实际网络的测量，以便获知到底有多少数据量通过了网络，受网络带宽限制。

时延

时延是指数据从网络的一端传送到另一端所耗费的时间，也称为延迟或迟延。 数据可由一个或多个分组、甚至是一个比特构成。

• 发送时延计算：需要的最小时长 = 所有分组的发送时延 + 1个分组的发送时延×2

时延带宽积

时延带宽积是传播时延和带宽的乘积，链路的时延带宽积也称为以比特为单位的链路长度。

往返时间

往返时间（Round-Trip Time，RTT）是指从发送端发送数据分组开始，到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止，总共耗费的时间。

利用率

• 链路利用率： 链路利用率是指某条链路有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）。完全空闲的链路的利用率为零。
• 网络利用率： 网络利用率是指网络中所有链路的链路利用率的加权平均。

根据排队论可知，当某链路的利用率增大时，该链路引起的时延就会迅速增加。

当网络的通信量较少时，产生的时延并不大，但在网络通信量不断增大时，分组在交换节点（路由器或交换机）中的排队时延会随之增大，因此网络引起的时延就会增大。

令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，那么在理想的假定条件下，可用下式来表示D、D0和网络利用率U之间的关系。

非性能特征

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 可扩展性和可升级性
• 易于管理和维护

5. 计算机网络体系结构，实体、协议、服务之间的关系

三种计算机网络体系结构

实体、协议、服务及其之间的关系

• 实体

  • 实体是指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

  • 对等实体是指通信双方相同层次中的实体。

• 协议

  • 协议是控制两个对等实体在“水平方向” 进行“逻辑通信”的规则的集合

  • 协议的三要素： 语法（定义所交换信息的格式）、语义（定义通信双方所要完成的操作）、同步（定义通信双方的时序关系）

• 服务

  • 在协议的控制下，两个对等实体在水平方向的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务。

  • 要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

  • 在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点SAP，它被用于区分不同的服务类型。

  • 帧的“类型”字段、IP数据报的“协议”字段，TCP报文段或UDP用户数据报的“端口号”字段都是SAP。

  • 对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）。

  • 同一系统内层与层之间交换的数据包称为服务数据单元（Service Data Unit，SDU）。