计算机网络概述

1.计算机网络和互联网

1.1 计算机网络的定义和特点

• 定义： 计算机网络：是由一些通用的、可编程的硬件互连而成。 互联网：是全球最大的、由众多异构网络相互连接而成的计算机网络，是网络的网络。

• 特点： 连通性：将用户终端彼此连通。 资源共享：信息共享、软件共享、硬件共享等。

1.2 互联网的历史

计算机所产生的数据具有突发性，因此电话网的技术并不适 用千构建计算机网络。分组交换的研究工作奠定了互联网的基础

• 20世纪60年代，美国高级研究计划局ARPA着手筹建“分布 式网络＂，该网络后来命名为ARPAnet,是今天的互联网的前身。

• 1969年5月，APRAnet的第一台分组交换机安装在美国加州 大学洛杉矶分校(UCLA)。

• 1972年，ARPAnet发展成具有15台分组交换机的计算机网络。

• 1973年，著名论文《关千包交换网络的协议》发表，提出不同计算机网络 通过“网关”进行联接的概念，并设计了TCP协议。

• 1981年，IP协议(Rfc791)和TCP协议(RFC793)正式发布。

• 1983年，具有网络互联能力的TCP/IP协议成为ARPAnet上的标准协议。

1.3 互联网的发展阶段

1.3.1 阶段1:从APRAnet的建立到关闭

• 1969年，APRAnet建立；
• 1981年，IP和TCP发布 ；
• 1983年，ARPAnet迁移到TCP/IP；
• 1990年，ARPAnet正式关闭。

1.3.2 阶段2:美国国家科学基金网NSFnet的建立 到停止运作

• 1985 年 ， 美 国国家科学基金会(National Science Foundation，NSF)利用TCP/IP协议建 立了用于科学研究和教育的骨干网NSFnet；
• NSFnet覆盖了美国主要的大学和研究所；
• NSFnetNSFnet是一个三级结构的计算机网络， 分为主干网、地区网和校园网；
• 1995年，NSFnet停止运作。
• NSFnet的主干网带宽从1985年的56kbIT/s发展到 1995年的45Mbit/s。

1.3.3 阶段3:商业互联网的兴起和发展

• 1991年，NSF解除了对NSFnet用千商业目的的限制。互联网服务提供商ISP开始提供 互联网接入服务。
• 1989年，欧州原子核研究组织CERN发明了万维网。万维网将互联网带入数以万计的 家庭和单位。万维网出现后，互联网进入爆炸性发展的阶段。

2.互联网结构

互联网的拓扑结构虽然非常复杂，但从其 工作方式上看，可以分为两大部分： 网络边缘、网络核心

2.1 网络边缘

网络边缘部分由所有连接在互联网上的主机以及接入网构成，网络边缘部分是用户直接使用的。

2.1.1 主机

主机包括：个人计算机、服务器、超级计算机、智能手机、智能家电、智能 可穿戴装备、网络摄像头、汽车以及各种网络传感器等。

2.1.2 接入网

接入网指将主机连接到其边缘路由器的网络，边缘路由器指进入互联网核心部分后的第一台路由器。

• 接入网方式：

  接入网包括：ADSL接入、光纤同轴混合网、FTTH接入、以太网接入、 wifi接入以及蜂窝移动接入等.

  • ADSL接入: ADSL指非对称数字用户线, 采用频分复用技术把用户 线分成了电话、上行数据 和下行数据三个相对独立 的信道。用户可以边打电 话边上网。

    

  • 光纤同轴混合网HFC 光纤同轴混合网HFC是利用有 线电视网现有的基础设施，提供的一种宽带接入网。

    

  • FTTH接入 光纤到户FTTH是FTTx技术的一种。 最常用的FTTH实现方案是无源光网络PON

    

  • 以太网接入和WiFi接入 通过以太网将主机连接到边缘路由器的方法，称为以太网接入。通过无线局域网的接入， 称为WiFi接入

    

  • 蜂窝移动接入 通过蜂窝移动网络，将主机 连接到互联网的方法称为蜂 窝移动接入。 蜂窝移动技术的发展已经经 历了4代，俗称：1G、2G、 3G和4G，第5代(5G)标 准正在制定中。

    

• 传输媒体的种类

  

2.2 网络核心

网络核心部分由ISP网络、其它网络以及连接这些网络的路由器组成。 网络核心部分是为网络边缘部分提供通信服务的。

计算机网络采用分组交换方式，路由器是网络核心部分最重要的设备，是实现分组交换的关键构件，其作用是将收到的分组转发到另一个网络

2.2.1 交换的引入

端系统数量很少时，可以采用全互连方法实现点对点通信。但全互连方式中，需要 N(N-1)/2条互连线。当 增加第N+1个端系统时， 必须增设N条线路。因此，引入交换设备， 称为交换机或交换结点。所有端系统通过用户线 连接到交换结点上，由交换结点控制端系统间的连接。

当端系统分布的区域较广时，需设置多个交换结点，交换结点之间用中继线相连。 当交换的范围更大时，需要再次引交换结点，由此形成交换网。

交换的定义：从通信资源分配的角度来看，交换就是按照某种方式分配传输线路的资源。

交换的方式：在通信网络中有多种交换方式，电路交换、分组交换和报文交换是其中最典 型的三种。

• 传统的电话网络采用电路交换方式；
• 计算机网络采用分组交换方式；
• 早期的电报网络采用报文交换方式。

2.2.2 电路交换

电路交换属于通信资源的预分配系统。

电路交换的过程：电路交换方式是面向连接的交换方式。必须经过 :

1. 建立连接：例如打电话拨号；
2. 数据传输：例如通话；
3. 释放连接：例如挂断电话。

• 中继线中多路电话信号可以通过频分复用、时分复用等信道复用技术共享通信线路资源。
• 特点： 固定分配资源：通信资源在建立连接阶段已经预先分配给通话的双方了，在通话的全部时间内，通话的两个终端始终占用端到端的通信资源。

2.2.3 分组交换

分组交换属于通信资源的动态分配系统。

计算机网络数据具有突发特性，如果使用电路交换方式，通信资源的利用率 将极低。 因此，计算机网络采用分组交换方式。分组交换技术的出现奠定了互联网发 展的基础。

特点： • 分组； • 存储转发； • 逐段占用通信链路资源； • 虚电路或数据报。

(1)分组

分组：分组是互联网中传输的数据单元 报文：待发送的完整数据块称为报文(message) 包：将报文分成较小的数据段，在每个数据段前面增加控制信息，构成分组(packet)。分组也称为包。 包头增加的控制信息称为首部(header)，也称为包头。

(2)存储转发

路由器收到一个分组后，先暂时存储起来； 然后根据首部中的控制信息，找到合适的接口将分组转发出去； 每台路由器都以存储转发的方式，逐跳(hop)处理，最终将分组交付目的主机； 目的主机将分组重新还原成报文。

(3)逐段占用通信链路资源

它通信链路资源并不被当前通信的双方所占用，即分组交换是逐段占用通信资源的。 带宽资源并不会预先分配给某一次通信，而是可以为多次通信所共享，其通信资源的利用率较高。

(4)分组交换的两种方式

分组交换包括两种方式：虚电路 (Virtual Circuit，VC)方式和数据报 (datagram)方式。

虚电路方式： 虚电路方式是面向连接的，虚电路中连 接，不是物理连接，只是一条逻辑连接。 建立虚电路后，在数据通信阶段，路由 器根据虚电路标识转发分组，属千相同 虚电路的数据分组将沿着相同的路径、 按序通过网络，到达目的结点。

数据报方式： 数据报方式是无连接的，即发送数据之前不需要先建立连接。

数据报方式中，路由器为每个分组独立选择转发接口，从相同源结点发往相同目的结点的数据分组，有可能沿着不同的路径，也有可能失序通过网络，到达目的结点。 （目前，互联网采用的交换方式就是数据报方式的分组交换）

(5)分组交换的问题

增大了时延：分组在各路由器中存储转发时，需要在队列中排队，这会增加 一些时延。 增大了开销：每一个分组的首部中都包含一些控制信息，这会增加一定的开销

2.2.4 报文交换

报文交换方式也采用存储转发方式。 报文交换与分组交换的区别在于：报文交换传输的数据单元是一个完整的报文，而分组交换传输的数据单元是较小的分组。

2.2.5 三种交换方式的比较

2.2.6 分组交换网的性能

(1)带宽

频域称谓 带宽是频带宽度的简称，单位是赫兹(Hz) 信号的带宽指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围 信道的带宽指该信道允许通过的信号的频带范围

时域称谓 在计算机网络中，带宽是指在单位时间内能传输的最大数据星，也称为最高数据率，用来表示网络中某信道的数据传送能力，单位是比特每秒(bit/s)

(2)吞吐量

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络或接 口的实际数据量，单位是比特每秒 (bit/s) 以文件传输应用为例，主机在任何瞬间接收到该 文件的速率称为瞬时吞吐量，主机收到完整文件 后计算的平均速率称为平均吞吐量。 端到端吞吐量是衡量计算机网络性能的一个 重要指标。 • 端到端吞吐量受到网络带宽的限制。 • 端到端吞吐量也会受到网络中其它通信量的影响

(3)时延

分组从源主机出发，经过一系列路由器，最终到达目的主机，在这个过程中 所花费的时间称为端到端时延。端到端时延由处理时延(processing delay)、排队时延(queuing delay)、**传输时延(**transmission delay)和 传播时延(propagation delay)等几个部分组成。

端到端时延 = 处理时延+ 排队时延+ 发送时延+ 传播时延

• 处理时延：结点在收到分组后，结点处理分组所花费的时间，称为处理时延。

• 排队时延：分组进入路由器后，在输入队列或输出队列中排队所产生的时延 称为排队时延。

• 传输时延：结点将分组传输到链路上所需要的时间，也称为发送时延。 发 送 时 延 = 分 组 长 度 ( b i t ) 发 送 速 率 ( b i t / s ) {发送时延=Largefrac{分组长度(bit)}{发送速率(bit/s)}} 发送时延=发送速率(bit/s)分组长度(bit)​

• 传播时延：电磁波在信道中传播一定的距离所花费的时间称为传播时延。 传 播 时 延 = 信 道 长 度 ( m ) 电 磁 波 在 信 道 上 的 传 播 速 率 ( m / s ) 传播时延=Largefrac{信道长度(m)}{电磁波在信道上的传播速率(m/s)} 传播时延=电磁波在信道上的传播速率(m/s)信道长度(m)​

(4)丢包率

丢包：当分组到达路由器的速率超过路由器发送分组的速率时，路由器有可能丢弃到达的分组，这种现象称为丢包。 丢包代表网络出现了拥塞。丢包率在很大程度上反映网络的阻塞程度，常被 用于评价和衡量网络性能。 丢 包 率 = N s − N r N s 丢包率 = Largefrac{Ns- Nr}{Ns} 丢包率=NsNs−Nr​

• Ns代表发送的分组总数
• Nr代表收到的分组总数
• Ns-Nr代表丢失的分组总数。

(5)利用率

利用率包括信道利用率和网络利用率两种:

• 信道利用率：指出某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)。
• 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。

信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也 就迅速增加。信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延

在适当的假定条件下，时延和网络利用率之间的关系如下式： D = D 0 1 − U D=Largefrac{D_0}{1-U} D=1−UD@H_406_956@0​​

• D D D表示网络当前的时延
• D 0 D_0 D0​表示网络空闲时的时延
• U U U是网络的利用率。

3.网络体系结构

3.1 分层、协议和服务

分层：为了降低网络设计的复杂性，绝大多数网络都按照“分层”的方法进行设计。分层的设计方式具有灵活性好、耦合性低等优点，并且易于开发和维护，方 便进行标准化工作。

协议：在互联网中，为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准和约定称为网络协议，简称为协议（对等层的双方之间的约定）。 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格式；
- 语义：即控制信息的含义； 
- 同步：即事件顺序的详细说明。

协议栈/协议族：各层所有协议的集合被称为协议栈或协议族

实体：任何发送或接收消息的硬件或软件进程称为实体。在不同主机上，相对应 次上的实体称为对等实体

服务：在分层设计思想中，每一层都建立在下一层的基础之上，下层向上一层提供特定的服务。（每层协议的实现都保证了向上层实体提供服务）

• 协议是水平方向的，控制着对等实体之间的信息交换；
• 服务是垂直方向的，控制着相邻层次实体之间的信息交换；
• 对等实体之间交换的数据单位通常称为协议数据单元PDU；
• 相邻层次实体之间交换的数据单位通常称为服务数据单元SDU。

3.2 互联网体系结构

网络体系结构：层和协议的集合称为网络体系结构(network Architecture)。

3.2.1 开放系统互连参考模型OSI

国际标准化组织提出的开放系统互连参考模型OSI概念清晰，理论完整，推 出的时机较晚，没有成为互联网上的国际标准。

OSI参考模型定义了七层协议栈：

3.2.2 TCP/IP协议族

TCP/IP协议族作为BSD Unix的一部分，随着Unix的流行，抢先在全球大范围成功地运行，成为了互联网上事实的国际标准。

TCP/IP定义了四层协议栈：

3.2.3 互联网体系结构

互联网体系体系结构实际采用了五层协议栈：

(1)应用层的功能和协议

• 主要任务：通过进程间的通信解决某一类应用问题。
• 常见协议：域名系统DNS;超文本传送协HTTp;动态主机配詈协议DHCP;简单邮件传送协议SMTP等。
• 协议数据单元：报文。

(2)运输层的功能和协议

• 主要任务：向应用进程提供端到端的通信服务。

• 常见协议： 传输控制协议TCP：面向连接、可靠； 用户数据报协UDP：无连接、不可靠。

• 协议数据单元： TCP：报文段； UDP：用户数据报。

(3)网络层的功能和协议

• 主要任务：向上层提供主机到主机的通信服务，包括路由选择和分组转发。
• 常见协议：网际协议IP;网际控制报文协议ICMP;网 际组管理协议IGMP;地址解析协议ARP等。
• 协议数据单元： IP协议：IP分组或IP数据报。

(4)数据链路层的功能和协议

• 主要任务：向上层提供相邻结点间的通信服务，包括 封装成帧、寻址、差错控制和媒体访间控制等。
• 常见协议：以太网Ethernet协议、点对点PPP协议无线局域网WLAN协议等。
• 协议数据单元：帧

(5)物理层的功能和协议

• 主要任务：透明的传输比特流。
• 常见协议：与实际的传输媒体相关，在不同的传输媒 体上定义了不同的物理层协议。
• 协议数据单元：码元(一个码元可以理解为一个脉冲信号，一个码元可以携带一比特信息，也可以携带多比特信息，也允许多个码元一起携带一比特信息。)

3.3 封装和解封

逐层封装的过程发生在发送数据时: 逐层解封的过程发生在接收数据时:

3.4 复用和分用

复用可以发生在多个层次， 在每层都有不同类型的标识符，用于指明封装的信息属于上层哪一个协议。

复用的过程发生在封装时。

分用的过程发生在解封时。

4.控制平面与数据平面

分组交换网络的操作涉及两种分组的处理：控制分组和数据分组。

• 控制：

  • 控制分组携带的信息用来指导结点如何转发数据；
  • 控制平面最重要的功能是路由选择（此外还包括差错报告、系统配詈和管理 以及资源的分配）

• 数据：

  • 数据分组则包括用户程序要发送的数据。
  • 数据平面最重要的功能是分组转发

传统的计算机网络中，每台分组交换设备都包括一个数据平面和一个控制平 面。因此，其控制平面是分布式的。 软件定义网络SDN中的控制平面与数据平面是分离的。即分组交换设备上仅 具有数据平面，而控制平面位于一个逻辑上的集中式控制器中。因此，其控 制平面是集中式的。