计算机网络学习笔记（一）互连网的概述及通信

1、互联网的概述

1.1网络的网络

互联网（Internet）

• 特指Internet,起源于美国，现已发展称为世界上最大的、覆盖全球的计算机网络。

计算机网络（简称网络）

• 有若干节点（node）和链接这些节点的而链路（link）组成。

互连网（internetwork或internet）

• 可以通过路由器把网络互连起来，覆盖范围更大的计算机网络，称之为互连网。
• “网络的网络”（network of network）

在网络中，node的标准译名是“结点”而不是“节点”。

虽然node 又是也可译为“节点”，但这是指像天线上的驻波的节点，这种节点很像竹竿上的“节”。

数据结构的树（tree)中的node应当译为“节点”

当使用“云”来表示网络时，可能有两种不同情况：

• 1、云表示的网络已经包含了和网络相连的计算机。
• 2、云表示的网络里面就只剩下许多路由器和链接这些路由器的链路，把有关的计算机化在云的外面。习惯上，与网络项链的计算机常称为主机（host）。

网络把许多计算机连接在一起。

互联网则把许多网络通过路由器连接在一起。

1.2 互联网基础结构发展的三个阶段

第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展的过程，采用TCP/IP协议

第二阶段：建成了三级结构的互联网。它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。逐层向下的结构。

第三阶段：逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。出现互联网服务提供者ISP(Internet Service Provider)。任何机构和个人只要向某个ISP缴纳规定的费用，就可从该ISP获取所需IP地址的使用权，并可通过该ISP接入互联网。根据服务覆盖的面积大小以及所拥有的目的不同，ISP也分为不同层次的ISP：主干ISP、地区ISP和本地ISP。

1.3互联网的标准化工作

互联网协会ISOC、互联网体系结构研究委员会IAB、互联网研究部IRTF、互联网工程部IETF…-标准的制定

所有互联网标准都已、以RFC的形式在互联网上发表。

2、互联网的组成

从互联网的工作方式上看，可以分为两大块：

（1）边缘部分：有所有连接在互联网上的主句组成，这部分是用户直接在使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。又称之为资源子网。

（2）核心部分：有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和提供连通性和交换）。又称之为通信子网。

2.1 端系统

储在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有主机。这些主句又称为端系统（end system）。

端系统在功能上可能有很大的区别：

• 有效的端系统可以实一台普通个人电脑，具有上网功能的智能手机，甚至是一个很小的网络摄像头
• 大的端系统则可以是一台非常昂贵的大型主机。
• 端系统的拥有者可以是个人，也可以是单位（学校、企业、政府机构等）。

端系统之间同行的含义：

“主机A和主机B进行通信”实际上是指：

“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。

即“主机A上的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”，简称为计算机之间的通信。

•  端系统之间的两种通信方式：

端系统之间的通信方式通常分为两大类：

（1）客户-服务器方式（C/S方式）

即Client/Server方式，简称C/S方式。绝大多数设备采用该方式通信。

客户（Client）和服务器（Server）都是之通信中所设计的两个应用进程。C/S方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务是服务的提供方。

服务请求方和服务提供方都要使用网络核心来完成所提供的服务。

客户A向服务器B请求服务，服务器B向客户A提供服务。

• 客户软件：在被用户调用后运行，在打算通信时主动向远程服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。
• 服务器软件：一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个原地或本地客户的请求。系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地地客户的通信请求。因此服务器程序不需要知道客户程序地地址。
• 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持

客户与服务器地通信关系建立后，通信实际是双向的。客户和服务器都可发送和接受数据。

（2）对等方式（P2P方式）

即Peer-to-Peer方式，简称P2P方式。实用性对较少

对等连接是指连个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件），他们就可以进行平等地、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘上的共享文档。

对等连接本质上看仍然时使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又是服务器。

对等连接工作方式可支持大量对等用户端（数百万个）同时工作。

2.2 互联网的核心部分

网络核心是互联网中最复杂的部分。哟要向网络边缘中的大量主机提供连通性，是边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接受各种形式的数据）。在网络核心部分起特殊作用的是路由器（router）。

路由器是实现分组交换（packet switching）的关键构建，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。

计算机数据具有突发性，这导致在传送计算机数据时，通信线路的利用率很低（用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%）。

（1）分组交换的主要特点：

分组交换采用存储转发技术。

• 在发送端，先把较长的报文划分为较短的、固定长度的数据段。
• 每个数据端前面添加上首部构成分组（packet）。

首部：包含一些基本信息

请注意：现在左边是前面。

• 分组交换网以“分组”作为数据传输单元，依次把个分组发送待接收端（假定接收端在左边）。
• 每一个分组的首部都含有地址（诸如目的地址和源地址）等控制信息。
• 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
• 每个分组在互联网中独立的选择传输路径。
• 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
• 这里假定分组在传输过程中没有出新差错，在转发时也没有被丢弃。

路由器

在路由器的输入和输出端口之间没有直接连线。

路由器处理分组的过程是：

• 把收到的分组（对象）先放入缓存（暂时存储）；
• 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
• 把分组松动适当的端口转发（方式）出去

主机和路由器的作用不同：（路由器其实是一种特殊的主机）

主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接受分组。

路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。

分组交换的优点：

分组交换的缺点：

• 分组在各结点存储转发是需要排队，这就会再成一定的时间延迟。
• 分组必须携带首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

3、计算机网络概念

3.1 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、可编程的硬件互联而成的，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。

根据这个定义：

（1）计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机。

（2）计算机网络并非专门用来传送数据，二十能够支持多种应用（包括今后可能出现的各种应用）。

注意：上述的“可编程硬件”表明这种硬件一定包含有中央处理机（CPU）。

3.2 计算机网络的分类：

（1）从网络的作用范围进行分类：

• 广域网WAN(Wide Area Network)：作用范围在几十到几千公里。
• 城域网MAN(Metropolitan Area Network)：作用距离约为5~50公里。
• 局域网LAN(Locak Area Network)：局限在较小的范围（如1公里左右）。又称之为园区网，覆盖一个区域。
• 个人区域网PAN(Personal Area Network)：范围喝尿，大约在10米左右。

若中央处理机之间的举例非常近（如仅1米的数量级甚至更小些），则一般就称之为多处理机系统，而不称他为计算机网络

（2）从网络的使用者进行分类：

• 公用网（public network)：按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。
• 专用网（private network)：为特殊工作的需要而建造的网络。

公用网和专用网都可以传送多种业务。如传送的是计算机数据，则分别是用公用计算机网络和专用计算机网络。

（3）用来把用户接入到互联网的网络

• 接入网AN(Access Network)，他又称为本地接入网或居民接入网。

接入网是一类比较特殊的计算机网络用于将用户接入互联网。接入网本身既不属于互连网的核心部分，也不属于互连网的边缘部分。接入网是从某个端系统到另一个端系统的路径中，有这个端系统到第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一些物理链路所组成的。

从覆盖范围来看，很多接入网还是属于局域网。

从作用上看，接入网只是起到让用户能够与互连网链接的“桥梁”作用。

3.3 计算机网络的性能

计算机网络的性能一般始值它的几个重要的性能指标主要包括：

• 速率

比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中的信息量的单位。一个比特就是二进制数字中的一个1或0。

速率指的是数据的传送速率，它也成为数据率（data rate）或比特率（bit rate）。速率的单位是bit/s，或kbit/s（=10^3bit/s）、Mbit/s（=10^3kbit/s）、Gbit/s（=10^3Mbit/s）等。例如4×10^10bit/s的数据率就极为40Gbit/s。

速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

• 带宽

两种不用的意义：

1）“带宽”（bandwidth）本来是指信号具有的频带宽度，其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。

2）在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通达传送数据的能力，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”。单位是bit/s，即“比特/秒”。

在“带宽”的上述两种表述中，外你这为频域称谓，或者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，器所能传输的“最高数据率”也就越高。在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。

• 吞吐率

吞吐量（throughput）表示在单位时间内通过单个网络（或信道、接口）的数据量。

吞吐量更经常地用于现实世界中地网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

• 时延

时延（delay或latency）是指数据（一个报文分组，甚至比特）从网络（或链路）的一段传送到另一端所需的时间。又是也称为延迟或迟延。

网络中的时延有以下几个不同的部分组成：

（1）发送时延：受带宽、额定速率的影响，也称为传输时延。

发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。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。

（2）传播时延：电磁波传输、光纤传播需要的时间

电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

发送时延与传播时延有本质上的不同。信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。

（3）处理时延：中间转发设备（路由器或交换机等）对数据进行处理

主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间，

（4）排队时延：中间转发设备（路由器或交换机等）需要排队

分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。排队时间的长短往往取决于网络中当时的通信量。

数据在网络中经理的总时延就是上述时延之和。在总时延中，究竟哪一种时延占主导地位，必须具体分析。

注意：

对于高速网络链路，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。

（“在高速链路（或高带宽链路）上，比特或传送得更快些”这一说法是错误的）

• 时延带宽积

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的数据长度。

• 往返时间RTT

往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。。

当使用卫星通信时，往返时间RTT就相对较长，是一个很重要的性能指标。

• 利用率

分为信道利用率和网络利用率。

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）。完全空闲的信道利用率是零。

网络利用率则是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。

根据排队论的理论，当某信道的利用率增加，则该信道引起的时延也就迅速增加。

若令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用以下的简单公式表示D和D0之间的关系：

一些非性能特征也很重要。特们与前面介绍的性能指标有很大的关系。主要包括：

• 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

今天的文章计算机网络学习笔记（一）互连网的概述及通信分享到此就结束了，感谢您的阅读。