计算机网络 1 -因特网概述
网络、互连（联）网和因特网
- 网络 (Network) 是由若干结点和连接这些结点的链路组成的
- 多个网络可以通过路由器互连起来, 构成一个覆盖范围更大的网络, 即互联网
- 因特网 (Internet) 是世界上最大的互连网络
Internet 和 internet
internet 是一个通用名词, 泛指多个计算机网络互连而成的网络. 在这些网络之间的通信协议可以是任意的
Internet 是专有名词, 指当前全球最大的, 开放的, 由众多网络互相连接而成的特定计算机网络, 采用 TCP/IP 协议族作为通信规则, 前身是美国的 APRANET
因特网发展的三个阶段
因特网服务提供者ISP (Internet Service Provider)
ISP 从因特网管理机构申请到成块的 IP 地址, 同时拥有通信线路以及路由器等联网设备. 任何机构和个人只要向 ISP 交纳规定费用, 就可以从 ISP 得到需要的 IP 地址.
我国主要的 ISP 就是三大运营商.
基于 ISP 的三层结构的因特网
- 第一层: 因特网主干网, 一般可以覆盖国际性区域范围, 拥有高速链路和交换设备. 第一层 ISP 直接互联.
- 第二层: 第二层 ISP 和一些大公司是第一层 ISP 的用户, 具有区域性或者国家性覆盖规模, 与少数第一层 ISP 相连接.
- 第三层: 本地 ISP 是第二层 ISP 的用户, 只拥有本地范围的网络, 一般的校园网, 企业网, 住宅用户是第三层 ISP 的用户.
数据 (Data)
- 数据以 0 1 序列发送.
- 数据不是信息的本身.
- 数据时信息的一种编码方式, 它通过电/光信号来传输.
数据包 (Data Packets)
- 数据被划分成易于传输的小单元.
- 在 OSI 中, 这些单元可以是 packets, frames, segments
- 意义
- 加速传输 (不同进程或任务对于用户是同时运行的)
- 丢包重传数据少
- 数据可通过不同的路径到达
因特网的标准化工作
- 因特网的标准化工作对因特网的发展起到了非常重要的作用
- 因特网在制定其标准上的一个很大的特点是面向大众.
因特网的组成
- 边缘部分
- 由所有链接在因特网上的主机组成. 这部分是用户直接使用的,用来进行通信(传送数据)和资源共享.
- 核心部分
- 由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的.
三种交换方式
电路交换(Circuit Switching)
电话交换机接通电话线的方式称为电路交换
从通信资源呢分配角度来看, 交换(Switching) 是按照某种方式动态地分配传输线路的资源
步骤:
1.建立连接 (分配通信资源)
2.通话(一直占用通信资源)
3.释放连接 (归还通信资源)
使用电路交换传送计算机地数据, 线路的传输效率会很低
分组交换 (Packet Switching)
发送方
构造分组
将较长的报文划分为等长的数据段, 并添加首部, 构成一个分组, 也可以简称为包 (packets), 首部也可以称为包头. 首部包含了分组的目的地址.
发送分组
路由器
缓存分组
转发分组
检查首部中的目的地址, 进行查表转发
接收方
接受分组
还原报文
去掉首部还原出原始报文
下图展示了分组交换的两种情况:
- 各分组从源站到目的站可以走不同的路径
- 分组乱序
报文交换 (过时)
对比
| 交换方式 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 电路交换 | 通信时延小, 有序传输, 没有冲突, 使用范围广,实时性强, 控制简单 | 建立连接时间长, 线路独占传输效率低, 灵活性差, 难以规格化 |
| 报文交换 | 无需建立连接, 动态分配线路, 提高线路可靠性, 提高线路利用率, 提供多目标服务 | 引起转发时延, 需要较大的存储缓存空间, 需要额外的信息量 |
| 分组交换 | 无需建立连接, 线路利用率高, 简化了存储管理, 加速传输(前一个分组的转发与后一个分组的存储同时进行), 减少出错概率和重发数据量 | 引起转发时延, 需要额外的信息量,存在失序, 丢失重复分组的问题 |
计算机网络的定义
最简单定义: 一些互连, 自治的计算机集合
- 互连: 计算机之间可以通过有线或者无线的方式进行数据通信
- 自治: 独立的计算机, 有自己的硬件和软件
- 集合: 多台计算机
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
计算机网络的分类
按交换技术
- 电路交换网络
- 报文交换网络
- 分组交换网络
按使用者
- 公用网
- 专用网
按传输介质
- 有线网络
- 无线网络
按覆盖范围
- 广域网 WAN
- 城域网 MAN
- 局域网 LAN
- 个域网 PAN
按拓扑结构分类
- 总线型网络
- 星型网络
- 环型网络
- 网状型网络
计算机网络的性能指标
速率
常用数据率单位:
$1Mbps=1000kbps=10^6bps$
一般在带宽, 速率中, 进率为 1000, 存储容量中进率为 1024. 当然也要看题目具体的说明.
带宽 (Bandwidth)
在模拟信号系统中
信号包含的各种不同频率所占据的频率范围, 单位 HZ
在计算机网络中
用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力, 因此网络带宽表示最高速率
单位与速率相同.
吞吐量 (Throughput)
单位时间内通过某个网络(或信道,接口)的数据量, 与带宽不同的是, 吞吐量是真实的通过测量得到的.
时延
- $\displaystyle\text{发送时延}=\frac {分组大小}{发送速率} $
- $\displaystyle传播时延 = \frac{信道长度}{电磁波传播速率}$
- 处理时延 一般不便于计算
时延带宽积
- 传播时延和带宽的乘积
- 若发送端连续发送数据, 则在所发送的第一个比特即将到达终点时, 发送端就已经发送了时延带宽积个比特
- 又称为以比特为单位的链路长度
往返时间 RTT
- 因特网上的信息往往需要双向交互
- 有时需要知道双向交互一次的时间
利用率
信道利用率: 某信道的时间利用率
网络利用率: 全网络信道利用率的加权平均
利用率并非越高越好, 一条信道利用率和和时延有下面的关系:
$D$ 表示网络当前时延, $D_0$ 表示网络空闲时的时延, $U$ 表示利用率
一些拥有较大主干网的 ISP 通常会控制信道利用率不超过 50%, 否则就要准备扩容, 增大带宽.
信道利用率太低会造成浪费, 可以根据情况动态调整输入到网络的通信量.
丢包率
- 即分组丢失率
- 原因:
- 分组误码
- 网络拥塞(结点交换机缓存队列满)
计算机网络体系结构
常见的计算机网络体系结构
开放系统互连参考模型 (Open System Interconnection,OSI)
- 法律上的国际标准
- 从下往上依次是: Physical, Data Link, Network, Transport, Session, Presentation, Application
TCP/IP 体系结构
- 事实上的国际标准
学习用模型
- 在学习时, 常把网络接口层分为物理层和数据链路层
计算机网络体系结构分层的必要性
- 减小复杂性
- 标准化的接口: 各层之间相互请求并提供服务
- 促进模块化工程
- 确保内部可操作的计数
- 促进发展
简化教学
应用层: 通过应用进程交互实现特定网络应用运输层: 进程间基于网络的通信问题网络层: 分组在多个网络上传输(路由)数据链路层: 分组在一个网络(或者一段链路)传输物理层: 用何种信号传输比特
计算机网络体系结构分层思想举例
发送方
层层封装
- 应用层: 构建一个 HTTP 请求报文
- 运输层: 添加一个 TCP 首部, 形成 TCP 报文
- 网络层: 添加一个 IP 首部, 形成 IP 报文
- 数据链路层: 添加以太网帧首部和帧尾部
- 帧首部: 让帧能在一个网络或者一个链路上传输,能被相应主机接收
- 帧尾部: 检查是否有误码
- 物理层: 添加前导码
- 让目的主机做好接收帧的准备
路由器
一般只具有网络层, 链路层,和物理层
层层解封, 通过 IP 数据报的首部确定转发端口
接收方
层层解封
计算机网络体系结构中的专业术语
实体 (Entity)
- 实体 (Entity): 任何可发送或者接收信息的硬件或软件进程
- 对等实体 (Peer-Entity): 收发双方相同层次的实体
协议 (Protocol)
控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合
- 逻辑通信实际上并不存在
协议的三要素
语法
定义所交换信息的格式
语义
定义收发双方所要完成的操作
同步
定义收发双方的时序关系, 如 TCP 采用 “三报文握手” 建立连接的过程
服务
在协议的控制下, 两个对等实体间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提供的服务
协议是 “水平的“, 服务是”垂直的“
下层协议对上层是不可见的
服务访问点 同一系统相邻两层的实体交换信息的逻辑接口, 用于区分不同的服务类型
- 数据链路层: 帧的”类型”字段
- 网络层: IP 数据报的”协议”字段
- 运输层: “端口号”
服务原语: 上层使用下层服务必须与下层交换一些命令, 就是服务原语
协议数据单元 (PDU): 对等层次之间传送的数据包
服务数据单元 (SDU): 同一系统内, 层与层之间交换的数据包