计算机网络第一章概述总结

第一章 概述（非常重要）

一、 计算机网络的定义

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。

注：（1）计算机所连接的硬件，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，而是能够支持很多种的应用（包括今后可能出现的各种应用）。

二、 计算机网络的构成

1. 从物理组成上看：包括硬件、软件、协议三大部分。

1) 硬件：由主机、通信处理机（或称为前端处理器）、通信线路（包括有线线路和无线线路等）和交换设备（交换机等连接设备）组成。

2) 软件：主要包括实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件。

3) 协议：数据在线路上传输必须遵循的规则。

2. 从工作方式上看：可分为边缘部分和核心部分。

1) 边缘部分：由所有连接在互联网上，供用户直接使用的主机组成，用来进行通信和

资源共享。

2) 核心部分：由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务。

3. 从功能组成上看：由通信子网和资源子网两部分构成。

1) 通信子网：由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，为网络提供数据传输、交换和控制能力，实现联网计算机之间的数据通信。

2) 资源子网：由主机终端以及各种软件资源、信息资源组成，负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与服务。

Notice：通信子网包括物理层、数据链路层和网络层

三、 计算机网络的发展阶段

1. 诞生阶段：计算机终端网络

20世纪60年代中期之前的第一代计算机网络是以单个计算机为中心的远程联机系统，典型应用是由一台计算机和全美范围内2000多个终端组成的飞机订票系统，终端是一台计算机的外围设备，包括显示器和键盘，无CPU和内存。随着远程终端的增多，在主机前增加了前端机(FEP)。当时，人们把计算机网络定义为“以传输信息为目的而连接起来，实现远程信息处理或进一步达到资源共享的系统”，这样的通信系统已具备网络的雏形。早期的计算机为了提高资源利用率，采用批处理的工作方式。为适应终端与计算机的连接，出现了多重线路控制器。

2. 形成阶段：计算机通信网络

20世纪60年代中期至70年代的第二代计算机网络是以多个主机通过通信线路互联起来，为用户提供服务，兴起于60年代后期，典型代表是美国国防部高级研究计划局协助开发的ARPANET。主机之间不是直接用线路相连，而是由接口报文处理机(IMP)转接后互联的。IMP和它们之间互联的通信线路一起负责主机间的通信任务，构成了通信子网。通信子网互联的主机负责运行程序，提供资源共享，组成资源子网。这个时期，网络概念为“以能够相互共享资源为目的互联起来的具有功能的计算机之集合体”，形成了计算机网络的基本概念。ARPA网是以通信子网为中心的典型代表。在ARPA网中，负责通信控制处理的CCP称为接口报文处理机IMP(或称结点机)，以存储转发方式传送分组的通信子网称为分组交换网。

3. 互联互通阶段：开放式的标准化计算机网络

20世纪70年代末至90年代的第三代计算机网络是具有统一的网络体系结构并遵守国际标准的开放式和标准化的网络。ARPANET兴起后，计算机网络发展迅猛，各大计算机公司相继推出自己的网络体系结构及实现这些结构的软硬件产品。由于没有统一的标准，不同厂商的产品之间互联很困难，人们迫切需要一种开放性的标准化实用网络环境，这样应运而生了两种国际通用的最重要的体系结构，即TCP/IP体系结构和国际标准化组织的OSI体系结构。

4. 高速网络技术阶段

20世纪90年代至今的计算机网络，由于局域网技术发展成熟，出现光纤及高速网络技术，整个网络就像一个对用户透明的大的计算机系统，发展为以因特网( Internet)

为代表的互联网。

5. 未来网络的融合发展阶段

四、 计算机网络的类别

1. 按照网络的作用范围进行分类

1) 广域网WAN（Wide Area Network）

特点：i.作用范围通常为几十到几千公里

ii.是互联网的核心部分

2) 城域网MAN（Metropolitan Area Network）

特点：i.作用范围一般是一个城市，其作用距离约为5~50km

ii.用来将多个局域网进行互连

3) 局域网LAN（Local Area Network）

特点：i.一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连

ii.地理上局限在较小的范围（如1km左右）

4) 个人区域网PAN（Personal Area Network）

特点：i.连接个人使用的电子设备

ii.范围很小，大约在10m作用

2. 按照网络的使用者进行分类：

（1）公用网（public network）

特点：i.电信公司（国有或私有）出资建造的大型网络

ii.所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都可以使用

（2）专用网（private network）

特点：i.某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造

ii.不向本单位以外的人提供服务

3. 用来把用户接入到互联网的网络

这种特殊的计算机网络就是接入网AN（Access Network），它又称为本地接入网或居民接入网。

五、 计算机网络的性能指标

1. 速率

比特（bit）的意思是一个“二进制数字”，一个比特就是二进制数字中的一个1或者0。比特也是信息论中使用的信息量的单位。

网络技术中的速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率（data rate）或比特率（bit rate）。速率的单位是bit/s（比特每秒）（或b/s，有时也写成bps，即bit per second）。

当提到网络速率的时候，往往指的是额定速率或标称速率，而非网络实际上运行的速率。

2. 带宽

“带宽”（bandwidth）有以下两种不同的意义：

（1）带宽本来是指某个信号具有的频带宽度。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。这种意义上的带宽的单位是赫（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道传送数据的能力，因此网络带宽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”。这种意义的带宽的单位就是数据率的单位bit/s，是“比特每秒”。

在“带宽”的上述两种表达中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽“越宽，其所能传输的”最高数据率“也越高。

在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。

3. 吞吐量

吞吐量（throughput）表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际的数据量。吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便于知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。显然，吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的。

4. 时延

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

网络中的时延由以下几个不同的部分组成：

1) 发送时延

发送时延（transmission delay）是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，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要的时间。因此发送时延也叫做传输时延。

2) 传播时延

传播时延（propagation delay）是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

以上两种时延有本质的不同。发送时延发生在机器内部的发送器中，与传输信道的长度（或信号传送的距离）没有任何关系。但传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上，而与信号的发送速率无关。信号传送的距离越远，传播时延就越大。

3) 处理时延

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等）所花费的时间。

4) 排队时延

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。排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量。

这样，数据在网络中经历的总时延就是以上四种时延之和：

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

在总时延中，究竟是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，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。

提高数据的发送速率只是减小了数据的发送时延。

5. 时延带宽积

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

6. 往返时间RTT

在许多情况下，互联网上的信息不仅仅是单方向传输而是双向交互的。因此，有时很需要知道双向交互一次所需的时间。

往返时间RTT（Round-Trip Time）表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接受方的确认，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相对较长，是很重要的一个性能指标。

7. 利用率

1) 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）。完全空闲的信道的利用率是0。

2) 网络利用率

全网络的信道利用率的加权平均值。

信道或网络的利用率过高还会产生非常大的时延。

六、 计算机网络体系结构与模型

1. 计算机网络的体系结构？

 计算机网络是从功能上描述计算机网络机构

 计算机网络体系结构简称网络体系结构（network architecture）是分层结构

 每层遵循某个/些网络协议完成本层功能

 计算机网络体系结构是各层及其协议的集合

 体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义

 体系结构是抽象的

2. 为什么采用分层结构

分层可以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比较容易研究和处理。

 各层之间是的；

 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。

3. 分层网络体系结构基本概念

 实体（entity）表示任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。

 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议是“水平的”。

 任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，服务是“垂直的”。

 下层协议的实现对上层的服务用户是透明的。

 同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点SAP（Service Access Point），交换原语，指定请求的特定服务。

4. ISO/OSI参考模型和TCP/IP参考模型

1) IOS/OSI参考模型的通信过程

协议数据单元PDU（Protocol Data Unit），即对等层之间传送的数据的单位。

服务数据单元SDU（Service Data Unit），即层与层之间交换的数据的单位。

2) TCP/IP参考模型

3) 对比