主题】计算机网络概述

1. 计算机网络的作用及其发展史

1.1. 计算机网络的作用

• 二十一世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。

• 网络现在已经成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。

信息时代以网络为核心。

(1) 网络

• “网络”是一个统称，泛指把人或物互连在一起而形成的系统。

• 网络的分类：

  1. 电信网络。提供电话、电报及传真等服务。

  2. 有线电视网络。向用户传送各种电视节目。

  3. 计算机网络。使用户能在计算机之间传送数据文件。

  发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。

  网络的发展趋势：

  电信网络和有线电视网络逐渐向计算机网络融合。（三网融合）

(2) Internet

全球最大、最重要的计算机网络。

Internet的译名：

• 因特网：推荐，但却长期未得到推广。

• 互联网：目前流行最广，事实上的标准译名。

  互联网 ≠ 互连网

  互连网：局部范围互连起来的计算机网络。

(3) 互联网和互连网的区别

• 互联网（Internet），是一个专有名词，也称为因特网。它是指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互联网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的APPANET（阿帕网）。

• 互连网（internet），是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。

任意把几个计算机网络互连起来（不管采用什么协议），并能够相互通信，这样构成的是一个互连网（internet），而不是互联网（Internet）。

(4) 互联网的特点

• 连通性(connectivity)。使上网用户之间可以非常便捷、非常经济地交换各种信息；好像这些用户终端都彼此直接连通一样。

• 资源共享(Sharing)。实现信息共享、软件共享、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地方便使用。

连通性和资源共享是 Internet 提供许多服务的基础。

(5) 互联网+

• 互联网+，即互联网+各个传统行业。

  把互联网的创新成果深度融合于经济社会各领域

(6) 互联网带来的负面影响

传播病毒、窃取数据或钱财、散布谣言和不良信息、欺诈、网瘾等。

• 缓解互联网带来的负面影响，需要加强对互联网的管理。

1.2 计算机网络的发展史

• 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。

• 其发展过程经历从简单到复杂，由低级到高级的过程。

(1) 分组交换的发展（1961~1972）

• 电话交换网（20世纪60年代初）：

  使用电路交换将信息(话音)从发送方传输到接收方。 随着计算机逐步发展，希望将计算机连接在一起，互相共享。

• 分组交换: 由三个小组Kleinrock(MIT)、Baran(Rand)、Davies(NPL)分别提出。

(2) 阿帕网（20世纪60年代）

第一个分组交换计算机网络是美国国防部高级研究计划局(Advanced Research Projects Agency)研制的ARPAnet(阿帕网)，是互联网的前身。

20世纪60 年代初，美国国防部领导的远景研究规划局（ARPA）提出要研制一种生存性很强的网络。

1. 传统的电路交换的电信网有一个缺点:正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。

2. 如要改用其他迁回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间

• 新型网络的基本特点:

  1. 网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话。

  2. 网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。

  3. 所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性。

  4. 计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。

  5. 网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。

• 阿帕网的成功使计算机网络的概念发生根本变化：

  早期面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网各终端。通过通信线路，共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。

  分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。

  

  其他分组交换网络： ALOHAnet：将夏威夷岛上的大学连接到一起的网络。

  Telenet：基于ARPAnet技术的商用分组交换网。

  Cyclades：法国的分组交换网。

  分时共享网络：Tymnet 和 GE信息服务网。

  IBM的SNA:与 ARPAnet并行工作。

(3) 网络互联和标准化时期

• 将许多网络互相连接到一起，互相通信。也称为网络的网络。

• 该时期制定一系列相关体系结构标准，如：TCP、UDP、IP等。

(4) 网络的激增（1980~1990）

• 网络中的主机数量急增。

  如ARPAnet中主机从4台到200台，再到 100000 台。

• 新网络不断出现。

  如： BITNET：连接美国东北部几个大学 CSNET：计算机科学网。 NSFNET：国家科学基金网。主干速率最初56kbps，80年代末，达到 1.5Mbps，成为区域网络的基本主干。

  Minitel：法国*支持的项目。

• 数据网络进入家庭。

(4) 互联网爆炸（20世纪90年代）

• ARPAnet正式关闭（1990年）。

  MILNET和国防数据网：承载大多数与美国国防部相关的流量; NSFNET：于1995年退役，由商业互联网服务提供商负责运营。

• 万维网(World Wide Web)出现。将互联网带入数以百万的家庭和企业，并设置数百个新的应用程序。

• 互联网硬件和服务不断出现。

(5) 最新发展

高速接入网：宽带住宅互联网接入(电缆调制解调器和 DSL)、高速无线接入(i-mode)等。

网络安全：入侵检测系统的研制、防火墙过滤及IP源等。

P2P（peer-to-peer）网络的应用：用户计算机资源对于中心服务器有很大的自治性。可间歇性的对等连接。

1.3 中国计算机网络的发展

(1) 发展历程

1980 年，铁道部开始进行计算机联网实验

1989年11月，我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。

1994年4月20日，我国用64kbit/s 专线正式连入互联网，我国被国际上正式承认为接入互联网的国家。

1994年5月，中国科学院高能物理研究所设立了我国的第一个万维网服务器。

1994年9月，中国公用计算机互联网CHINANET 正式启动。

(2) 规模最大的公用计算机网络

• 中国电信互联网HANET(也就是原来的中国公用计算机互联网)；

• 中国联通互联网 UNINET；

• 中国移动互联网CMNET；

• 中国教育和科研计算机网CERNET；

• 中国科学技术网 CSTNET。

2. 计算机网络的定义及分类

2.1 计算机网络的定义

(1) 定义一

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等。

• 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

可编程的硬件表明这种硬件一定包含有*处理机 (CPU)。

(2) 定义二

一些互相连接的、自治的计算机的集合。

(3) 定义三

计算机网络是用通信设备和线路将分散在不同地点的有独立功能的多个计算机系统互相连接起来，并按照网络协议进行数据通信，实现资源共享的计算机集合。

• 多个计算机：为用户提供服务；

• 一个通信子网：通信设备和线路；

• 一系列协议：保证数据通信。

2.2 计算机网络的特点

(1) 连通性(Connectivity)

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。

互联网具有虚拟的特点，无法准确知道对方是谁，也无法知道对方的位置。

(2) 共享(Sharing)

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。

2.3 计算机网络的分类

(1) 按照网络的作用范围进行分类

• 广域网 WAN(Wide Area Network)

  通常为几十到几千公里。有时也称为远程网(long haul network)。是互联网的核心部分。

• 城域网 MAN(Metropolitan Area Network)

  作用范围一般是一个城市，作用距离约为5~50 公里。

• 局域网LAN(Local Area Network)

  局限在较小的范围(如1公里左右)。通常采用高速通信线路相连。

• 个人区域网 PAN(Personal Area Network)

  范围很小，大约在10米左右。有时也称为无线个人局域网WPAN。

若*处理机之间的距离非常近（如仅1米的数量级甚至更小），则一般称之为多处理机系统，而不称它为计算机网络。

(2) 按照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)，为特殊业务工作的需要而建造的网络。

公用网和专用网都可以提供多种服务。如传送的是计算机数据，则分别是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)，它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联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分；接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器(也称为边缘路由器)之间的一种网络。

• 从覆盖的范围看，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联网连接的“桥梁”作用。

(4) 其他分类方式

• 按拓扑结构分： 总线、环形、网状、星型。

• 按技术分： 广播式网络、点到点网络。

• 按传输介质分： 有线网、无线网。

3. 互联网概述

3.1 网络的网络

(1) 计算机网络

• 计算机网络（简称网络），由若干节点(node)和连接这些节点的链路(link)组成。

• 节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

(2) 互连网

互联网(internetwork或internet)，多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。

网络的网络(network of networks)

• 网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络通过一些路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。

  

• 网络：把许多计算机连接在一起。

• 互连网：把许多网络通过一些路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。

• 互连网(internet) ≠ 互联网(Internet)。

• 任意把几个计算机网络互连起来(不管采用什么协议)，并能够相互通信，这样构成的是一个互连网(internet)，而不是互联网 (Internet)。

• 互联网是目前技术最为成功、应用最为广泛的计算机网络。

• 互联网已经成为现代社会最为重要的基础设施。

• 互联网，特指Internet，它起源于美国，是由数量极大的各种计算机网络互连起来而形成的一个互连网络。它采用TCP/IP 协议作为通信规则，是一个覆盖全球、实现全球范围内连通性和资源共享的计算机网络。

3.2 互联网基础结构发展的三个阶段

(1) 第一阶段

从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。

1. 1983年，TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议，使得所有使用TCP/P协议的计算机都能利用互连网相互通信。

2. 人们把 1983 年作为互联网的诞生时间。

3. 1990年，ARPANET 正式宣布关闭。

(2) 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)。

(3) 第三阶段

逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。

• 出现了互联网服务提供者SP(Internet Service Provider)：

  1. 提供接入到互联网的服务。

  2. 需要收取一定的费用。

• 多层次ISP 结构:

  1. 主干ISP、地区ISP和本地ISP；

  2. 覆盖面积大小和所拥有的IP地址数目的不同。

• 互联网交换点IXP(Internet Exchange Point)，允许两个网络直接相连并快速交换分组。

  1. 常采用工作在数据链路层的网络交换机。

  2. 世界上较大的 IXP 的峰值吞吐量都在 Tbit/s 量级。

• 内容提供者 (Content Provider)，在互联网上向所有用户提供视频等内容的公司。不向用户提供互联网的转接服务。

万维网 WWW (World Wide Web)：

• 由欧洲原子核研究组织 CERN 开发。

• 成为互联网指数级增长的主要驱动力。

• 2019 年 3 月底，互联网的用户数已超过了 43.8亿。

1.3.3 互联网的标准化工作

互联网的标准化工作对互联网的发展起到了非常重要的作用。

• ISOC以RFC的形式发布标准。

  • RFC：Request For Comments （请求评论）。

  • 所有的 RFC 文档都可从互联网上免费下载。

  • 任何人都可以用电子邮件随时发表对某个文档的意见或建议。

  • 并非所有的 RFC 文档都是互联网标准。只有很少部分的 RFC 文档最后才能变成互联网标准。

  • RFC 文档按发表时间的先后编上序号（即RFCxxxx，xxxx是阿拉伯数字）。

4. 互联网的组成

从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块：

• 边缘部分： 由所有连接在互联网上的主机组成，由用户直接使用，用来进行通信（传送数据、音频或视频）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，为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）。

4.1 互联网的边缘部分

处在互联网边缘部分的就是连接在互联网上的所有的主机。这些主机又称为端系统 (end system)。

• 端系统在功能上可能有很大差别：

  • 小的端系统：普通个人电脑、智能手机、网络摄像头等。

  • 大的端系统：非常昂贵的大型计算机或服务器。

• 端系统的拥有者：可以是个人、单位、或某个ISP。

计算机之间的通信实际上是指实际上是指：主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信。

端系统之间的两种通信方式：

• 客户/服务器方式（C/S方式）；

• 对等方式（P2P方式）。

(1) 客户-服务器方式（C/S 方式）

即Client / Server 方式（简称为 C/S 方式）。

• 客户/服务器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，服务器是服务的提供方。

• 客户程序：

  1. 被用户调用后运行，需主动向远地服务器发起通信（请求服务）。必须知道服务器程序的地址。

  2. 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

• 服务器程序：

  1. 专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个客户请求。

  2. 一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。不需要知道客户程序的地址。

  3. 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据。

(2) 对等连接方式（P2P 方式）

即Peer to Peer 方式（简称为 P2P 方式）。

• 两台主机在通信时不区分服务请求方和服务提供方。

• 只要都运行了P2P软件，就可以进行平等的、对等连接通信。

对等连接方式从本质上看仍然是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。

4.2 互联网的核心部分

• 是互联网中最复杂的部分。

• 向网络边缘中的主机提供连通性，使任何一台主机都能够向其他主机通信。

• 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)的关键构件，其任务是转发收到的分组。

分组转发是网络核心部分最重要的功能。

典型交换技术包括：

1. 电路交换；

2. 分组交换；

3. 报文交换。

互联网的核心部分采用分组交换技术。、

(1) 电路交换

电路交换 (circuit switching)，即每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。

• 交换的含义。

  转接：把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。

  从通信资源的分配角度来看，就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

• 电路交换的特点：

  1. 建立连接：建立一条专用的物理通路（占用通信资源）。

  2. 通话：主叫和被叫双方互相通电话（一直占用通信资源）。

  3. 释放连接：释放刚才使用的专用的物理通路（归还通信资源）。

• 通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

  

缺陷：计算机数据具有突发性，这导致在传送数据时，通信线路的利用率很低，真正用来传送数据的时间往往不到 10%，甚至不到 1%，已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的。

(2) 分组交换

• 采用存储转发技术。

  1. 在发送端，先把较长的报文划分成更小的等长数据段。

  2. 分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”。

  3. 数据段前面添加首部就构成了分组 (packet)。

  4. 分组交换以“分组”作为数据传输单元。

     • 互联网采用分组交换技术。分组是在互联网中传送的数据单元。

     • 发送端依次把各分组发送到接收端。

  

  1. 接收端收到分组后剥去首部，还原成原来的报文。

  

• 分组在互联网中的转发。

  1. 根据首部中包含的目的地址、源地址等重要控制信息进行转发。

  2. 每一个分组在互联网中独立选择传输路径。

  3. 位于网络核心部分的路由器负责转发分组，即进行分组交换。

  4. 路由器要创建和动态维护转发表。

  

  1. 核心部分的路由器把网络互连起来。

     

  2. 核心部分中的网络可用一条链路表示。

     

  每个分组独立选择传输路径。

• 分组交换的优点。

  优点	所采用的手段
  高效	在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
  灵活	为每一个分组独立地选择最合适的转发路由。
  迅速	以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组。
  可靠	保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性。

• 分组交换的缺陷：

  1. 排队延迟：分组在各路由器存储转发时需要排队。

  2. 不保证带宽：动态分配。

  3. 增加开销：各分组必须携带控制信息；路由器要暂存分组，维护转发表等。

(3) 报文交换

• 在 20 世纪 40 年代，电报通信就采用了基于存储转发原理的报文交换 (message switching)。

• 但报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。

(4) 三种交换方式的比较

• 若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。

• 报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。

• 由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。

5. 计算机网络的性能

5.1 速率

速率指数据的传送速率，也称为数据率 (data rate) 或比特率 (bit rate)。

• 单位：bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s 等。

• 速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

千 = K = 210 = 1024，兆 = M = 220 = 1024 K，吉 = G = 230 = 1024 M

1 字节 (Byte) = 8 比特 (bit）

5.2 带宽

(1) 频域

• 某个信号具有的频带宽度。

• 单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。

• 某信道允许通过的信号频带范围称为该信道的带宽（或通频带）。

(2) 时域

• 网络中某通道传送数据的能力，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”。

• 单位就是数据率的单位 bit/s。

两者本质相同。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。

5.3 吞吐量

• 单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。

• 受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

  • 额定速率是绝对上限值。

  • 可能会远小于额定速率，甚至下降到零。

• 有时可用每秒传送的字节数或帧数来表示。

5.4 时延

时延指数据（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。

组成：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延。

(1) 发送时延

数据进入信道所需要的时间。

发送时延也称为传输时延，指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的时间。

计算公式：发送时延 = 数据帧长度(bit) / 发送速率(bit/s)

(2) 传播时延

数据在信道上”行走“的时间。

传播时延指电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

计算公式：传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波在信道上的传播速率(m/s)

电磁波传播速率：

• *空间的传播速率是光速 = 3.0 ⅹ 105 km/s

• 在铜线电缆中的传播速率约 = 2.3 ⅹ 105 km/s

• 在光纤中的传播速率约 = 2.0 ⅹ 105 km/s

发送时延与传播时延有本质上的不同。

• 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。

• 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）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和转发所经历的时延。

• 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大。

(5) 总时延

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

• 一般说来，小时延的网络要优于大时延的网络。

• 在某些情况下，一个低速率、小时延的网络很可能要优于一个高速率但大时延的网络。

必须指出，在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析。

(6) 各种时延的产生地方

• 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。

不能笼统地认为：“数据的发送速率越高，其传送的总时延就越小”。

5.5 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。

• 管道中的比特数表示从发送端发出但尚未到达接收端的比特数。

• 只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分利用。

计算公式：时延带宽积 = 传播时延 × 带宽

5.6 往返时间

往返时间RTT(Round-Trip Time)表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间。

往返时间RTT = 结点A到B的传播时延tP + 结点B处理和排队时延tPQB + 结点B发送时延tTB + 结点B到A的传播时延tP = 2 × 传播时延 tP + 结点B处理和排队时延tPQB + 结点B发送时延tTB

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，此时，RTT 是很重要的一个性能指标。

5.7 利用率

(1) 信道利用率

• 某信道有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）。

• 完全空闲的信道的利用率是零。

(2) 网络利用率

• 全网络的信道利用率的加权平均值。

• 时延与网络利用率的关系：

  根据排队论，当某信道的利用率增大时，时延会迅速增加。

  关系式：D = D0 / (1 - U)

  D0：网络空闲时的时延。

  D：网络在当前的时延。

  U：网络当前的利用率，数值在0到1之间。

  

  • 当信道的利用率增大时，该信道引起的时延迅速增加。

1.5.8 计算机网络的非性能特征

• 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。

6. 计算机网络体系结构

6.1 计算机网络体系结构的形成

(1) 计算机之间通信需要解决的问题

1. 必须有一条传送数据的通路。

2. 发起方必须激活通路。

3. 要告诉网络如何识别接收方。

4. 发起方要清楚对方是否已开机，且与网络连接正常。

5. 发起方要清楚对方是否准备好接收和存储文件。

6. 若文件格式不兼容，要完成格式的转换。

7. 要处理各种差错和意外事故，保证收到正确的文件。

(2) 各类体系结构的提出

最初的 ARPANET 设计时提出了分层的设计方法。

• 分层：将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题。

• 1974 年，IBM 按照分层的方法制定并提出了系统网络体系结构 SNA (System Network Architecture) 。

此后，其他一些公司也相继推出了具有不同名称的体系结构。

但由于网络体系结构的不同，不同公司的设备很难互相连通。

开放系统互连参考模型 OSI/RM

• ISO (国际标准化组织) 提出的 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model) 是使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架。

• OSI/RM 是个抽象的概念。

• 1983年，形成了著名的 ISO 7498 国际标准，即七层协议的体系结构。

OSI 试图达到一种理想境界：全球计算机网络都遵循这个统一标准，因而全球的计算机将能够很方便地进行互连和交换数据。

OSI模型失败的因素：

1. 基于TCP/IP的互联网已抢先在全球相当大的范围成功地运行了。

2. OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；

3. OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；

4. OSI 标准的制定周期太长，使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场；

5. OSI 的层次划分也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

6.2 协议与划分层次

网络协议 (network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

(1) 协议组成要素

• 语法：数据与控制信息的结构或格式 。

• 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。

• 同步：事件实现顺序的详细说明。

网络协议是计算机网络的不可缺少的组成部分。

(2) 层次划分的过程

1. 将文件传送模块作为最高的一层；

2. 再设计一个通信服务模块层；

3. 再设计一个网络接入模块层。

网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作，并向上层提供接入和通信服务。

(3) 分层的优点与缺点

优点：

• 各层之间是独立的。

• 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。

缺点：

• 有些功能会重复出现，因而产生了额外开销。

每一层的功能应非常明确。

层数太少，就会使每一层的协议太复杂。

层数太多，又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。

(4) 各层完成的主要功能

• 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。

• 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。

• 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。

• 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。

• 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。

网络的体系结构 (Network Architecture) 是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义（不涉及实现）。

实现 (implementation) 是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题。

6.3 五层协议的体系结构

(1) 应用层

• 任务：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。

• 协议：定义的是应用进程间通信和交互的规则。

• 在应用层交互的数据单元称为报文(message)。

• 例如：DNS，HTTP，SMTP

(2) 运输层

也称为传输层。

• 任务：负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。

• 具有复用和分用的功能。

• 主要使用两种协议：

  传输控制协议 TCP；

  1. TCP (Transmission Control Protocol)。

  2. 提供面向连接的、可靠的数据传输服务。

  3. 数据传输的单位是报文段 (segment)。

  用户数据报协议 UDP 。

  1. UDP (User Datagram Protocol)：

  1. 提供无连接的尽最大努力 (best-effort) 的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性）。

  1. 数据传输的单位是用户数据报。

(3) 网络层

• 为分组交换网上的不同主机提供通信服务。

• 两个具体任务：

  1. 路由选择：通过一定的算法，在互联网中的每一个路由器上，生成一个用来转发分组的转发表。

  1. 转发：每一个路由器在接收到一个分组时，要依据转发表中指明的路径把分组转发到下一个路由器。

• 互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议 IP (Internet Protocol) 和许多种路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做网际层或 IP 层。

• IP 协议分组也叫做 IP 数据报，或简称为数据报。

(4) 数据链路层

常简称为链路层。

• 任务：实现两个相邻节点之间的可靠通信。

• 在两个相邻节点间的链路上传送帧（frame）。

• 如发现有差错，就简单地丢弃出错帧。

• 如果需要改正出现的差错，就要采用可靠传输协议来纠正出现的差错。这种方法会使数据链路层协议复杂。

(5) 物理层

• 任务：实现比特（0 或 1）的传输。

• 确定连接电缆的插头应当有多少根引脚，以及各引脚应如何连接。

注意：传递信息所利用的一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，并不在物理层协议之内，而是在物理层协议的下面。

(6) 数据在各层之间的传递过程

假定主机1的应用进程AP1向主机2的应用进程AP2传送数据。

1）主机1的应用进程AP1向网络发送数据的过程：

1. AP1先将其数据交给本主机的第5层(应用层)。第5层加上必要的控制信息H5就变成了下一层的数据单元。

2. 第4层(运输层)收到这个数据单元后，加上本层的控制信息H4，再交给第3层(网络层)，成为第3层的数据单元。

3. 依此类推。

4. 到了第2层(数据链路层)后，控制信息被分成两部分，分别加到本层数据单元的首部(H2)和尾部(T2)。

5. 第1层(物理层)由于是比特流的传送，所以不再加上控制信息。

请注意，传送比特流时应从首部开始传送。

2）数据在网络中的传输过程：

1. 当这一串的比特流离开主机1经网络的物理传输媒体传送到路由器时，就从路由器的第1层依次上升到第3层。

2. 每一层都根据控制信息进行必要的操作，然后将控制信息剥去，将该层剩下的数据单元上交给更高的一层。

3. 当分组上升到了第3层网络层时，就根据首部中的目的地址査找路出器中的转发表，找出转发分组的接口。

4. 然后往下传送到第2层，加上新的首部和尾部后，再到最下面的第1层。

5. 然后在物理传输媒体上把每一个比特发送出去。

3）主机2的应用进程AP2接收网络发送数据的过程：

1. 当这一串的比特流离开路由器到达目的站主机2时，就从主机2的第1层按照上面讲过的方式，依次上升到第5层。

2. 最后，把应用进程AP1发送的数据交给目的站的应用进程AP2。

• OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元 PDU (Protocol Data Unit)。

• 任何两个同样的层次把 PDU （即数据单元加上控制信息）通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的“对等层”之间的通信。

• 各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。

6.4 实体、协议、服务和服务访问点

实体 (entity) ：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

• 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。

• 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。

(1) 协议和服务

• 协议：

  1. 保证了能够向上一层提供服务；

  2. 对上面的服务用户是透明的；

  3. 方向是水平的。

• 服务：

  1. 上层使用服务原语获得下层所提供的服务；

  2. 上面的服务用户只能看见服务，无法看见下面的协议；

  3. 方向是垂直的。

(2) 服务访问点SAP

在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方，通常称为服务访问点SAP(Service Access Point)。

• SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。

• OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU (Service Data Unit)。

SDU可以与PDU不一样。

例如：可以是多个SDU合成为一个PDU，也可以是一个SDU划分为几个PDU。

6.5 TCP/IP的体系结构

• 路由器在转发分组时最高只用到网际层，没有使用运输层和应用层。

• 现在互联网使用的 TCP/IP 体系结构已经发生了演变，即某些应用程序可以直接使用IP层，或甚至直接使用最下面的网络接口层。

• 沙漏计时器形状的TCP/IP协议族。设计理念为网络核心部分越简单越好。

• 互联网中客户-服务器工作方式。

• 同时运行多个服务器进程同时为多个客户进程提供服务。

7. 补充

• 计算机网络可以向用户提供哪些服务?

  计算机网络可以向用户提供多种服务，这些服务涵盖了信息交流、资源共享、远程操作、娱乐应用等多个方面。以下是对这些服务的详细介绍：

  一、信息交流服务:

  • 电子邮件（E-mail）：用户可以通过电子邮件发送和接收信息，实现个人和企业间的信息交流。

  • 电子公告牌（BBS）、网络论坛：用户可以在这些平台上发布信息、讨论话题，与其他用户进行互动交流。

  • 社交网络：如微博、微信等，用户可以通过这些平台与朋友、家人和同事保持联系，分享生活点滴和工作心得。

  二、资源共享服务

  • 硬件资源共享：包括大容量磁盘、高速打印机、绘图仪等设备的共享，用户可以通过网络访问这些设备，提高设备的利用率。

  • 软件资源共享：用户可以通过网络访问和使用各种软件资源，如数据库、应用程序等，从而减少软件开发过程中的劳动和成本。

  • 数据资源共享：用户可以在网络上共享和访问各种数据文件和信息，如文档、图片、视频等，实现数据的共享和协作。

  三、远程操作服务:

  • 远程登录（Telnet）：用户可以通过远程登录的方式访问和控制远端计算机，实现远程办公、远程教育等应用。

  • 文件传输（FTP）：用户可以通过网络传输文件，实现文件共享和协作办公等功能。

  四、娱乐应用服务:

  • 多媒体应用：用户可以通过网络观看视频、听音乐、玩游戏等多媒体应用，丰富自己的娱乐生活。

  • 网络新闻：用户可以通过网络新闻获取最新的新闻资讯，及时了解国内外大事。

  五、其他服务:

  • 信息浏览：用户可以通过浏览器访问各种网站，获取所需的信息和知识。

  • 数据传输服务：计算机网络还可以提供面向连接服务与无连接服务、可靠服务与不可靠服务、有应答服务与无应答服务等多种数据传输服务。这些服务根据数据传输的特性和需求进行分类，以满足不同用户和应用场景的需求。

  综上所述，计算机网络向用户提供的服务多种多样，涵盖了信息交流、资源共享、远程操作、娱乐应用等多个方面。这些服务不仅提高了用户的工作效率和生活质量，还促进了信息的传播和知识的共享。

• 试简述分组交换的要点。

  分组交换（Packet Switching）是一种重要的数据传输技术，在现代计算机网络中得到了广泛应用，以下是分组交换的要点归纳：

  一、基本概念:

  • 分组交换也称为包交换，它将用户通信的数据划分成多个更小的等长数据段，在每个数据段的前面加上必要的控制信息作为数据段的首部，每个带有首部的数据段就构成了一个分组。首部指明了该分组发送的地址，当交换机收到分组之后，将根据首部中的地址信息将分组转发到目的地，这个过程就是分组交换。

  二、技术要点:

  1. 数据分割：将大块的数据分割成小的数据包或分组，这些分组可以独立地在网络中传输。

  2. 分组独立传输：每个分组都是独立地路由和传输的，可能会经过不同的路径到达目的地。

  3. 缓存与排队：在交换节点或路由器中，分组可能会在被转发之前暂存。当网络流量过大时，这些分组可能会被排队或在某些情况下被丢弃。

  4. 重组：在目标端，接收到的分组会被重新组合，还原成原始的数据形式。

  5. 可靠性与错误处理：由于每个分组都独立传输，所以丢失或损坏的分组可以被重新发送，而不需要重新发送整个数据。

  6. 动态路由：分组交换通常使用动态路由，这意味着分组的路径可以根据网络的状态动态改变，以避免网络拥塞或故障点。

  三、技术特点:

  1. 高效性：与电路交换相比，分组交换可以更有效地使用网络资源，因为多个通信会话可以共享同一网络路径。

  2. 灵活性：分组交换能够动态地调整路径，因此它能够更好地适应网络故障、拥塞或其他异常状况。

  3. 统计复用：分组交换网络采用了统计复用技术，即多个会话连接可以共享一条通信信道，这大大提高了传输效率。

  四、技术分类:

  按照分组交换所采用的传输协议，可以分为以下两种：

  1. 数据报分组交换：每个分组在传输时都是独立的，不需要提前建立连接。

  2. 虚电路分组交换：在数据传输前需要建立一条虚电路，然后沿着这条虚电路传输分组。

  五、应用场景:

  分组交换广泛应用于现代计算机网络，如互联网。它支持突发性的数据流的传送，这种业务流的持续连接时间长而业务量低。

  综上所述，分组交换是一种高效、灵活且可靠的数据传输技术，它通过将数据分割成小的分组并独立传输，实现了网络资源的有效利用和动态调整。

• 试从多个方面比较电路交换、报文交换和分组交换的主要优缺点。

  电路交换、报文交换和分组交换是三种不同的数据交换方式，它们各自具有独特的主要优缺点。以下是从多个方面对这三种交换方式的比较：

  一、数据传输效率与带宽利用:

  1. 电路交换

     • 优点：

       • 数据传输可靠、迅速，数据不会丢失，且保持原来的序列。

       • 通信双方之间的物理通路一旦建立，双方可以随时通信，实时性强。

     • 缺点：

       • 电路建立和拆除所用的时间较长，对于持续时间不长的数据传输，电路空闲时的信道容量被浪费。

       • 物理通路被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，信道利用率低。

  2. 报文交换

     • 优点：

       • 不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在连接建立时延，用户可随时发送报文。

       • 线路利用率较高，因为通信双方不是固定占有一条通信线路，而是在不同的时间一段一段地部分占有这条物理通路。

     • 缺点：

       • 由于数据进入交换结点后要经历存储、转发这一过程，从而引起转发时延，网络的通信量愈大，造成的时延就愈大，因此报文交换的实时性差。

       • 只适用于数字信号。

  3. 分组交换

     • 优点：

       • 数据只在传输时占用物理链路资源，在传输过程中其他用户可以分享空闲链路带宽，提高带宽利用率。

       • 加速了数据在网络中的传输，因为分组是逐个传输，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行。

     • 缺点：

       • 尽管分组交换比报文交换的传输时延少，但仍存在存储转发时延。

       • 每个分组都要加上源、目的地址和分组编号等信息，使传送的信息量大约增大5%~10%，一定程度上降低了通信效率。

  二、差错控制与可靠性:

  1. 电路交换

     • 数据直达，通信过程中不易出现差错，可靠性高。

     • 但对于不同类型、不同规格、不同速率的终端，相互通信时差错控制较为复杂。

  2. 报文交换

     • 便于设置代码检验和数据重发设施，加之交换结点还具有路径选择，可以提高传输的可靠性。

     • 但由于存在转发时延，可能增加差错控制的难度。

  3. 分组交换

     • 分组较短，出错机率减少，每次重发的数据量也大大减少，提高了可靠性。

     • 不会因为网络节点故障导致整条链路的断开，只有受影响的数据包需要重传。

  三、灵活性与适