《計算機網絡》 謝希仁 筆記（一）

第1章 概述

1.1 計算機網絡在信息時代中的作用

網絡指“三網”，即：

• 電信網絡： 提供電話，電報，傳真等服務
• 有線電視網絡 ： 提供各種電視節目
• 計算機網絡 ： 迅速傳送文件，從網絡上查找獲取各種資料

網絡融合 ： 電信網絡和有線電視網絡逐漸融入現代計算機網絡，計算機網絡不僅能傳送數據，還能提供打電話，觀看視頻等服務；有非技術性的複雜問題亟待解決（如版權？壟斷？各方利益協調？）

計算機網絡向用戶提供的兩個最重要的功能：

1. 連通性 ： 用戶可以交換信息，好像他們的計算機彼此連通一樣
2. 共享性 ： 資源（信息，軟件，硬件）共享

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1.2 因特網概述

1.2.1 網絡的網絡

網絡（network）由若干結點（node）和連接這些結點的鏈路（link）組成
結點：計算機，集線器，交換機，路由器等

圖1-1(a) ： 一個具有四個結點三條鏈路的網絡。三臺計算機通過三條鏈路連接到一個集線器上。
圖1-1(b) ： 網絡和網絡通過路由器互連，構成覆蓋範圍更大的網絡，即互聯網。因此互聯網是網絡的網絡（network of networks）

因特網（Internet）是世界上最大的互連網絡。連接在因特網上的計算機稱爲主機（host）

網絡把許多計算機連接在一起，而因特網把許多網絡連接在一起。

1.2.2 因特網發展的三個階段

第一階段：從單個網絡ARPANET向互聯網發展的過程。
1969年美國國防部創建第一個分組交換網ARPANET。
1983年，TCP/IP協議成爲ARPANET上的標準協議，使所有使用該協議的計算機都能利用互聯網互相通信，由此將83年記爲因特網誕生時間。
1990年ARPANET關閉，因爲其實驗任務已完成

internet（互聯/連網）是一個通用名詞，泛指由多個計算機網絡互連成的網絡。這些網絡間的通信協議是任意的。
Internet（因特網）是專用名詞，指當前全球最大的，開放的，由衆多網絡相互連接而成的特定計算機網絡，採用TCP/IP協議族作爲通信規則，且前身是ARPANET。

第二階段 ： 建成了三級結構的因特網NSFNET（美國國家科學基金會，National Science Foundation)，分爲主幹網，地區網和校園網（或企業網）。三級計算機網絡覆蓋全美主要的大學和研究所，成爲因特網中的主要組成部分。91年因特網擴大使用範圍，不僅限於大學和研究所，並將主幹網轉交給私人公司來經營，對接入因特網的單位收費。

第三階段 ： 逐漸形成了多層次ISP結構的因特網。93年起，NSFNET逐漸被若干個商用的因特網主幹網替代。政府不再運營因特網後，因特網服務提供商ISP（Internet Service Provider）出現，如中國電信，中國移動，中國聯通。
ISP從因特網管理機構申請到很多IP地址，同時擁有通信線路（自己建造或向電信公司租用）以及路由器等聯網設備。機構和個人只需向ISP交納費用即可從ISP獲取所需IP地址使用權，並通過該ISP接入因特網。
IP地址管理機構不將單一的IP地址分配給單個用戶，而是把一批IP地址有償租賃給ISP。
因特網由全世界大大小小的ISP所共有。

根據服務覆蓋面積以及擁有的IP數量不同，ISP分爲：

• 主幹ISP ： 幾個專門公司創建和維持，服務面積最大（覆蓋國家），擁有高速主幹網（10GB+）
• 地區ISP ： 通過一個或多個主幹ISP連接起來，數據率低一些
• 本地ISP ： 給端用戶直接提供服務（提供因特網服務的公司，或是企業/校園）
  

爲了更快轉發分組，更有效地利用網絡資源，因特網交換點IXP（Internet eXchange Point）應運而生。

IXP允許兩個網絡直接相連並交換分組，而不需要通過第三個網絡來轉發分組：如上圖直接在兩個地區ISP之間用高速鏈路對等地交換分組。使因特網上的數據流量分佈更加合理，減少分組轉發的遲延，降低分組轉發的費用。

許多IXP在對等交換分組時互相不收費。但本地或地區ISP通過IXP向高層的IXP轉發分組時，則需要繳納一定的費用。

IXP由一個或多個網絡交換機組成，許多ISP再連接到這些網絡交換機的相關端口上。IXP常採用工作在數據鏈路層的網絡交換機，這些網絡交換機都用局域網互聯起來。

1.2.3 因特網的標準化工作

制定因特網的正是標準要經過以下四個階段：

1. 因特網草案（Internet Draft） 此階段還不是RFC文檔
2. 建議標準（proposed standard） 此階段開始成爲RFC文檔
3. 草案標準（draft standard）
4. 因特網標準（Internet standard）

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1.3 因特網的組成

因特網的拓撲結構從工作方式上可劃分爲兩大塊：

1. 邊緣部分 ： 由所有連接在因特網上的主機組成。這部分被用戶直接使用，進行通信和資源共享
2. 核心部分 ： 由大量網絡和連接這些網絡的路由器組成。這部分是爲邊緣部分提供服務（連通性和交換）的

1.3.1 因特網的邊緣部分

因特網的邊緣部分是連接在因特網上的所有主機，這些主機又稱爲端系統（end system）。可以是PC，手機，網絡攝像頭，大型計算機等。

邊緣部分利用核心部分所提供的服務，使衆多主機之間能夠互相通信並交換或共享信息。

兩個主機間的通信實際上是這兩個主機上的進程間的通信。

端系統之間的通信方式劃分爲兩大類：

1. 客戶-服務器方式 ： 上網發email或在網站上查資料時使用。客戶（client）和服務器（server）通信中所涉及的兩個應用進程。客戶是服務請求方，服務器是服務提供方，他們都要使用網絡核心部分所提供的服務。

   客戶程序 ：

   1. 被用戶調用後運行，通信時主動地向服務器發起通信。因此，客戶程序需要知道服務器程序的地址。
   2. 不需要特殊的硬件和複雜的操作系統

   服務器程序 ：

   1. 專門用來提供某種服務的程序，可同時處理多個遠地或本地客戶的請求
   2. 系統啓動後即自動調用且一直不斷地運行，被動地等待並接受來自各地的客戶的通信請求。
   3. 要有強大的硬件和高級的操作系統支持

   客戶與服務器的通信關係建立後，可以進行雙向地通信，服務器和客戶都可以發送或接受數據。

2. 對等連接方式：對等連接（peer-to-peer，P2P）是指兩個主機在通信時並不區分服務請求方和提供方，只要兩個主機都運行了P2P軟件，他們就可以進行平等的、對等連接通信。
   P2P從本質上看還是C-S方式，只是每一個主機既是客戶又同時是服務器。

1.3.2 因特網的核心部分

向網絡邊緣的大量主機提供連通性，使邊緣部分中的任何一臺主機都能夠向其他主機通信。
關鍵設備是路由器：一種專用計算機（不是主機）。是實現分組交換（packet switching）的關鍵構件，任務是轉發收到的分組，這是網絡核心部分最重要的功能。
1. 電路交換的主要特點：

要將世界上所有電話兩兩相連是不現實的，於是將電話連接到很多彼此連接起來的交換機上，即可完成全網的交換任務。

電路交換特點：在通話的全部時間內，通話的兩個用戶始終佔用端到端的通信資源
使用電路交換來傳送計算機數據，線路的傳輸效率很低。因爲計算機數據是突發式地出現在傳輸線路上的，線路上真正用來傳輸數據的時間往往不到10%甚至1%。已被用戶佔用的通信線路資源在絕大部分時間內是空閒的。
2. 分組交換的主要特點
分組交換採用存儲轉發技術。
報文（message）：要發送的整塊數據
發送報文前，把較長的報文劃分成一個個更小的等長數據段，如每個數據段1024bit，在每個數據段前面加上一些必要的控制信息組成的首部（header）後，就構成了一個分組（packet）。分組又稱爲包，分組首部又稱爲包頭。

分組：數據段加上分組首部，是因特網中傳送的數據單元
分組首部： 包含如目的地址和源地址等重要控制信息，是分組正確傳輸的保證

路由器用來轉發分組，進行分組交換，路由器收到一個分組，先暫時存儲一下，檢查其首部，查找轉發表，按照首部中的目的地址找到合適的接口轉發出去，把分組交給下一個路由器。

分組交換的問題：

1. 分組在各路由器存儲轉發時需要排隊，這會造成一定的時延
2. 無法確保通信時端到端所需的帶寬
3. 各分組必須攜帶的控制信息造成了一定的開銷（overhead）

4. 分組交換網需要專門的管理和控制機制

   郵政通信也使用存儲轉發方式
   20世紀40年代的電報通信也採用基於存儲轉發的報文交換（message switching）。在報文交換中心，一份電報被接收下來，操作員以每份報文爲單位，根據報文的目的站地址拿到相應的發報機轉發出去

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1.4 計算機網絡在我國的發展

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1.5 計算機網絡的類別

1.5.1 計算機網絡的定義

一些互相連接的，自治的計算機的集合

1.5.2 幾種不同類別的網絡

1. 按網絡的作用範圍分類

   1. 廣域網WAN（Wide Area Network）：作用範圍幾十到幾千公里，又稱遠程網（long haul network）。是因特網的核心部分
   2. 城域網MAN（Metropolitan Area Network）：作用範圍一般是一個城市，5~50km，採用以太網技術
   3. 局域網LAN（Local Area Network）：用微型計算機或工作站通過高速通信線路相連，作用範圍1km左右。學校或企業有多個互聯的局域網，這樣的網絡稱爲校園網或企業網。
   4. 個人區域網PAN（Personal Area Network）：在個人工作的地方把屬於個人使用的電子設備用無線技術連接起來的網絡，範圍10m左右

2. 按網絡的使用者進行分類

   1. 公用網（public network）：電信公司出資建造的大型網絡，繳費的人都可使用，如CHINANET
   2. 專用網（private network）：不對外人提供服務的，如政府，軍隊，銀行，公安等網絡。

3. 用來把用戶接入到因特網的網絡

   接入網AN（Access Network）：用戶通過ISP才能接入到因特網，從用戶家中接入到因特網可以使用的技術有多種。

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1.6 計算機網絡的性能

分爲重要的性能指標和非性能特徵（nonperformance characteristics）

1.6.1 計算機網絡的性能指標

常用的七個性能指標：

1. 速率
   比特是計算機中數據量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位

   速率指的是連接在計算機網絡上的主機在數字信道上傳送數據的速率，也稱爲數據率（data rate）或比特率（bit rate）

   單位：b/s， Kb/s， Mb/s……

   100M以太網指的是速率爲100Mb/s的以太網

   上述速率是指額定速率或標稱速率

2. 帶寬
   帶寬（bandwidth）原指某個信號具有的頻帶寬度。信號的帶寬是指該信號所包含的各種不同頻率成份所佔據的頻率範圍

   在計算機網絡中，帶寬用來表示網絡的通信線路傳送數據的能力：單位時間內從網絡的某一點到另一點所能通過的“最高數據率”。

   單位：b/s， Kb/s， Mb/s……

3. 吞吐量（throughput）
   單位時間內通過某個網絡（或信道，接口） 的數據量

   如額定速率100Mb/s的以太網，其吞吐量上限也是這個值

4. 時延（delay，latency）
   指數據（一個報文，分組，或比特）從網絡（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間

   網絡中時延的組成部分：
   1.傳輸/發送時延（transmission delay）：主機或路由器發送數據幀所需要的時間，即從發送數據幀的第一個比特算起，到該幀最後一個比特發送完畢所需的時間。

   計算公式： 傳輸時延 = 數據幀長度(b) / 發送速率 (b/s)

   2.傳播時延（propagation delay） ： 電磁波在信道中傳播一定距離需要花費的時間。
   計算公式 ： 傳播時延 = 信道長度(m) / 電磁波在信道上的傳播速率(m/s)

   3.處理時延 ：主機或路由器收到分組時需要花費時間來處理，如分析分組首部，提取分組數據，差錯校驗和查找路由等

   4.排隊時延 ： 分組在進入路由器後要先在輸入隊列中排隊等待處理。路由器確定轉發接口後還要在輸出隊列中排隊等待轉發。

   總時延 = 傳輸 + 傳播 + 處理 + 排隊

5. 時延帶寬積
   時延帶寬積 = 傳播時延 * 帶寬
   
   以比特爲單位的鏈路長度

6. 往返時間RTT
   從發送方發送數據開始，到發送方收到來自接收方的確認（接收方收到數據後便立即發送確認），總共經歷的時間。

7. 利用率
   利用率分爲信道利用率和網絡利用率

   信道利用率：某信道有百分之幾的時間是被利用的（有數據通過）

   網絡利用率：全網絡的信道利用率的加權平均值

   信道利用率並非越高越好，某信道的利用率增大時，該信道引起的時延也迅速增加（如高速路上車流量大導致堵車，行車時間就會增長）

   令D0表示網絡空閒時的時延，D表示網絡當前的時延，在適當的假定條件下，D，D0和網絡利用率U的關係如公式：D = D0 / (1 - U)

   信道或網絡利用率過高會產生非常大的時延，ISP會控制他們的信道利用率不超過50%，若超過了就要準備擴容，增大線路的帶寬

1.6.2 計算機網絡的非性能特徵

1. 費用
2. 質量
3. 標準化
4. 可靠性
5. 可擴展性和可升級性
6. 易於管理和維護

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1.7 計算機網絡體系結構

計算機網絡的最基本概念：分層次的體系結構

1.7.1 計算機網絡體系結構的形成

74年IBM宣佈了系統網絡體系結構SNA（system network architecture）
不久後其他公司也相繼推出自己的體系結構
公司爲了壟斷，在產品中使用自己的體系結構；不同公司的不同體系結構間很難互相聯通。
ISO推出開放系統互聯基本參考模型OSI/RM（open systems interconnection reference model）
因特網並未使用OSI標準，OSI失敗了
得到最廣泛應用的是非國際標準TCP/IP

1.7.2 協議與劃分層次

網絡協議（network protocol），簡稱協議：爲進行網絡中數據交換而建立的規則、標準或約定

網絡協議的三個組成要素：

1. 語法：數據與控制信息的結構和格式
2. 語義：需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應
3. 同步：事件實現順序的詳細說明

網絡的體系結構（architecture）：計算機網絡的各層及其協議的集合，計算機網絡的體系結構就是這個計算機網絡及其構件所應完成的功能的精確定義

1.7.3 具有五層協議的體系結構

五層協議的體系結構只是爲介紹網絡原理而設計的，實際應用還是TCP/IP四層體系結構

1. 應用層（application）
   任務：通過應用進程間的交互來完成特定網絡應用

   應用層協議定義的是應用進程間通信和交互的規則

   不同網絡應用使用不同的應用層協議，如HTTP,SMTP,FTP

   應用層交互的數據單元稱爲報文（message）

2. 運輸層（transport）
   任務：向兩個主機中的進程之間的通信提供通用的數據傳輸服務

   應用層利用運輸層提供的服務來傳送報文

   一臺主機有多個進程，所以運輸層要實現複用和分用。複用是多個應用層進程同時使用運輸層的服務；分用是運輸層把收到的信息分別交付給應用層中的對應進程

   運輸層兩種協議：
   傳輸控制協議TCP（transmission control protocol）：提供面向連接的、可靠的數據傳輸服務，其數據傳輸單位是報文段（segment）
   用戶數據報協議UDP（user datagram protocol）：提供無連接的、盡最大努力的（best-effort）數據傳輸服務（不保證數據傳輸的可靠性），其數據傳輸單位是用戶數據報

3. 網絡/網際/IP層（network）
   任務：爲分組交換網上的不同主機提供通信服務；選擇合適的路由

   把運輸層產生的報文段或用戶數據報封裝成分組/包（packet）/IP數據報/數據報（datagram）來傳送

4. 數據鏈路層（data link）
   在兩個相鄰結點之間傳送數據時，鏈路層將網絡層交下來的IP數據報組裝成幀（framing），在兩個相鄰結點間的鏈路上傳送幀（frame）。

   每一幀包含數據和必要的控制信息（同步信息，地址信息，差錯控制……）控制信息使接收端知道一個幀的開始和結束的比特，由此接收端可以從幀中提取出數據部分，上交給網絡層

   若幀有差錯，則丟棄，以免繼續在網絡中傳送而浪費資源；複雜的可靠傳輸協議可以糾正差錯

5. 物理層（physical）
   物理層上所傳數據的單位是比特（0或1）

TCP和IP是兩個協議，TCP/IP不是單指TCP和IP這兩個具體的協議，而是因特網所使用的整個TCP/IP協議族（protocol suite）

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1.7.4 實體、協議、服務和服務訪問點

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1.7.5 TCP/IP的體系結構

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