计算机网络：概述

计算机网络在信息时代的作用。
网络指“三网”，即电信网络，有限电视网络和计算机网络。电信网络的用户可得到电话，电报以及传真等服务。有线电视网络的用户能够观看各种电视节目。计算机网络则能够迅速传递数据文件，以及从网络上查找并获取各种有用的资料，包括图像和视频文件。
计算机网络向用户提供的最重要的功能有两个，即：
（1）连通性
（2）共享

1.2因特网概述
网络的网络
起源于美国的因特网现已发展成为时间上最大的国际性计算机互联网。
网络由若干节点和连接这些节点的链路组成。网络中的节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。网络和网络还可以通过路由器互联起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网。
因特网是世界上最大的互联网络。习惯上，大家把连接在因特网上的计算机都称为主机。
网络把许多计算机连在一起，而因特网则把许多网络连接在一起。
1.2.2因特网发展的三个阶段
因特网的基础结构大体上经历了三个阶段的演进。但这三个阶段在实践划分上并非截然分开而是有部分重叠的。

第一个阶段是单个网络APPANET像互联网发展的过程。1969年美国国防部创建的第一个发分组交换网APPANET最初只是一个单个的分组交换网。所有要连接在APPANET上的主机都直接与就近的通信问题。于是ARPA开始盐焗多种网络互联的技术。这就导致后来互联网的出现。这样的互联网就成为现在的因特网的雏形。1983年TCP/IP协议就成APPANET上的标准协议，使得所有使用TCP/IP协议的计算机都能利用互联网相互通信，因为人们就把1983年作为因特网的诞生日。
请读者注意以下两个意思相差很大的名字internet与Internet。
一小写字母I开始的internet是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互联而成的网络。这些网络之间的通信协议可以是任意的。
以大写字母I开始的Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络互联而成的特定计算机网络、它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身为美国的APPANET。

第二阶段的特点是建成了三级结构的因特网。从1985年起，美国国家科学基金会NSF就围绕六个大型计算机中心建设计算机网络，即国家科学基金网NSFNET。他是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网。这种三级计算机网络覆盖了全美国主要的大学和研究所、并且成为因特网中的主要组成部分。1991年NSF和美国的其他政府开始认识到、因特网必将扩大其适用范围、不应限于大学和研究机构。世界上的许多公司纷纷接入到因特网，使网络的通信量急剧增大，是因特网的容量已满足不了需要。于是美国政府决定将因特网的主干网交给私人公司来经营，并开始对介入因特网的单位收费。1992年，因特网上的主机超过100万台。1993年，因特网的速率提高到45Mb/s（T3速率）。
第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。我们通常所说的“上网”就是指“（通过某个ISP）接入到因特网”，因为ISP向连接到因特网的用户提供了IP地址。IP地址的管理机构不会把一个单个的IP地址分配给单个用户，二十八一批IP地址有偿分配给经查合格的ISP。
根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的的IP地址数目的不同，ISP也分为不同的层次。

在图中，最高级别的第一层ISP的服务面积最大（一般能够覆盖国家范围），别切还拥有告诉主干网。第二层ISP和一些大公司都是第一层ISP的用户。第三层ISP又称为本地ISP，他们是第二层ISP的用户，且只拥有本底范围的网络。一般的校园网或企业网以及拨号上网的用户，都是第三层ISP的用户。为了使不同层次ISP经营的网络都能够互通，在1994年开始创建了四个网络接入点NAP，分别由四个电信公司经营。网络接入点NAP用来交换因特网上流量。在NAP中安装有性能很好的交换设施。在NAP中安装有性能很好的交换设施。NAP可以算是最高等级的接入点。它最主要是向各ISP提供交换设施。使他们能够相互通信。NAP又称为对等点，表示接入到NAP的设备不存在从属关系而都是平等的。现在又一种趋势，即比较大的第一层ISP愿意绕过NAP而直接通过高速通信线路（2.5~10Gb/s或更高）和其他的底层ISP交换大量数据。这样可以使第一层ISP之间的通信更加快捷。
因特网逐渐演变成基于ISP和NAP的多层次结构网络。但今日的因特网由于规模太大，已经很难对整个的网络结构给出细致的描述。但下面这种情况经常遇到的，就是相隔较远的两个主机的通信可能需要经过多个ISP。因此，当主机A和另一个主机B通过因特网进行通信时，实际上也就是他们通过许多中间的ISP进行通信。
顺便指出，一旦某个用户能够接入因特网，那么它就能够成为有一个ISP。他需要做的就是购买一些调制器或路由器这样的设备，让其他用户能够和他相连接。因为一个ISP可以很方便的在因特网上增添新的层次分枝。
因特网已成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络，没有人能够准确说出因特网究竟有多大。因特网的迅猛发展始于20世纪90年代。由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW（World Wide Web）被广泛使用再因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。万维网的站点数目也急剧增长。在因特网上的数据通信量每月增加10%。由于因特网存在着技术和功能上的不足，加上用户数量猛增，使得现有的因特网不堪重负。因此1996年美国的一些研究机构和34所大学提出研制和建造新一代因特网的设想，并宣布今后五年内实施“下一代因特网计划”即“NGI”计划。
NGI计划要实现的主要目表是：
1.开发下一代网络结构，以比现有的因特网高100倍的速率连接至少100个研究机构，以比现有的因特网高1000倍的速率连接10个类似的网点。其端到端的传输速率要超过100Mb/s至10Gb/s。
2.使用更加先进的网络服务技术和开发许多带有革命新的应用，如远程医疗、远程教育、有关能源和地球系统的研究、高性能的全球通信、环境监测和预报、紧急情况处理等。
3.使用超高速全光网络，能实现更快速的交换和路由选择，同时具有为一些实时应用保留带宽的能力。
3.对整个因特网的管理和保证信息的可靠性及安全性方面进行较大的改进。
1992年由于因特网不再归美国政府管辖，因此成立了一个国际性组织叫因特网协会ISOC，以便对因特网进行全面管理以及在世界范围诶促进其发展和使用。ISOC下面有一个技术组织叫做因特网体系结构委员会IAB，负责管理因特网有关协议的开发。IAB有两个工程部：
IETF，IRTF。
指定因特网的正式标准要经历一下的四个阶段：
（1）因特网草案–在这个阶段还不是RFC文档。
（2）建议标准–从这个阶段开始成为RFC文档
（3）草案标准
（4）因特网标准

1.3因特网组成
边缘部分与核心部分。
在实际应用中，客户程序和服务器程序通常具有以下一些主要特点。
客户程序：
(1)被用户调用后运行，在通信时主要向远地服务器发起通信。incident，客户端程序必须知道服务器程序的地址。
(2)不需要特殊的硬件和复杂的操作系统。
服务器程序
（1）是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或 本地客户请求。
（2）系统启动后即自动调用并一直不断运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。
（3）一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。
顺便说一下，上面是所说的客户和扶我去本来都是指的是计算机进程（软件）。使用计算机的人是计算机的（用户）而不是“客户”。

2.对等连接方式
指两个主机在通信时并不区分哪一个服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都晕定了对等的连接的软件（P2P软件），他们就可以进行平等的、对等连接通信。这时，双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。因此这种工作方式也成为P2P文件共享。
1.3.2
因特网的核心部分
网络核心部分是因特网中最复杂的部，因为网络中的核心5部分要向网络边缘中的大量主机提供提供连通性，是边缘部分中的任何一个主机能够像其它主机通信（即传送或接受何种形式的数据）。
路由器是实现分组交换的关键部件，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。为了弄清分组交换，我们先介绍电路交换的基本概念，在此基础上在讨论分组交换的特点。
1.电路交换的主要特点
在电话问世不久，人们就发现，要让所有电话机都两两相连是不现实的。一百多年以来，电话交换机虽然经过多次更新换代，但交换的方式一直都是电路交换。
当电话机的数量增多时，就要使用很多彼此连接起来的交换机来完成全网的交换任务。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。在使用电路交换打电话之前，必须先拨号建立连接。当拨号的信令通过许多交换机到达被叫用户所连接的交换机时，该交换机就向被叫用户的电话机振铃。在被叫用户宅基且摘机信令传回到主叫用户所连接的交换机后，呼叫即完成。这时，从主叫端到被叫端建立了一条连接（物理通路）。这条线占用了双方通话时所需的通信资源，而这些资源在双方通信时不会被其他用户占用，此后主叫和被叫双方才能相互通话。这种必须经过“建立连接（占用 通信资源）->通话（一直占用通信资源）->释放资源（归还通信资源）”三个步骤的交换方式成为电路交换。
交换机之间拥有大量的话路的中继线则是许多用户共享的额，正在通话的用户之战应了其中的一个话路。电路交换的一个重要特点就是在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用到端到端的通信资源。
当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上，因此线路上真正用来传输数据的时间往往不到10%甚至1%。实际上，已被用户占用的通信线路咋为绝大部分时间里都是空闲的。

2.分组交换的主要特点
分组交换则采用存储转发技术。通常我们要把发送的整块数据称为一个报文。在发送发文之前，先把较长的报文文分为一个个更小的等长数据段，例如，每个数据段为1024bit。在每个数据段面前，加上一些必要的控制信息组成首部后，就构成了分组。分组又称为包，而分组的首部也可以成为包头。分组是在因特网中传送的数据单元。分组中的“首部”是非常重要的，正是由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在因特网中独立地选择传输路径。

主机和路由器都是计算机，但他们的作用很不一样。主机视为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器则是用来转发分组的，即进行分组交换的。路由器收到一个分组，先暂时存储下来，在检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器。这样一步一步地以存储转发的方式，把分组交付到最终的目的主机。下方归纳了三种交换方式在数据传送阶段的主要特点。
电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。
报文交换：整个报文传送到相邻接点全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
分组交换：单个分组传送到相邻接点，存储下来后查找转发表没转发到下一个结点。

1.4计算机在我国的发展
关于计算机网络的最简单定义是：一些互连接的、自治的计算机的集合。
几种不同类别的网络
1.不同作用范围的网络
（1）广域网WAN。范围通常几十到几千公里。广域网也成为远程网。广域网是因特网的核心部分。连接广域网各结点 交换机的链路一般都是告诉链路，具有较大的信息容量。
（2）城域网MAN
（3）局域网LAN 较小的范围1km左右，。
（4）个人区域网PAN

2.用来把用户接到因特网的网络
这种网络就是接入网AN，他成为接入网或居民接入网。

1.6计算机网络性能
1.速率
2.带宽 表示通信线路允许通过的信号频带范围就成为线路的带宽。
在计算机网络中，贷款用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。
3.吞吐量
表示单位时间内通过某个网络的数据量。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而定速率的限制。
4.时延
时延是指数据从网络的一段传送到另一端所需的时间。网络时延由以下几个不同的部分组成。
发送时延 发送时延是主机或路由器发送数据帧所需的时间。发送时延也叫做传输时延发送时延的计算公式是：
发送时延=数据帧长度/信道宽度。
传播时延 传播时延是电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间。传播时延的计算公式是：
传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播频率
处理时延 主机或路由器在收到分组时花费一定的时间进行处理。
排队时延 分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待出离在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延
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

5.延时带宽积
把以上讨论的网络性能的两个度量一一传播时延和带宽一一相乘，就得到另一个很有用的度量：传播时延带宽积，即
延时带宽积 = 传播时延x 带宽
6.往返时间RTT
在计算机网络中，往返时间RTT也是一个重要的性能指标，他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。
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.利用率利用率由信道利用率和网络利用率两种。
信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的。完全空闲的信道的利用率为0。
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。这是因为，根据排队论的理论，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。如果令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，那么在适当的假定条件下，可以用下面的简单共识来表示D，D0和利用率U之间的关系：
D=D0/(1-U)
协议与划分层次
在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则。网络协议主要有一下三个要素组成：
（1）语法，数据与控制信息的结构或格式；
（2）语义 ，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；
（3）同步，即时间实现顺序的详细说明。
协议通常有两种不同的形式。一种是使用便于人来阅读和理解的文字描述。另一种是使用让计算机能够理解的程序代码。这两种不同形式的协议都必须能够理解网络上信息交换过程作出精确的解释。
ARPANET的研制经验表明，对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应该是层次式的。我们可以举一个简单的例子来说明划分层次的概念。
假定我们在主机1和主机2之间通过一个通信网络传送文件。这是一件比较复杂的工作，因为需要做不少的工作。
我们可以将要做的工作划分为三类。第一类工作传送文件直接有关。
我们把计算机网络的各层及其协议的集合，成为网络的体系结构。换种说法，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构建所应完成的功能的精确定义。需要强调的是：这些功能究竟是何种硬件或软件完成的，则是一个遵循这种体系结构的实现问题。总之，体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

具有五层协议的体系结构
OSI七层协议体系结构：应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。
TCP/IP四层体系结构应用层、运输层、网络层、网络接口层。
五层协议体系结构：应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。

（1）用层是体系结构中的最高层。应用层直接为用户的应用进程提供服务。这里的进程就是指正在运行的程序。在因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议，支持文件传送的FTP协议等等。
（2）运输层运输层的任务就是负责向两个主机中进城之间的通信提供服务。由于一个主机可同时运行多个进程，因此运输层复用和分用的功能。复用就是多个应用层可同时使用 下面运输层的服务，分用则是运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中的相应进程。
运输层主要是用一下两种协议：
1.传输控制协议TCP–面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。
2.用户数据报协议UDP，数据传输的单位是用户数据报，不提供可靠交付，只能提供“最大努力交付”。
（3）网络层网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时网络层把运输层产生的报文段或用户数据封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报，或简称为数据报。本书把“分组”和“数据报”作为同义词使用。
请注意不要讲运输层的“用户数据报UDP”和网络层的“IP数据报”弄混。
还有一点也请注意，无论在那一层传送的数据单元，习惯上都可笼统地用“分组来表示”。在阅读国外文献时，特别要注意packet往往是作为任何一层传送数据单元的同义词。
对于广播信道构成的分组交换网路由选择的问题很简单，因此这种网络的网络层非常简单，甚至可以没有。
因特网是一个很大的互联网，它是由大量的异构网络通过路由器相互连接起来。因特网主要的网络层协议是无连接的网际协议IP和许多种路由选择协议，因此因特网的网络层也叫做网际层或IP层。在本书中，网络层、网际层和IP层都是同义语。
（4）数据链路层 常见称为链路层。我们知道，两个主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的，也就是说，在两个相邻接点之间（主机和路由器之间或两个路由器之间）传送数据是直接传送的（点对点）。这时就需要使用专门的链路层的协议。在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层叫下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻节点间的链路上“透明”地传送帧中数据。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息差错控制等）。典型的帧长是几百字节到一千多字节。
控制信息还是接收端能够检测到所接受到的帧中有无差错。如发现有差错，数据链路层就简单地丢弃这个出了差错的帧，以免继续传送下去白白浪费网络资源。如果需要改正错误k，就由运输层的TCP协议来完成。
（5）物理层 在屋里城中所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。因此物理层就要 考虑用多大的电压代表“1”或
“0”，以及接受方如何识别出发送方所发送的比特。物理层要确定连接电缆的插头应有多少根引脚以及各条引脚应如何连接。当然，那几个比特代表什么意思，则不是物理层所要管的。请注意，传递信息所利用一些物理媒体，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。因此也有人把物理媒体当做第0层。
在因特网所使用的的各种协议中，最重要的和最著名的就是TCP和IP两个协议。现在人们经常提到的TCP/IP并不一定是单指TCP和IP这两个具体的协议，而往往是表示因特网所使用的整个TCP/IP协议族。

‘’
1.7.4实体、协议、服务和服务访问点
当研究开放体系中的信息交换时，往往使用实体这一较为抽象的名词表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。
协议是控制两个对等实体进行通信的规则集合。协议的语法方面的规则定义了所交换的信息的格式，而协议的语义方面的规则就定义了发送者或接收者所要完成的操作，例如在任何条件下数据必须重传或丢弃。
一定要弄清楚，协议和服务在概念上是很不一样的。
首先，协议的实现保证了能够向上一层提供服务。使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。下面的协议对上面的实体是透明的。
其次，协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是“垂直的”，即服务是由下向上层通过层间接口提供的。另外，并非在一个层内完成的全部功能都称为服务。只有那些由下向上能够通过层间接口提供的。另外，并非在一个层内完成的全部功能都成为服务。只有那些能够被高一层实体“看得见”的功能
才能称为“服务”。上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中成为服务原语。
在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方，通常称为服务访问点SAP。服务访问点SAP是个抽象的概念，他实际是一个逻辑接口，有点像邮政信箱，但这种层间接口和两个设备之间的硬件接口并不一样。OSI把层与层之间交换的数据的单位成为服务单元数据SDU，他可以与PDU不一样。例如可以是多个SDU和成为一个PDU，也可以是一个SDU划分为几个PDU。
1.7.5TCP/IP
的体系结构
前面已经说过，TCP/IP的体系结构比较简单，他只有四层 。请注意图中的路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用运输层和应用层。

还有一种方法，就是分层次画出具体的协议来表示TCP/IP
协议族，他的特点是上下两头大中间小：应用层和网络接口都用多种协议，而中间的IP协议很小，上层的各种协议都想下汇聚到一个IP协议中。这种很想沙漏计时形状的TCP/IP协议表明：TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务，同时TCP/IP协议也运行IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行。