6个章节，外加实验和复习课时。题目来自于题库，重在理解+翻译。
- 概述
- 物理层
- 链路层
- 网络层
- 传输层
- 应用层
- 复习课
- 实验课
一、计算机网络的基本概念
•
21
世纪的一些重要特征就是
数字化、网络化
和
信息化
，是一个以网络为核心的信息时代。
•
网络
现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。
发展最快的并起到核心作用的是计算机网络
Ø
第一代
以主机为中心
Ø
第二代
以通信子网为中心
Ø
第三代
ISO/OSI-RM
、
Internet
Ø
第四代
新一代网络
第一代: 以主机为中心，面向终端的计算机网络。
以单个主机为中心的星形网，各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源。将地理上分散的多个终端通过通信线路连接到一台中心计算机上，利用中心计算机进行信息处理，其余终端都不具备自主处理能力。
例子：早期的飞机订票系统、银行储蓄系统等。
第二代:以通信子网为中心，是计算机到计算机的连接
Ø
网络结构从“主机－终端” 转变为“主机－主机”；
Ø
采用报文分组交换方式，主机都处在网络的外围；
Ø
通信任务从主机中分离，由专门的接口信息处理机（
Interface Message Processor, IMP
）来完成；
Ø
典型的代表是目前
Internet
网的前身
ARPNET
。
第三代:开放式标准化网络
Ø
第二代计算机网络存在明显不足，主要表现：
•
各个厂商各自开发自己的产品，产品之间不能通用；
•
各个厂商各自制定自己的标准，不同的标准之间转换非常困难。
Ø
一些大的计算机公司纷纷提出了各种网络体系结构与网络协议
厂商标准：IBM SNA（System Network Architecture），1974
DEC DNA（Digital Network Architecture），1975
国际标准：
国际标准化组织（
International Standards Organization
，
ISO
）
成立专门委员会研究网络体系结构与网络协议国际标准化问题，提出了开放系统互联参考模型，即ISO OSI（Open System Interconnection）Reference Model) , 简称OSI参考模型 （1983年）
TCP/IP
协议
( Transport Control Protocol / Internet Protocol )
事实上的国际标准，所有厂家都支持，Internet 采用TCP/IP体系结构 （1974年最初定义， 1985年改进）
第四代: 新一代宽带网络. 计算机网络向全球网络互连 、高速、智能化、多媒体方向发展
Ø
美国的超宽带网络服务、下一代
Internet
（
NGI
）和
Internet2
；
Ø
欧盟的
GEANT
、
6NET
等；
Ø
我国的高速互联实验网络
NSFCNET
计算机网络的定义
Ø
最简单的定义：计算机网络是一些
互相连接的
、
自主的
/
自治的（
autonomous
）
计算机的集合。
Ø
完整的定义：计算机网络是利用
通信设备和链路
将分散在不同地点且
具有独立功能的
多个计算机系统互连起来，通过
网络协议和软件
进行数据通信，实现资源共享的计算机系统的集合。
计算机网络就是将分布在不同
地理位置
，具有
独立功能
的多台计算机，通过
通信线路
和
通信设备
相互连接起来，
辅以
网络软件
进行控制，
进行
数据通信
，实现
资源共享
。
定义涉及到以下问题：
Ø
各计算机是
独立自主的
，具有各自的操作系统，其运行不依赖于其他计算机；
Ø
计算机之间的连接
需要有一条通信链路
以及必要的
通信设备
。主要的
通信线路
传输介质
(
有线、无线）、
通信设备（网卡、路由器等）；
Ø
计算机之间能够利用各种
网络
软件（
网络协议
）
进行相互通信，
实现计算机资源共享，使用户能够共享网络中的所有硬件、软件和数据资源。
计算机网络、分布式系统与Internet
Ø
计算机网络
自主计算机的互连集合。
Ø
分布式系统
是建立在网络之上的软件系统，用户向系统递交一个
任务后，由操作系统来安排任务的完成。
区别：由谁来发起传送，是用户还是系统？
共同点：资源共享。
Ø
Internet
（因特网）
是“网络的网络”，由许多网络构成的网络。
计算机网络的组成
Ø
完整的定义：计算机网络是利用
通信设备和链路
将分散在不同地点且
具有独立功能的
多个计算机系统互连起来，通过
网络协议和软件
进行数据通信，实现资源共享的计算机系统的集合。
计算机网络的组成
主机（
Host
）
通信子网（
Communication Subnet
）
•
通信设备－用于转发数据包
(
如路由器、交换机
)
•
通信链路－传输介质
通信协议
计算机网络从信息的不同处理方式分为通信子网和资源子网
计算机网络的基本功能
①
数据通信
（
最基本的功能
）
•
数据的传送和发布：文件传输、
IP
电话、
email
、视频会议、信息发布、交互式娱乐
…
②
资源共享
•
共享
软件、硬件、数据
/
信息
③
提
高可靠性
•
通过网络备份存放提高信息可靠性
④
提
高系统处理能力
•
分布与协同处理，多计算机并行处理
计算机网络的分类
计算机网络的分类方法主要的是以下几种：
§
根据网络所使用的
传输技术
分类；
§
根据网络的
覆盖范围与规模
分类；
§
根据网络的
拓扑结构
分类；
§
按网络的
传输介质
分类
1.
按网络传输技术进行分类
Ø
目前普遍采用的传输技术有两种：
•
广播式链接
•
点到点链接
相应的计算机网络也可以分为两类：
•
广播网络 （
broadcast networks
）
•
点到点网络（
point-to-point networks
）
l
点到点网络
(point
－
to
－
point networks)
ü
由许多连接构成，每一个连接对应于一对机器。
ü
为了将一个包从源端传送到目的地，通常存在多条不同长度的路径。
一般的原则：
Ø
小规模的、地理位置局部化的网络倾向于使用广播传输模式；
Ø
大规模的网络通常使用点到点传输模式。
l
广播网络
(broadcast networks)
只有一个通信信道，网络上所有的机器都共享该信道。
在机器之间传递的是包
(packet)
，任何一台机器发送的短消息都可以被其他所有的机器接收到。
在数据包里包含一个地址域，目标机器通过检查该地址域来判断是否是发送给它的包，如果是发给它的，就进一步处理；不是，则忽略丢弃该数据包。
按覆盖的地理范围进行分类
◎局域网（LAN）
•
范围：
覆盖有限的地理范围
<1Km.
它适用于公司、机关、校园、工厂等有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备连网的需求
,
一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展
•
传输技术：
采用广播技术共享传输媒介传送，提供高数据传输速率（
10Mbps
～
100Mbps
～
10GMbps
）、低误码率、低延迟的高质量数据传输环境；
•
拓扑结构：
总线型
和
环型
◎城域网（MAN）
•
城域网是传送距离介于
LAN
和
WAN
之间（通常是一个城市）的一种高速网络；－－－“大型的
LAN”
•
城域网在技术上与局域网相似。
例子：有线电视网
◎广域网（WAN）
•
广域网也称为远程网；
•
覆盖的地理范围从几十公里到几千公里，覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程网络；
•
它将分布在不同地区的计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。
◎互联网（internet）
•
互联网
i
nternet/internetwork
：一组相互连接起来的网络
因特网Internet：特定的、世界范围内的互联网
•
互联网的组成形式：通过一个
WAN
将多个
LAN
组织起来
按网络拓扑结构分类
Ø
拓扑学（
Topology
）是几何学的一个分支，是从图论演变而来。拓扑学首先把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成线，进而研究了点、线、面之间的关系
;
Ø
网络的拓扑结构
是指抛开网络中的具体设备，用点和线来抽象出网络系统的逻辑结构
总线型结构
由一条总线连接若干个结点所形成的网络称总线型网络。总线型网络采用广播通信方式，即由一个结点发出的信息可被网络上的多个结点所接收。作为总线的通信线路可以是同轴电缆，也可以是光缆等。
总线型结构应用广泛，其突出的特点为：
（1）结构简单，可扩充，性能好；
（2）网络的可靠性高，结点间响应速度快，共享资源能力强；
（3）网络的成本低，设备投入量少，安装使用方便；
（4）总线的性能和可靠性对网络有很大影响。
星型结构
以中央结点为中心，把若干外围结点连接起来的网络称星型结构，如图所示。星型结构中，中央结点对各外围结点间的通信和信息交换进行集中控制和管理。
星型结构的特点是：
（1）建网容易，扩充性好，控制简单；
（2）只要中央结点不出现故障，系统的可靠性较高；如果中央结点出现故障，则导致整个网络瘫痪；
树型结构
树型结构是指联网的各计算机按树形结构组成，树的每个结点都是计算机，如图所示。在树型结构的网络中有多个中心结点，形成一种分级管理的集中式网络，适用于各种管理部门需要进行分级数据传送的场合。
其优点是连接容易，管理简单，维护方便。缺点是共享能力差，可靠性低。
环型结构
环型拓扑结构如图所示，它由通信线路将各结点连接成一个闭合的环。环型结构网络结构简单，环中各结点地位相等，建网容易，能实现数据传送的实时控制，但网络的可靠性较差。
网状型结构
网状型拓扑结构如图所示，这种结构的各结点通过传输线相互连接起来，并且任何一个结点都至少与其他两个结点相连。所以网状结构的网络具有较高的可靠性，但其实现起来费用高、结构复杂、不易管理和维护。
混合型拓扑结构
从上面的介绍可知，每一种拓扑结构都有自己的优缺点。一般来说，一个较大的网络都不是单一的网络拓扑结构，而是由多种拓扑结构混合而成，充分发挥各种拓扑结构的特长，这就是所谓的混合型拓扑结构。
4、按网络的传输介质分类
Ø
有线网
有线网络是指采用有形的传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等组建的网络。
Ø
无线网
二、计算机网络体系结构
•
由于计算机网络功能越来越强，结构越来越复杂，给设计者带来很大的难度，所以采用了“
分层
”的思想，“分层”可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就比较易于研究和处理。
•
一般人们采用“层次结构”的方法来描述计算机网络，即：
计算机网络中提供的功能是分层次的。
分层的特点：
•
简化网络系统设计的复杂性；
•
可以更加方便地适应网络技术和应用需求变化；
•
提供一种更为模块化的设计。
各层的设计问题：
ü
编址机制（
addressing
）
ü
错误控制（
error control
）
ü
流控制（
flow control
）
ü
多路复用
/
解复用（
multiplexing/demultiplexing
）
网络协议的组成要素
Ø
语法
数据与控制信息的结构或格式 。如：数据格式、编码、信号电平等。－－－“怎么讲”
Ø
语义
控制信息的内容，需要完成何种动作以及做出何种响应。－－－“讲什么”
Ø
同步
事件实现顺序的详细说明。如，速度匹配、排序等。
层
(layer)
协议
(protocol)
服务
(service
或业务
)
接口（
interface)
原语(primitive)
协议的复杂性
•
协议必须将
各种
不利的条件事先都估计到，而不能假定一切情况都是很理想和很顺利的。
•
•
应当注意：事实上难免有
极个别的
不利情况在设计协议时并没有预计到。在出现这种情况时，协议就会失败。因此实际上协议往往只能应付
绝大多数
的不利情况。
服务类型有4种：
Ø
面向连接与确认服务 －－－页码页序列、远程登录
Ø
面向连接与不确认服务 －－－数字化的语音（电话）
Ø
无连接与确认服务 －－－挂号信
Ø
无连接与不确认服务 －－－电子垃圾邮件
设计者可以根据不同的通信要求，决定选择不同的服务类型。
在网络体系结构中，下层可以向上提供两种不同类型的服务：
☆面向连接服务(connection-oriented service)；
☆无连接服务（connectionless service）。
面向连接服务(connection-oriented)
Ø
类似
电话服务
Ø
每次数据传输要经过
连接建立
、
数据传输
和
释放连接
三个过程；
Ø
在数据传输过程中，各数据单元不携带目的地址，而使用连接号；
Ø
面向连接服务的传输 类似传输前先建立起一个通信管道，发送者在一端放入数据，接收者从另一端取出数据；
Ø
面向连接的传输，其收发数据的
顺序不变
，传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。
无连接服务(connectionless)
Ø
类似
邮政服务
；
Ø
无连接服务中的数据传输过程不需要经过连接建立、数据传输与释放连接的三个过程；
Ø
无连接服务的每个分组都携带完整的目的节点地址，各分组在系统中是独立传送的；
Ø
不保证分组的顺序和正确性。数据分组传输过程中，目的节点接收的数据分组可能出现乱序和丢失的现象；
Ø
无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，通信效率较高。
确认和重传机制
每一个服务可以用一个服务质量（quality of service）来表述其特征。
•
网络数据传输的服务质量
——
可靠性
•
连接
并不意味可靠，可靠要通过确认、重传等机制来保证。
•
确认
是指
接收节点
在正确地接收到每个分组后，向发送节点发回接收分组的确认信息；
在规定的时间内，如果发送节点没有接收到接收节点的确认信息，就认为该数据分组发送失败，发送节点将重新发送该数据分组；
•
确认和重传机制可以提高数据传输的可靠性，但是它需要制定较为复杂的确认和重传协议，并且需要增加网络额外的通信负荷，占用网络带宽，同时会造成延迟。
Ø
一个服务通常是由一组原语（
primitive
）操作来描述的，用户进程通过这些原语操作可以访问该服务。
Ø
Ø
原语的作用：
•
告诉
服务
要做些什么
向用户进程报告对等实体做了些什么
常用原语有：
请求（
Request
）：表示某实体希望开始调用服务做事；
指示（
Indication
）：表示某实体被通知有事件发生；
响应（
Response
）：表示某实体对事件做出响应；
确认（
Confirm
）：表示对发回响应的确认。
•
服务
•
涉及同一系统的相邻两个层次之间的接口，定义了下层可以为上层执行的操作，但没有说明这些操作如何完成。
•
服务是“垂直的”
，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的，上层通过与下层的服务原语的交换来使用下层所提供的服务。
•
协议
•
涉及不同系统上的对等实体之间发送的分组，定义了这些实体间通信所要遵循的规则，如数据包的格式及含义等。对等实体使用协议来实现它们的服务。
•
协议是“水平的”
，即协议是控制对等实体之间的通信的规则
Ø
1974
年
Kahn
定义了最早的
TCP/IP
参考模型；
Ø
20
世纪
80
年代
Leiner
、
Clark
等人对
TCP/IP
参考模型进一步的研究；
Ø
TCP/IP
协议一共出现了
6
个版本，目前我们使用的是版本
4
，它的网络层
IP
协议一般记作
IPv4
；版本
6
的网络层
IP
协议一般记作
IPv6
（或
IPng, IP next generation
），
IPv6
被称为下一代的
IP
协议。
TCP/IP协议是一组协议的总称，包括：
IP
层
(
即互联网层
)
：
IP、ICMP、ARP、RARP、OSPF等。
TCP
层
(
即传输层
)
：
TCP、UDP等。
应用层：
FTP、SMTP、SNMP、HTTP、DNS等
相同点：OSI与TCP/IP模型的比较
相同的
1. 都是以协议栈的概念为基础，并且协议栈中的协议彼此相互独立。
2. 两者都有功能相似的应用层、传输层、网络层。
不同点：
1. 在OSI模型中，严格地定义了服务、接口、协议；
在TCP/IP模型中，并没有严格区分服务、接口与协议。
2. 模型的通用性：
OSI ：先有模型，后出现协议－－模型具有较好的通用性
TCP/IP：先有协议，后出现模型
3. 层数：
OSI ：7层
TCP/IP：4层
4. 通信服务类型：
OSI模型在网络层支持无连接和面向连接的通信，但在传输层只支持面向连接的通信；
TCP/IP模型在网络层只支持无连接通信，但在传输层有无连接和面向连接的两种协议可供用户选择。
三、计算机网络的主要性能指标
•
速率
•
带宽
•
吞吐量
•
时延
•
速率
即
数据率
(data rate)
或
比特率
(bit rate)
是计算机网络中最重要的一个性能指标。
•
速率的单位是
b/s
，或
kb/s, Mb/s, Gb/s
等
•
“
带宽
”
(bandwidth)
本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
•
现在
“
带宽
”
是数字信道所能传送的
“
最高数据率
”
的同义语，单位是
“
比特每秒
”
，或
b/s (bit/s)
。
•
宽带线路：可通过较高数据率的线路。
•
宽带是相对的概念，并没有绝对的标准。
•
在目前，对于用户接入到因特网的用户线来说，每秒传送几个兆比特就可以算是宽带速率。
宽带线路：每秒有更多比特从计算机注入到线路。
宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。
在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄
宽带和窄带线路：车速一样
宽带线路：车距缩短
•
吞吐量
(throughput)
表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）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额定速率的限制
,
使得吞吐量往往远小于介质本身可以提供的最大数字带宽。
•
吞吐量以比特
/
秒或字节
/
秒表示。
时延是指数据从一个网络（或一个链路）的一端传送到另一端所需的时间。时延由以下几部分组成：
•
发送时延
（传输时延 ）
发送数据时，数据块从结点进入到传输介质所需要的时间。
•
传播时延
电磁波在信道上传播一定距离所花费的时间。
•
处理时延
交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
•
排队时延
结点缓存队列中分组排队所经历的时延。取决于网络中当时的通信量。
•
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
。
•
提高链路带宽减小了数据的发送时延。
