1.1 计算机网络在信息时代中的作用

1. 21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。网络已经成为发展知识经济的重要基础。 
2. 三类网络:电信网络(传统电话网，例如；座机)，有线电视网络(例如：有线电视），计算机网络
3. 以Internet (互联网)为代表的计算机网络飞速发展，从免费教育科研网络发展为供全球使用的商业网络。 
4. 互联网的两个重要基本特点:共享、连通性(①计算机间互连②用户互连③用户连通计算机)

1.2 计算机网络的定义及分类

1.2.1 计算机网络的定义

计算机网络的精确定义并未统一。一般认为其是利用通信线路和通信设备将地理上分散的、具有独立功能的多个计算机系统按不同形式连接起来，以功能完善的网络软体及通信协议实现资源共享和信息传递的系统。(要件：网络(链路)+硬件+软件+协议)

模型：两个计算机(硬件+软件)和一条链路(网络+协议)

1.2.2 计算机网络的分类

 按网络使用者分类：

• 公用网：这是指电信公司(国有或私有)出资建造的大型网络。“公用”的意思就是所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都可以使用这种网络。
• 专用网：这是某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务。例如，军队、铁路、银行、电力等系统均有本系统的专用网。
• 例如：校园网=公用网(公共信息)+专用网(如图书馆)

1.3 互联网概述

1.3.1 网络的网络

网络(network)由若干节点(node)和连接这些节点的链路(link)组成。把许多计算机连接在一起

互连网络是“网络的网络”。把许多网络连接在一起。

连接在网络上的计算机(计算机系统)都称为主机

1.3.2 互联网基础结构发展的三个阶段

• 第一阶段:从单个网络ARPANET向互连网络发展的过程。人们把1983年作为互联网的诞生时间(1983年，TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议)。
• 第二阶度:建成了三级结构的互联网。1991年，互联网主干网转交若干私人公司经营。

(主干网、地区网、校园冈企业网) 

• 第三阶度:逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。ISP是互联网服务提供方(例如：中国电信) 

①任何机构和个人只要向某个ISP交纳规定的费用，就可从该ISP获取所需IP地址的使用权，并可通过该ISP接入互联网”上网“。 

②主机A→本地ISP→地区ISP→主干ISP(可彼此互通)→地区ISP→本地ISP→主机B

1.3.3 互联网的标准化工作

1.4 互联网的组成

1.4.1 互联网的边缘部分与核心部分

1. 边缘部分 由所有连接在互联网上的主机(端系统)组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信(传送数据、音频或视频)和资源共享。 
2. 核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的(提供连通性和交换)

• 在核心部分起特殊作用的是一种专用计算机(非主机)路由器，其是实现分组交换的关键构件，任务是转发收到的分组。

1.4.2 三种交换方式

1.电路交换

特点:在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。
因此，其传送计算机数据时，传输效率低，独占导致浪费。

2.分组交换

• 采用存储转发技术。通常我们把要发送的整块数据称为报文，在发送前，将其划分为规定标准等长小段数据，再在每段前加上首部(包含目的地址、源地址等信息)，就构成了一个分组。
• 路由器收到一个分组，先暂存一下，检座其首部，查找转发表，按首部中信息，把分组转发到下一个路由器，直到目的主机。

特点：

①以分组为传送单位，每个分组携带地址信息并独立路由(各分组传输路径不一，可能导致失序)

②通信双方不独占链路，分组在传输过程中，对通信链路是逐段动态占用的

③由于链路通信过程中是共享的，当网络通信量很大时会导致网络拥塞(此时需要分组排队，可能导致分组丢失)

3.报文交换：是分组交换的前身。 在报文交换中，报文被整个地发送，交换节点将报文整体接收完成后才能查找转发表，将整个报文转发到下一个节点。 因此，报文交换比分组交换带来的转发时延要长很多，需要交换节点具有的缓存空间也大很多。

1.5 计算机网络的性能

1.5.1 计算机网络的性能指标

    ⒈速率(数据率/比特率):指数据的传送速率，是计算机网络中最重要的一个性能指标。单位是b/s,或kb/s, Mb/s,Gb/s等。速率越高越好

    ⒉带宽：本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫兹。但在计算机网络中，指的是数字信道的“最高数据率”，单位是b/s。带宽越宽越好

    ⒊吞吐量/吞吐率：表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际数据量。 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。 受网络的带宽或网络的额定速率的限制。吞吐量越高越好

⭐⒋时延：是指数据或分组从网络(或链路)的一端传送到另一端所需要的时间。时延越短越好

⑴发送时延:主机或路由器将整个分组的所有比特发送到通信线路上所需要的时间。 通常是以信道最高数据率发送数据，因此发送速率可替换为信道带宽。

⑵传播时延:电磁波在信道中传播一定距离而花费的时间。 

 ⑶处理时延：交换节点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 

⑷排队时延：节点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量，随时间变化会很大。

   

⒌丢包率：即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，分组在传输过程中丢失的分组数量与总的分组量的比率。 丢包率越低越好

• 在现代计算机网络中，网络拥塞是丢包的主要原因。因此，丢包率往往反映了网络的拥塞情况。 
• 在网络拥塞时，由于大多数网络软件会自动重传丢失的分组并自动调整发送速率进行网络拥塞控制，丢包率较高时，用户所感觉到的往往是网络延时变大，“网速"变慢，而不是信息的丢失。

    ⒍利用率

• 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零。 
• 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迅速增加。适当条件下，(D表网络当前时延，D0表网络空闲时的时延，U表现在的网络利用率)   信道利用率或网络利用率过高就会产生非常大的时延。

1.5.2 计算机网络的非性能特征

⒈费用 ⒉质量 ⒊标准化 ⒋ 可靠性 ⒌可扩张性和可升级性 ⒍易于管理和维护

1.6 计算机网络体系结构

1.6.1 协议与划分层次

1.网络协议

• 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 
• 这些规则明确规定了所交换的数据的格式和时序，以及在发送或接收数据时要采取的动作等问题。 
• 网络协议(network protocol),简称为协议，是为进行网络中的数据交换而立的规则、标准或约定。

2.网络协议的三要素

• 语法，即数据与控制信息的结构或格式。例如，地址字段多长以及它在整个分组中的什么位置。 
• 语义，即各个控制信息的具体含义，包括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(或时序)，即事件实现顺序和时间的详细说明，包括数据应该在何时发送出去以及数据应该以什么速率发送。

3.协议的分层模型

• 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调” 是相当复杂的，计算机网络是一个非常复杂的系统。 
• “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。 
• 采用分层的方法来组织和设计计算机网络的各种协议

4.按层次结构来设计计算机网络的好处: 

• 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
• 有利于功能复用
• 能促进标准化工作

1.6.2 具有五层协议的体系结构

1.计算机网络的体系结构

• 计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合，是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。 
• 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。 
• 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。

2.各层协议的主要功能

 应用层:如何通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。 互联网中的应用层协议很多， 如DNS、HTTP协议、SMTP协议。应用层交互的数据单元称为报文。 

传输层: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。应用进程利用该服务传送应用层报文。一台主机可同时运行多个进程。传输层的协议有：TCP，其数据传输的单位是报文段；UDE其数据传输的单位是用户数据报。 

网络层:负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。要考虑如何将分组从源主机通过中间路由器按某条路径转发到目的主机。 

数据链路层:计算机网络由主机、路由器和连接它们的链路组成，从源主机发送到目的主机的分组必须在一段一段的链路上传送。数据链路层的任务就是将分组从链路的一端传送到另一端。 

物理层:在传输媒体上传送比特流，将数据链路层帧中的每个比特从一个节点通过传输媒体传送到下一个节点。

注意，路由器只有网络层，数据链路层，物理层

1.6.3 实体、协议、服务和服务访问点

• 实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
• 协议是控制两个对等实体(或多个实体)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，还需要使用下面一层所提供的服务。
• 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。也就是说，下面的协议对上面的实体是透明的。 
• 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”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。