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一、概述

1.1 计算机网络在信息时代的作用

1.2 因特网概述

1. 网络、互联网和因特网

• 网络（Network）由若干 结点（Node）和连接这些结点的 链路（Link）组成
• 多个网络还可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网。因此，互联网是 “网络的网络”
• 因特网（Internet) 是世界上最大的互连网络internet 与 Internet 的区别：internet（互联网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络，在这些网络之间的通信协议可以是任意的。Internet（因特网）则是一个专用名词，它泛指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP / IP 协议族作为通信的规则，其前身是美国的 ARPANET

2. 因特网发展的三个阶段

• 因特网服务提供者 ISP（Internet Service Provider）

• 基于 ISP 的三层结构的因特网

3. 因特网的标准化工作

4. 因特网的组成

• 边缘部分由所有连接在因特网上的 主机 组成。这部分是 用户直接使用的，用来进行 通信（传输数据、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。这部分是 为边缘部分提供服务 的（提供连通性和交换）

1.3 三种交换方式：电路交换、分组交换和报文交换

1. 电路交换（Circuit Switching)

• 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换
• 从通信资源的分配角度来看，交换就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源
• 电路交换的三个步骤
  1. 建立连接（分配通信资源）
  2. 通话（一直占用通信资源）
  3. 释放连接（归还通信资源）

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

2. 分组交换（Packet Switching）

3. 电路交换、报文交换、分组交换的对比

电路交换

优点：

1. 通信时延小
2. 有序传输
3. 没有冲突
4. 适用范围广
5. 实时性强
6. 控制简单

缺点：

1. 建立连接时间长
2. 线路独占，适用效率低
3. 灵活性差
4. 难以规格化

报文交换

优点：

1. 无需建立连接
2. 动态分配线路
3. 提高线路可靠性
4. 提高线路利用率
5. 提供多目标服务

缺点：

1. 引起了转发时延
2. 需要较大存储缓存空间
3. 需要传输额外的信息量

分组交换

优点：

1. 无需建立连接
2. 线路利用率高
3. 简化了存储管理
4. 加速传输
5. 减少出错概率和重发数据量

缺点：

1. 引起了转发时延
2. 需要传输额外的信息量
3. 对于数据报服务，存在失序、丢失或重复分组的问题；对于虚电路服务，存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

1.4 计算机网络的定义和分类

1. 计算机网络的定义

• 计算机网络的精确定义并未统一
• 计算机网络的最简单定义是：一些互相连接的、自治的计算机的集合。
  • 互连：是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信
  • 自治：是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用
  • 集合：指至少需要两台计算机
• 计算机网络较好的定义是：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智能硬件
  • 计算机网络并非专门用来传输数据，而是能够支持很多种应用

2. 计算机网络的分类

1.按交换技术分类

• 电路交换网络
• 报文交换网络
• 分组交换网络

2. 按使用者分类

• 公用网
• 专用网

3. 按传输介质分类

• 有线网络
• 无线网络

4. 按覆盖范围分类

• 广域网WAN
• 城域网MAN
• 局域网LAN
• 个域网PAN

5. 按拓扑结构分类

• 总线型网络
• 星型网络
• 环型网络
• 网状型网络

1.5 计算机网络的性能指标

1. 速率

比特

计算机中 数据量的单位，也是信息论中信息量的单位。一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0.

速率

连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为 比特率 或 数据率。

计算例子

2. 带宽

带宽在模拟信号系统中的意义

信号 所包含的各种不同频率成分所占据的 频率范围

单位：Hz（kHz，MHz，GHz）

带宽 3.1kHz（300Hz ~ 3.4kHz）

带宽在计算机网络中的意义

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”

单位： b/s（kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s）

一条通信线路的 “频带宽度” 越宽，其所传输数据的 “最高数据率” 也越高。

3.吞吐量

吞吐量表示 在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

吞吐量被经常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 受网络的带宽或额定速率的限制。

4. 时延

计算例子

例3: 数据长度为 100 MB（分组长度），信道带宽为 1Mb/s（发送速率），传送距离为 1000km（信道长度），计算 发送时延 和 传播时延。

例4：数据块长度为 1B，信道带宽为 1Mb/s，传送距离为 1000km，计算 发送时延 和 传播时延。

5. 时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特

链路的时延带宽积又称为 以比特为单位的链路长度

6. 往返时间

在许多情况下，因特网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互

我们有时很需要知道双向交互一次所需的时间

因此，往返时间 RTT（Round-Trip Time）也是一个重要的性能指标

7. 利用率

信道利用率

用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）

网络利用率

全网络的信道利用率的加权平均

根据排队论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也会迅速增加

因此，信道利用率并非越高越好

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，可以用下面的简单公式来表示 D、D₀ 和利用率 U 之间的关系

• 当网络的利用率达到 50% 时，时延就要加倍
• 当网络的利用率超过 50% 时，时延急剧增大
• 当网络的利用率接近 100% 时，时延就趋于无穷大
• 因此，一些拥有较大主干网的 ISP 通常会控制他们的信道利用率不超过 50%，如果超过了，就要准备扩容，增大线路的带宽。

• 也不能使信道利用率太低，这会使宝贵的通信资源被白白浪费。应该使用一些机制，可以根据情况动态调整输入到网络中的通信量，使网络利用率保持在一个合理的范围内。

8. 丢包率

丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，传输过程中 丢失的分组数量与总分组数量的比率。

丢包率具体可分为接口丢包率、节点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等。

分组丢失主要有两种情况：

• 分组在传输过程中出现 误码，被节点丢弃
• 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃，在通信量较大时就可能造成 网络拥塞

因此，丢包率反映了网络的拥塞情况

• 无拥塞时路径丢包率为 0
• 轻度拥塞时路径丢包率为 1% ~ 4%
• 严重拥塞时路径丢包率为 5% ~ 15%

1.6 计算机网络体系结构※

1. 常见的计算机网络体系结构

2. 计算机网络体系结构分层的必要性

物理层

• 采用怎样的传输媒体（介质）
• 采用怎样的物理接口
• 使用怎样的信号表示比特 0 和 1

数据链路层

• 如何标识网络中的各主机（主机编址问题，例如 MAC 地址）
• 如何从信号所表示的一连串比特流中区分出地址和数据
• 如何协调各主机争用总线

网络层

• 如何标识各网络以及网络中的各主机（网络和主机共同编址的问题，例如 IP 地址）
• 路由器如何转发分组，如何进行路由选择

运输层

• 如何解决进程之间基于网络的通信问题
• 出现传输错误时，如何处理

应用层

• 通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用

3. 计算机网络体系结构分层思想举例

4. 计算机网络体系结构中的专用术语

实体

• 实体任何可发送或接收信息的 硬件 或 软件进程
• 对等实体收发双方 相同层次中的实体

协议

• 协议控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合

• 协议的三要素语法： 定义所交换信息的格式语义： 定义收发双方所要完成的操作同步： 定义收发双方的时序关系

服务

在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑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

协议是 “水平的”，服务是 “垂直的”

实体看的见相邻下层所提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议，也就是说，下面的协议对上面的实体是 “透明的”。

服务访问点：在同一系统中 相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型

• 数据链路层的服务访问点为帧的 “类型” 字段
• 网络层的服务访问点为 IP 数据报首部中的 “协议字段”
• 运输层的服务访问点为 “端口号”

服务原语：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，这些命令称为服务原语

协议数据单元 PDU：对等层次之间传送的数据包 称为该层的协议数据单元

服务数据单元 SDU：同一系统内，层与层之间交换的数据包 称为服务数据单元

多个 SDU 可以合成一个 PDU；一个 SDU 也可以划分为几个 PDU

总结

1.7 概述 章节小结

第一章思维导图：http://pan.yichend.top/xmindFile/%E7%AC%AC1%E7%AB%A0%20%E6%A6%82%E8%BF%B0%EF%BC%88%E8%AF%BE%E7%A8%8B%E5%B0%8F%E7%BB%93%EF%BC%89.xmind

1.8 体系结构相关习题

题一：

题二：

题三：

题四：

题五：

题六：

题七：

题八：

题九：

题十：

1.9 时延相关习题

题一：

若其中一台主机给另一台主机连续发送 n 比特信息，当主机接收完该信息时共耗费多长时间？

题二

题三

题四

题五