《计算机网络》（第8版）第一章 概述 知识点总结

文章目录

1.计算机网络的概念和分类

1.1.计算机网络的定义

关于计算机网络的较好的定义是这样的[PETE12]:

**计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互联而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的(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。**

由此定义可知:

(1)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或智能电视机；

(2)计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种应用。

1.2.计算机网络的分类

计算机网络有多种类别:

1.2.1.按网络的作用范围进行分类

(1) 广域网WAN(Wide Area Network)

广域网的作用范围通常为几十到几千公里，因而有时也称为 远程网 (long haul network)。广域网是互联网的核心部分，其任务是长距离运送主机所发送的数据。

(2) 城域网MAN(Metropolitan Area Network)

城域网的作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，其作用范围约为5~50km。城域网可以为一个或几个单位所拥有，也可以是一种公用设施，用来将多个局域网进行互连。

(3) 局域网LAN(Local Area Network)

局域网一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连(速率通常在10Mbit/s以上),但地理上则局限在较小的范围(如1km左右)。

(4) 个人区域网PAN(Personal Area Network)

个人区域网就是在个人工作的地方使用的电子设备用无线技术连接起来的网络，因此也常称为 无线个人区域网WPAN (Wireless PAN),其范围很小，大约在10m左右。

1.2.2.按网络的使用者进行分类

(1) 公用网(public network)

电信公司出资建造的大型网络。“公用"意为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。因此公用网也可称 公众网 。

(2) 专用网(private network)

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。

1.2.3.用来把用户介入到互联网的网络

这种网络就是 接入网 AN(Access Network),又称为本地接入网或居民接入网

2.互联网的组成，两个重要基本特点，边缘部分端系统的两种通信方式(C/S、P2P)

2.1.互联网的组成

互联网的拓扑结构虽然非常复杂，但从其工作方式上来看，可以划分为一下两大块:

边缘部分、核心部分

2.1.1.边缘部分

由所有连接在互联网是哪个的主机组成，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。

2.1.2.核心部分

由大量网络和连接在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）。

2.2.互联网的两个重要基本特点

连通性、共享

2.2.1.连通性

所谓连通性，就是互联网使上网用户之间，不管相距多远，都可以非常快捷、经济地交换各种信息，好像这些用户终端都彼此直接连通一样。

2.2.2.共享

所谓共享就是指 资源共享 .

资源共享的含义是多方面的，可以是信息共享，软件供需，也可以是硬件共享。

2.3.边缘部分端系统的两种通信方式

2.3.1.客户-服务器方式(C/S)

客户（client）和服务器（server）都是指通信中所涉及的两个应用进程，客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。

如主机A运行客户程序而主机B运行服务器程序，则此时A是客户而B是服务器。

主要特征:

客户是服务请求放，服务器是服务提供方。

在实际应用中，客户程序和服务器程序通常还具有以下一些主要特点:

2.3.1.1.客户程序

(1)被用户调用后运行，在通信时主动地向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。

(2)不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

2.3.1.2.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的请求。

(2)系统启动后即一直不断地运行着，被动地等待并接收来自各地的客户的通信请求，因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。

(3)一半需要有强大的硬件和高级的操作系统支持。

2.3.2.对等连接方式(P2P)

对等连接（peer-to-peer，简写为P2P)是指两台主机在通信时，并不区分哪一个是服务请求方和哪一个是服务提供方。只要两台主机都运行了对等连接软件(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称P2P方式。

3.分组交换技术的要点、优点

3.1.分组交换技术的主要特点

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一个报文(message)。

在发送报文之前，先把较长的报文划分为一个个更小的登场数据段，在每一个数据段前面加上一些必要的控制信息组成的首部(header)后，就构成了一个 分组 (packet)。分组又称为"包”，而分组的首部也可称为"包头"。

分组是在 互联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，每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径，并被正确地交付到分组传输的终点。

主机是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。 路由器则用来转发分组，即进行分组交换 。

当谈及互联网的核心部分中的路由器转发分组的过程时，往往把单个的网络简化成一条 链路 ，而路由器称为核心部分的结点。

采用存储转发的分组交换，实质上是采用了在数据通信的过程中 断续 (或动态)分配传输带宽的策略。这对传送突发式的计算机数据非常合适，使得通信线路的利用率大大提高了。

3.2.分组交换的优点

优点    所采用的的手段

高效: 在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用
灵活: 为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
迅速: 以分组为传送单位，不先建立连接就能向其他主机发送分组
可靠: 保证可靠性的网络协议;分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性

4.协议的概念、三要素

4.1.协议的概念

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。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。此处的同步不是狭义的(同频或同频同相)而是广义的，即在一定的条件下应当发生什么事情，因而同步含有时序的意思。

这些 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议 (network protocal)。网络协议也可简称为协议。

4.2.网络协议的三要素

(1)语法 即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

5.网络的主要性能指标的含义计算及相关应用(带宽、时延、往返时延、时延带宽积、利用率等)

速率: 数据的传送速率，也称数据率(data rate)或比特率(bit rate)
单位为 bit/s(比特每秒)或 b/s,有时也写作 bps(bit per second)

            注意: 速率的进位为10^3 而非1024  如:4*10^10 bit/s 记为40Gbit/s
            当提及网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，而非网络实际上运行的速率。


带宽: 带宽本指代某信号具有的频率宽度，这种意义的带宽的单位是赫兹。
因此，表示某信道允许通过的信号频带范围就称为该信道的带宽。

            在计算机网络中，带宽用于表示网络中某通道传送数据的能力，
            因此网络带宽表示:  单位时间内网络中的某信道所能通过的"最高数据率"。
            这种意义上的带宽的单位即为数据率的单位bit/s,是"比特每秒"。


吞吐量: 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的实际数据率，吞吐量更经常用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上有多少数据率能够通过网络。

时延: 时延(delay 或 latency)是指数据(一个报文或分组，甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。它有时也称为延迟或迟延。

            需注意:时延是由一下几个不同的部分组成的:
            发送时延、传播时延、处理时延、排队时延

            (1)发送时延:主机或路由器发送数据帧所需要的时间(从发送数据帧的第一个比特开始，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间)
            因此也称传输时延。
            计算:发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)

            (2)传播时延:电磁波在信道中传播一定的距离需要耗费的时间。
            计算:传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道上的传播速率(m/s)

            (1)与(2):
            发送时延发生在机器内部的发送器，与传输信道的长度无关，传播时延发生在机器外部的传输信道媒体上，与信号的发送速率无关。信号传送距离越远，传播时延越大。

            (3)处理时延:主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找转发表，这就产生了处理时延。

            (4)排队时延:分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。而进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列等待转发，这就产生了排队时延。
            排队时延的长短往往取决于网络当时的通信录。当网络通信量很大时会产生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延无穷大。

            于是综上:
            总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延



时延带宽积: 把传播时延和带宽相乘，就得到了另一个很有用的度量:传播时延带宽积。单位:bit
计算:时延带宽积=传播时延 * 带宽

            时延带宽积表示:若发送段连续发送数据，则在发送的第一个比特即将到达重点时，发送段已经发送了 时延带宽积 个比特。
            因此，时延带宽积又称为:以比特为单位的链路长度。



往返时间 RTT:也称为往返时延(Round-Trip Time delay),双方交互一次所需要的时间。
有效数据率:数据长度/(发送时间+RTT)

利用率: 利用率有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(有数据通过的)。
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，因为根据排队论的理论，当看某信道利用率增大时，该信道引起的时延也迅速增加。
由利用率的计算公式:D=D0/(1-U)
(D:网络当前时延 D0:网络空闲时的时延 U:现在的网络利用率)
可知:信道利用率或网络利用率过高时就会产生非常大的时延。

6.体系结构的概念、标准、OSI 和 TCP/IP 的层次模型

6.1.体系结构的概念

计算机网络的各层及其协议的集合 就是网络的 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件所应完成的功能的精确定义 。

体系结构是抽象的，而实现是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

6.2.体系结构的标准

得到最广泛应用的不是 法律上的国际标准 OSI ,而是非国际标准 TCP/IP。

这样,TCP/IP 就常被称为 事实上的国际标准 。

6.3.OSI 的层次模型

OSI 的体系结构有 7 层:

应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。

6.4.TCP/IP 的层次模型

TCP/IP 的四层协议:

应用层(各种应用层协议如 DNS、HTTP、SMTP 等)
运输层(TCP 或 UDP)
网际层 IP
链路层(网络接口层)(这一层并没有具体内容)

6.5.各层简介

(1)应用层(application layer)

应用层是体系结构中的最高层，应用层的任务是 通过应用进程间的交互来完成特定网络应用 。应用层协议定义的 是应用进程间通信和交互的规则 。此处的进程即为主机中正在运行的程序。

对于不同的网络应用需要有不同的应用层协议如:域名系统 DNS、支持万维网应用的 HTTP 协议、支持电子邮件的 SMTP 协议，等等，我们把应用层交互的数据单元称为 报文 (message)。

(2)运输层(transport layer)

运输层的任务是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。

主要使用以下两种协议:

传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol)————提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是 报文段 (segment)。

用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol)————提供无连接的尽最大努力(best effort)的数据传输服务(不保证数据传输的可靠性)，其数据传输的单位是用户数据报。

(3)网络层(network layer)

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报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 。

互联网是由大量的 异构 (heterogeneous)网络通过路由器(router)相互连接起来的。互联网使用的网络协议是无连接的网际协议 IP(Internet Protocol)和许多种路由选择协议，因此互联网的网际层也叫 网际层或 IP 层 。

(4)数据链路层(data link layer)

数据链路层常简称为 链路层 。我们知道，两台主机之间的数据传输，总是在一段一段的连路上传送的，这就需要使用专门的链路层的协议。在两相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的 IP 数据报组装成帧(framing),在两个相邻结点之间的链路上传送帧(frame)。每一帧包括数据和必要的控制信息(同步信息、地址信息、差错控制等)。

接收数据时，控制信息使接收端能知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束，这样，数据链路层在收到一个帧后，就可从中提取出数据部分，上交网络层。

控制信息还使接收端能检测所收到的帧有无差错。如有差错数据链路层会简单地丢弃这个出了差错的帧，若需要改正数据在数据链路层传输时出现的差错，则需要采用可靠传输协议来纠正出现的差错。这会使数据链路层的协议更复杂。

(5)物理层(physical layer)

在物理层上所传数据的单位是比特。发送放发送 1(0)时，接收方应收到 1(0)，因此物理层要考虑用多大的电压表示 1 或 0,以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各引脚应如何连接。注意，传递信息所利用的一些物理传输媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，并不在物理层协议内，而是在物理层协议的下面。因此这些物理传输媒体也被当做第 0 层。