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《計算機網路》謝希仁版第一章總結

第一章:概述
1.1 計算機網路在資訊時代中的作用
(1)21世紀的一些重要特徵就是數字化、網路化和資訊化,它是一個以網路為核心的資訊時代;
(2)三網:電信網路、有線電視網路和計算機網路;
(2)計算機網路向用戶提供的最重要的功能有兩個:連通性、共享(資源共享-資訊、軟體、硬體);


1.2 因特網概述
(1)網路(network)由若干結點(node)和連線這些節點的鏈路(link)組成;
(2)網路和網路還可以通過路由器互聯起來,即網際網路(或互連網),因此網際網路是“網路的網路”(network of networks);

(3)因特網(Internet)是世界上最大的互連網路,習慣上,大家把連線在因特網上的計算機都稱為主機;
(4)網路把許多計算機連線在一起,而因特網則把許多網路連線在一起;
(5)因特網發展的三個階段:第一階段是從單個網路APPANET(1969-1990)向網際網路發展的過程(1983TCP/IP成標準協議-因特網誕生);第二階段是建成了三級結構的因特網(主幹網、地區網和校園網(或企業網));第三階段的特點是逐漸形成了多層次ISP(因特網服務提供者Internet Service Provider)結構的因特網;

(6)internet:網際網路或互連網,是一個通用名詞,它泛指由多個計算機網路互連而成的網路,這些網路之間的通訊協議可以是任意的;
(7)Internet:因特網,是一個專有名詞,指當前全球最大的、開放的、由眾多網路相互連線而成的特定計算機網路,採用TCP/IP協議族作為通訊的規則,前身是美國的APPANET;
(8)NAP:Network Access Point,網路接入點,等級最高,主要向各ISP提供交換設施,使他們能夠互相通訊。又稱對等點。表示接入到NAP的裝置不存在從屬關係而都是平等的;
(9)RFC:Request For Comments,由因特網協會下的一個叫做因特網體系結構委員會(IAB-負責管理因特網有關協議的開發,分為工程部和研究部)編寫;
(10)制定因特網的正式標準的四個階段:1.因特網草案(有效期六個月)、建議標準(該階段開始成為RFC文件)、草案標準、因特網標準;


1.3 因特網的組成
(1)因特網從工作方式上劃分:邊緣部分(由所有連線在因特網上的主機(又稱端系統)組成。這部分是使用者直接使用的,用來進行通訊(傳送資料、音訊或視訊)和資源共享);核心部分(由大量網路和連線這些網路的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務的(提供連通性和交換));
(2)計算機之間的通訊:“主機A的某個程序和主機B上的另一個程序進行通訊”;
(3)端系統中執行的程式之間的通訊方式通常分為兩大類:客戶端伺服器方式(C/S方式)和對等方式(P2P方式);
(4)C/S方式:客戶和伺服器本來都指的是計算機程序(軟體),客戶是服務請求方,伺服器是服務提供方(有時還可以看到另外一種B/S方式,其實這仍然是C/S方式的一種特例);
(5)P2P方式:指兩個主機在通訊時並不區分哪一個是服務請求方還是服務提供方,只要兩個主機都運行了對等連線軟體(P2P軟體),他們就可以進行平等的、對等連線通訊;
(6)路由器是實現分組交換的關鍵構件,其任務是轉發收到的分組,這是網路核心部分最重要的功能;
(7)電路交換:每一部電話連線到交換機上,而交換機使用交換的方法,讓電話使用者彼此之間可以很方便地通訊,交換就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。這種必須經過建立連線-通話(一直佔用通訊資源)-釋放連線(歸還通訊資源)三個步驟的交換方式稱為電路交換,特點是位元流在管道中直達;
(8)報文交換:整個報文先傳送到相鄰結點,全部儲存下來後查詢轉發表,轉發到下一個結點。
(9)分組交換:分組交換採用儲存轉發技術。即把一個報文劃分為幾個分組的概念,再在每一個數據段前面加上一些必要的控制資訊組成的首部(header)後,就構成了一個分組。分組又被稱為“包”,而分組的首部也可稱為“包頭”。分組是在因特網中傳送的資料單元。單個分組(整個報文的一部分)傳送到相鄰結點,儲存下來後查詢轉發表,轉發到下一個結點;



1.4 計算機網路在我國的發展
(1)最早建設專用網的是鐵道部,1980年聯網實驗,1989年建成(CNPAC);
(2)1994年接入因特網,同年中科院設立第一個全球資訊網伺服器,共用計算機網際網路CHINANET正式啟動,到目前陸續建造了基於因特網技術的並可以和因特網互連的9個全國範圍的公用計算機網路;


1.5 計算機網路的類別
(1)計算機網路的最簡單的定義:一些互相連線的、自治的計算機的集合;
(2)不同作用範圍的網路:廣域網WAN,幾十至幾千公里,屬於因特網核心部分,鏈路一般是高速鏈路,通訊量大;都會網路MAN,5-50km,乙太網技術;區域網LAN,微型計算機或工作站,1km左右;個人區域網PAN,無線網,又稱無線個人區域網WPAN,10m左右;
(3)若中央處理機之間距離非常近,則一般稱之為多處理機系統,而不是稱它為計算機網路;
(4)不同使用者的網路:公用網,國有或私有建造的大型網路,就是所有人可以繳費使用的網路,也稱公眾網;專用網,部門單位因特殊業務工作需要而建造的網路,不向本單位以外
     的人提供服務;
(5)接入網AN:這種網路是用來把使用者接入到因特網的網路,又稱本地接入網或居民接入網。既不屬於因特網核心部分,也不屬於邊緣部分。適用於多種寬頻接入技術;


1.6 計算機網路的效能
(1)速率:位元是計算機中資料量的單位,也是資訊理論中使用的資訊量單位,意思是一個“二進位制數字”,一個位元就是二進位制數字中的一個1或0。網路技術中的速率指的是連線在計算機網路上的主機在數字通道上傳送的速率,也稱資料率或位元率。單位b/s(位元每秒,有時也寫成bps,bit per second),現在所說的100M乙太網,其實就是省略了單位中的b/s,且所說的速率往往是指額定速率或標稱速率;(注意通訊領域和計算機領域對於數量單位“千”、“兆”等英文縮寫所代表的值,他們是不同的)
(2)頻寬:(bandwidth)本來是指某個訊號具有的頻頻寬度。在計算機網路中,頻寬用來表示網路的通訊線路所能傳送資料的能力,因此網路頻寬表示在單位時間內從網路中的某一點到另一點所能通過的“最高資料率”,這種意義的頻寬單位是“位元每秒”,b/s;
(3)吞吐量:(throughput),表示在單位時間內通過某個網路(或通道、介面)的資料量。受頻寬或網路的額定速率限制;
(4)時延:指資料從網路或鏈路的一端傳送到另一端所需的時間,主要包含傳送時延、傳播時延、處理時延、排隊時延等;
(5)傳送時延(主機或路由傳送資料幀所需要的時間-即該傳送的資料幀第一個bit到最後一個bit傳送完畢所需時間,因此傳送時延也叫做傳輸時延,傳送時延=資料幀長度(b)/通道寬度(b/s));
(6)傳播時延:指電磁波在通道中傳播一定的距離需要花費的時間。傳播時延=通道長度(m)/電磁波在通道上傳播速率(即真空光速,其他看介質,單位m/s);
(7)處理時延:主機或路由器在收到分組時要花費一定的時間進行處理,如分析首部、從分組提取資料等,這段耗費時間就是處理時延;
(8)排隊時延:分組在經過網路傳輸時,要進過很多的路由器,但分組進入路由器後要先在輸入佇列中排隊,等待處理。排隊時延取決於網路當時的通訊量,通訊量大會發生溢位,導致分組丟失。
(9)總時延=傳送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延;
(10)傳送時延計算例子:假定有一個長度為100MB的資料塊(這裡的M顯然不是指10^6而是指2^20,即1048756,B是位元組,1位元組=8bit),在頻寬為1Mb/s的通道上(這裡的M是10^6)連續傳送,其傳送時延是100*1048576*8/10000000=838.9s;約14分鐘;
(11)不能籠統地認為:“資料的傳送速率越高,傳送得就越快”。因為他由四項時延累加起來所得。
(12)對於高速網路鏈路,我們提高的僅僅是資料的傳送速率而不是位元在鏈路上的傳播速率。提高資料的傳送速率只是見笑了資料的傳送時延。
(13)時延頻寬積=傳播時延*頻寬,類似求管道的體積,這個體積表示鏈路中可容納多少個位元。鏈路的時延頻寬積又稱為以位元為單位的鏈路長度。

(14)時延頻寬積計算例子:設某鏈路的傳播時延為20ms,頻寬10Mb/s,算出時延頻寬積=20*10^(-3)*10*10^6=2*10^5bit,這就表示,若傳送端連續傳送資料,則在傳送的第一個位元即將到達終點時,傳送端就已經發送了20萬個位元,而這個20萬個位元都正在鏈路上向前移動。對於一條正在傳送資料的鏈路,只有其管道充滿位元時,鏈路才得到充分的利用;
(15)往返時間RTT:表示傳送方傳送資料開始,到傳送方收到來自接收方的確認(接收方收到資料後立即傳送確認),總共經歷的時間。在網際網路中,往返時間還包括各中間結點的處理時延、排隊時延以及轉發資料時的傳送時延;往返時間與所傳送的分組長度有關,資料塊長的比短的要花費多些時間。(注意往返時間頻寬積的意義)
(16)利用率:分為通道利用率、網路利用率。
(17)通道利用率:通道利用率指出某通道有百分之幾的時間是被利用的(有資料通過)。完全空閒的通道的利用率是零。通道利用率並非越高越好,因為利用率增大會導致時延的增加(類似堵車);
(18)網路利用率:網路利用率是全網路的通道利用率的加權平均值。如果令D0表示網路空閒時的時延,D表示網路當前的時延,可以使用公式D=D0/(1-U),其中U是利用率,數值在0到1之間。
(19)通道或網路利用率過高會產生非常大的時延;一般較大主幹網的ISP通常控制他們的通道利用率不超過50%,如果超過了就要準備擴容,增大線路的頻寬;
(20)計算機網路的非效能特徵:費用、質量、標準化(易於升級換代維修)、可靠性、可擴充套件性和可升級性、易於維護和管理


1.7 計算機網路體系結構
(1)OSI/RM:開放系統互連基本參考模型,開放指非獨家壟斷,系統指現實的系統中與互連有關的部分,整體是一個抽象概念,1983年公佈正式檔案ISO7498國際標準,即七層協議的體系結構;
(2)雖然OSI國際標準已經指定下來,但是由於因特網已貢獻在全世界覆蓋了相當大的範圍,而與此同時卻幾乎找不到有什麼廠家生產處符合OSI標準的商用產品,因此,OSI只是一個理論研究的成果,在市場化方面是失敗的,如今的因特網並未使用OSI標準;同時OSI有一些缺點(設定專家缺乏實際經驗、實現複雜、指定週期長、層測劃分不夠合理等);
(3)TCP/IP:相比於法律上的國際標準OSI,TCP/IP常被稱為是事實上的國際標準(從某方面講能夠佔領市場就是標準);
(4)網路協議:為進行網路中的資料交換而建立的規則、標準或約定稱為網路協議。也稱協議;
(5)網路協議主要由三個要素組成:語法(即資料與控制資訊的結構或格式)、語義(即需要發出何種控制資訊,完成何種動作以及做出何種響應)、同步(即事件實現順序的詳細說明)
(6)分層帶來的好處:各層之間是獨立的(對外提供介面、內部隱蔽、降低整體複雜度)、靈活性好(獨立性、插拔式)、結構上可分割開(每層採用適合自己的技術)、易於實現和維護、能促進標準化工作;
(7)通常各層完成的功能:差錯控制、流量控制、分段和重灌、複用和分用、連線建立和釋放;
(8)網路的體系結構:即計算機網路的各層及其協議的集合;換種說法,計算機網路的體系結構就是這個計算機網路及其構件所應完成的功能的精確定義;
(9)TCP/IP是一個四層的體系結構,包含應用層、運輸層、網際層和網路介面層,實質上講,TCP/IP只有最上面的三層,最下面的網際介面層並沒有什麼具體內容;

(10)學習計算機網路的原理往往採取折中的辦法,即綜合OSI和TCP/IP的優點,採用一種只有五層協議的體系結構,五層協議的體系只為介紹網路原理而設計,實際應用的還是TCP/IP四層體系結構;
(11)應用層:體系結構最高層。這裡的程序就是指正在執行的程式。應用層協議很多,如支援全球資訊網的HTTP協議,支援電子郵件的SMTP協議,支援檔案傳送的FTP協議等;
(12)運輸層:任務是負責向兩個主機中程序之間的通訊提供服務,由於一個主機可同時執行多個程序,因此運輸層有複用和分用的功能。
(13)複用就是多個應用層程序可同時使用下面運輸層的服務;分用則是運輸層把收到的資訊分別交付給上面應用層中的相應的程序;
(14)運輸層兩種協議:傳輸控制協議TCP(面向連線的,資料傳輸的單位是報文段,能夠提供可靠的交付);使用者資料報協議UDP(無連線的,資料傳輸的單位是使用者資料報,不保證提供可靠的交付,只能提供“盡最大努力交付”)
(15)網路層:負責為分組交換網上的不同主機提供通訊服務,在傳送資料時,網路層把運輸層產生的報文段或使用者資料報封裝成分組或包進行傳送。在TCP/IP體系中,由於網路層使用IP協議,因此分組也叫IP資料報,或簡稱為資料報;網路層另一個任務就是要選擇合適的路由,使源主機運輸層所傳下來的分組,能夠通過網路中的路由器找到目的主機;
(16)因特網由大量的異構網路通過路由器相互連線起來,其主要的網路層協議是無連線的網際協議IP和許多種路由選擇協議,因此因特網的網路層也叫網際層或IP層;
(17)資料鏈路層:簡稱鏈路層,主機和路由之間或兩個路由之間,即點對點的資料傳輸需要專門的鏈路層的協議,鏈路層將網路層交下來的IP資料報組裝成幀和必要控制資訊;
(18)物理層:物理層上所傳資料的單位是位元。物理層任務就是透明地傳送位元流。

(19)現在人們經常提到TCP/IP並不一定是單指TCP和IP這兩個具體的協議,而往往是表示因特網所使用的整個TCP/IP協議族;
(20)協議資料單元PDU:OSI參考模型把對等層次之間傳送的資料單位稱為該層的協議資料單元;已被許多非OSI標準採用;
(21)開放系統的資訊交換實體:表示任何可傳送或接收資訊的硬體或軟體程序;
(22)協議:是控制兩個對等實體(或多個實體)進行通訊的規則的集合(規定了資訊的格式);在協議的控制下,兩個對等實體間的通訊使得本層能夠向上一層提供服務,要實現本層協議,還需要使用下面一層所提供的服務;使用本層服務的實體只能看到服務而無法看見下面的協議。下面的協議對上面的實體是透明的;協議是“水平的”,服務是“垂直的”;

(23)同一系統中相鄰兩層的實體進行互動(即交換資訊)的地方,通常稱為服務訪問點SAP;
(24)服務資料單元SDU:OSI把層與層之間交換的資料的單位稱為服務資料單元SDU,他與PDU不一樣,例如,可以是多個SDU合成一個PDU,也可以是一個SDU劃分為幾個PDU;