1.1计算机网络在信息时代的作用

计算机网络的重要功能：

连通性：彼此项链，交换信息

共享：信息共享、软硬件共享

这两个重要的功能是 Internet 提供许多服务的基础。

1.2因特网

首先了解网络、互联网、因特网

网络---许多计算机连接在一起

互联网---internet许多网络连接在一起

因特网---Internet全球最大的互联网

互连网---局部范围互连起来的计算机网络

把许多网络通过一些路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。

要注意：互联网 ≠互连网

 

因特网发展的三个阶段：1969-1990   从单个网络ARPANET 向互联网发展

1985 -1993    建成了三级结构的互联网【主干网、地区网、校园网或企业网】

1993-现在  全球范围的多层次 ISP 结构的互联网【互联网服务提供者 ISP（移动、电信、联通）】

多层次 ISP 结构：主干 ISP、地区 ISP 和本地 ISP

覆盖面积大小和所拥有的 IP 地址数目的不同。

 多层次 ISP 结构如上。

 

1.3互联网的组成

从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块：

边缘部分： 由所有连接在互联网上的主机组成，由用户直接使用，用来进行通信（传送数据、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，为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）。

 

 

边缘部分：

主机之间的通信方式：客户服务器方式（C/S）

客户程序：

被用户调用后运行，需主动向远地服务器发起通信（请求服务）。必须知道服务器程序的地址。不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器程序：

专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个客户请求。

一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

 

对等方式（P2P）：两台主机在通信时不区分服务请求方和服务提供方，每一个主机既是客户又是服务器，只要都运行了 P2P 软件，就可以进行平等的、对等连接通信。

 

核心部分：

是互联网中最复杂的部分。

向网络边缘中的主机提供连通性，使任何一台主机都能够向其他主机通信。

在网络核心部分起特殊作用的是路由器 (router)。

路由器是实现分组交换 (packet switching) 的关键构件，其任务是转发收到的分组

 

数据交换的方式：电路交换、报文交换、分组交换

计算机的网络通信实际使用的是分组交换技术的方式进行交换。

电路交换：每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。这种交换方式就是电路交换 (circuit switching)【适用于实时通信，核心路由之间可以使用电路交换】

电路交换的三个阶段：

建立连接：建立一条专用的物理通路（占用通信资源）

通话：主叫和被叫双方互相通电话（一直占用通信资源）

释放连接：释放刚才使用的专用的物理通路（归还通信资源）

电路交换特点：通话的两个用户始终占用端到端的通信资源，通信线路的利用率很低。

 

报文交换：不分段，整段发送，与分组交换类似，但报文比分组交换长的多，且时延较多。

 

分组交换：

采用存储转发技术，在发送端，先把较长的报文划分成更小的等长数据段，数据段前面添加首部就构成了分组 (packet)，分组是在互联网中传送的数据单元，发送端依次把各分组发送到接收端，接收到分组后，把首部去掉即可。每个数据包可以根据不同的路径。

根据首部中包含的目的地址、源地址等重要控制信息进行转发。

每一个分组在互联网中独立选择传输路径。

位于网络核心部分的路由器负责转发分组，即进行分组交换。

路由器要创建和动态维护转发表。

 

优点：高效、灵活、迅速、可靠；缺点：排队延迟比较大、保证带宽、增加开销（维护转发表）等

 

三种交换方式的比较：

若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。

报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。

由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。分组交换传输时间和等待时间不长，较报文交换省时。

 

 

1.4计算机网络在我国的发展

1980 年，铁道部开始进行计算机联网实验。

1989 年 11 月，我国第一个公用分组交换网 CNPAC 建成运行。

1994 年 4 月 20 日，我国用 64 kbit/s 专线正式连入互联网，我国被国际上正式承认为接入互联网的国家。

1994 年 5 月，中国科学院高能物理研究所设立了我国的第一个万维网服务器。

1994 年 9 月，中国公用计算机互联网 CHINANET 正式启动。

到目前为止，我国陆续建造了基于互联网技术的并能够和互联网互连的多个全国范围的公用计算机网络，其中规模最大的就是下面这五个：

中国电信互联网 CHINANET（也就是原来的中国公用计算机互联网）

中国联通互联网 UNINET

中国移动互联网 CMNET

中国教育和科研计算机网 CERNET

中国科学技术网 CSTNET

 

 

 

 

1.5计算机网络的类别

计算机网络较好的定义：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，而这些硬件并非专门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。

 

“可编程的硬件”表明：这种硬件一定包含有中央处理器 CPU。

计算机网络所连接的硬件包括：

一般的计算机；

智能手机、电视 等。

计算机网络可以：

传送数据；

支持多种应用（包括今后可能出现的各种应用）。

 

通过作用范围来分可分为：广域网（WAN）【范围可在城市之间】、城域网（MAN）【作用范围一般是一个城市】、局域网（LAN）【范围大概为教室内、学校内】、个人区域网（PAN）【范围很小，大约在 10 米左右】

但不能单单从网络覆盖范围区分局域网和广域网，还要看运用了什么技术，如广域网技术、局域网技术，两个相隔30m的人，通过广域网技术交换信息，这是广域网，同理类推。

 

局域网：自己买设备，自己维护，带宽固定，距离100m以内

广域网：花钱买服务和带宽。

 

通过使用者进行分类可分为：公用网和专用网

 

通过拓扑结构进行分类可分为：总线型、环型、星型、树型、网状

 

通过交换方式进行分类可分为：电路交换网、报文交换网、分组交换网

 

通过工作方式进行分类可分为：资源子网、通信子网、接入网

 

 

1.6计算机网络的性能指标

（1）.速率：指的是数据的传送速率，也称为数据率 (data rate) 或比特率 (bit rate)。

单位：bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s 等。

    例如4*10^10 bit/s 的数据率就记为 40 Gbit/s。

速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

千 = K = 2^10 = 1024，兆 = M = 2^20 = 1024 K，吉 = G = 2^30 = 1024 M

1 字节 (Byte) =  8 比特 (bit）  【因此计算时要乘8】

 

（2）.带宽：数字新的能传输的最高数据率，单位是b/s,kb/s,Mb/s,Gb/s.

一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

 

（3）.吞吐量：单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。单位：b/s,Mb/s

 

（4）.时延：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。有时也称为延迟或迟延。

组成：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延

 

发送时延：也称为传输时延。

是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。

发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率（bit/s);

 

传播时延：是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

传播时延=信道长度(米)/信号在信道上的传播速率（米/秒）

电磁波传播速率：

自由空间的传播速率是光速 = 3.0 ⅹ 10^5 km/s

在铜线电缆中的传播速率约 = 2.3 ⅹ 10^5 km/s

在光纤中的传播速率约 = 2.0 ⅹ 10^5 km/s

 

发送时延发生在机器内部的发送器中，与传输信道的长度（或信号传送的距离）没有任何关系。

传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上，而与信号的发送速率无关。信号传送的距离越远，传播时延就越大。

 

总时延  = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

一般说来，小时延的网络要优于大时延的网络。在某些情况下，一个低速率、小时延的网络很可能要优于一个高速率但大时延的网络。

【在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析】

 

（5）.时延带宽积：链路充满数据时的数据量

 传播时延*带宽

（6）.往返时间（RTT）：表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间

 

（7）信道利用率：有速率通过的时间/总的数据通过的时间

网络利用率：信道利用率的加权平均值

时延与网络利用率的关系：