源自 計算機網路（第6版)--謝希仁

 

第一章  概述

1.  計算機網路在資訊時代中的作用

  數字化，網路化，資訊化；   以網路為核心的資訊時代；

 三網： 電信網路， 有線電視網路，計算機網路；       

網路融合     因特網

計算機網路最重要的兩大功能： 連通性 ，  共享

 

2. 因特網概述

因特網起源於 美國；     

網路： 由若干結點（計算機、集線器、交換機、路由器等裝置） 和 連線這些結點的鏈路組成；

用一朵雲來表示一個網路；

網路和網路可以通過路由器互連起來，這樣就構成了一個覆蓋範圍更大的網路，即網際網路（網路的網路）。

因特網是世界上最大的互連網路（計算機網路）； 大家把連線到因特網上的計算機都稱為主機；

網路把許多計算機連線在一起，而因特網把許多網路連線在一起；

internet（網際網路或互連網）：通用名詞，它泛指由多個計算機網路互連而成的網路，在這些網路之間的通訊協議可以是任意的；

Internet（因特網）：專用名詞，它指當前全球最大的、開放的、由眾多網路相互連線而成的特定計算機網路，它採用TCP/IP 協議族作為通訊的規則；

三級結構的因特網： 主幹網、 地區網 和 校園網（或企業網）；

多層級ISP結構的因特網：    因特網服務提供商ISP（中國電信，中國移動，中國聯通）

  ISP可以從因特網管理機構申請到很多IP地址（因特網上的主機都必須有IP地址才能上網），同時擁有通訊線路（大的ISP自己建造通訊線路，小的ISP則向電信公司租用通訊線路）以及路由器等連網裝置，因此任何機構和個人只要向某個ISP交納規定的費用，就可以從該ISP獲取所需IP地址的使用權，並可通過該ISP接入到因特網。   

  所謂“上網” 就是指“ （通過某個ISP獲得的IP地址）接入到因特網”。

主幹ISP、地區ISP、本地ISP；  

因特網交換點IXP： 允許兩個網路直接相連並交換分組，而不需要再通過第三個網路來轉發分組；

                                典型的 IXP 由一個或多個網路交換機組成，許多ISP再連線到這些網路交換機的相關埠上。

                                 IXP 常採用工作在資料鏈路層的網路交換機，這些網路交換機都用區域網互連起來。

全球資訊網WWW： 由歐洲原子核研究組織CERN開發，被廣泛使用在因特網上；

因特網的標準化工作： 因特網協會（ISOC）、因特網體系結構委員會IAB， 因特網工程部IETF， 因特網研究部IRTF

指定因特網的正式標準要經過4個階段： 因特網草案—— 建議標準——草案標準——因特網標準

 

3. 因特網的組成

因特網分為2大塊：

   1. 邊緣部分：由所有連線在因特網上的所有主機組成，這部分是使用者直接使用的，用來進行通訊和資源共享；

       這些主機稱為 ：端系統（因特網的末端），包括筆記本，電腦，平板，手機，網路攝像頭，大型計算機等；

    我們說：“主機A 和 主機B 進行通訊 ” ，實際上是指：“執行在主機A 上的某個程式 和 執行在主機B上的另一個程式進行通訊”。由於“程式”就是“執行著的程式”，這也就是指： “主機A的某個程式 和 主機B上的另一個程式進行通訊 ”，簡稱為“計算機之間通訊”。

  在網路邊緣的端系統之間的通訊方式通常可以劃分為2大類：

     客戶-伺服器方式（C/S 方式，Client/ Server ）  ，      對等方式（P2P方式, Peer-to-Peer ）

    還有另外一種：瀏覽器-伺服器方式（B/S方式， Browser/Server ) ，這是 C/S 方式的一種特例。

   （1）C/S方式：  客戶 和 伺服器都是指 通訊中所涉及的兩個應用程式。客戶-伺服器方式 所描述的是 程式之間服務 和 被服務的關係。

      客戶是服務請求方，伺服器是服務提供方，二者都要使用 網路核心部分所提供的服務。

   客戶程式： a. 被使用者呼叫後執行，在通訊時主動向遠地伺服器發起通訊（請求服務）。因此客戶程式必須知道伺服器程式的地址；  b. 不需要特殊的硬體和很複雜的作業系統；

  伺服器程式：a. 是一種專門用來提供某種服務的程式，可同時處理多個遠地或本地客戶的請求；  b. 系統啟動後即自動呼叫並一直不斷地執行著，被動地等待並接受來自 各地的客戶的通訊請求。因此，伺服器程式不需要知道客戶程式的地址；c. 一般需要有強大的硬體和高階的作業系統支援。

上面所說的 客戶和伺服器指的是 計算機程式（軟體）。

 （2）  對等連線（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。 只要兩個主機都執行了對等連線軟體（P2P軟體），它們就可以進行平等的、對等連線通訊。這時，雙方都可以下載對方已經儲存在硬碟中的共享文件。因此這種工作方式稱為 P2P檔案共享。

   2. 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）

   在網路核心部分起特殊作用的是： 路由器，它是一種專用計算機（但不是主機）。 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。

 （1）電路交換：     

   電話交換機；  交換：按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源；

   電路交換的一個重要特點： 在通話的全部時間內，通話的兩個使用者始終佔用端到端的通訊資源； 傳輸效率很低；

（2）分組交換：

   分組交換採用“ 儲存轉發”技術；

   在傳送報文前，把一個較長的報文劃分為一個個更小的等長資料段：   

   報文（要傳送的整塊資料）；

   分組（也稱為“包”，包含首部（又稱為”包頭“，包含目的地址和源地址等重要控制資訊）， 資料段 ） ；

主機： 為使用者進行資訊處理，可以和其他主機通過網路交換資訊；

路由器：用來轉發分組的，進行分組交換； 路由器收到一個分組，先暫時儲存一下，檢查其首部，查詢轉發表，按照首部中的目的地址，找到合適的介面轉發出去，把分組交給下一個路由器。這樣一步一步地（有時會經過幾十個不同的路由器）以儲存轉發的方式，把分組交付最終的目的主機。 各路由器之間必須經常交換彼此掌握的路由資訊，以便建立和維持在路由器中的轉發表，使得轉發表能夠在整個網路拓撲發生變化時及時更新。

（3）報文交換：

   

三種交換方式的比較：

a. 電路交換： 整個報文的位元流連續地從源點直達終點，好像在一個管道中傳達；傳輸效率很低；當要連續傳輸大量資料時，傳輸速率較快；

b. 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；

c. 分組交換：單個分組（這只是整個報文的一部分）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；比報文交換的時延小，高效靈活，迅速可靠， 但是 分組在各個路由器儲存轉發時需要排隊，這會造成一定的時延； 各分組必須攜帶的控制資訊也造成了一定的開銷。

 

4. 計算機網路在我國的發展

1989年11月，我國第一個公用分組交換網 CNPAC

1994年，我國第一個全球資訊網伺服器， 中國公用計算機互連網CHINANET

中國教育網 CERNET

 

5. 計算機網路的類別

計算機網路： 一些互相連線的，自治的計算機的集合；  ”自治“：獨立的計算機，有自己的軟硬體，可以單獨執行使用；

 a. 按網路的作用範圍分類：

    廣域網WAN ， 都會網路MAN ， 區域網LAN ， 個人區域網PAN ， 無線個人區域網WPAN

b. 按網路的使用者分類：

公用網， 專用網

c. 用來把使用者接入到因特網的網路： 接入網AN（本地接入網，居民接入網）

 

6. 計算機網路的效能

（1）計算機網路的效能指標（7個）

   1. 速率：

 位元（ 計算機中資料量的單位，資訊量的單位）：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資料的速率，也稱為”資料率或位元率“；

速率的單位： b/s( 或 bit/s , bps )

對於速率： k=10^3  ；

對於儲存資料： 一個位元組( byte, B)代表8個位元 ； K = 2^10=1024 , M=2^20，G=2^30，T=2^40；

 2. 頻寬

頻寬本來是指某個訊號具有的頻頻寬度；表示通訊線路允許通過的訊號頻帶範圍就稱為線路的頻寬（或 通頻帶）；

在計算機網路中，頻寬用來表示網路的通訊線路傳送資料的能力，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“。

 3. 吞吐量

吞吐量表示在單位時間內通過某個網路（或通道、介面）的資料量。

 4. 時延

時延( 延遲 或 遲延)是指：資料（一個報文或分組，甚至位元）從網路（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。

網路中的時延由以下幾個部分組成：總時延= 傳送時延 + 傳播時延 + 處理時延 + 排隊時延

 5. 時延頻寬積

傳播時延頻寬積 = 傳播時延 x 頻寬

  鏈路的時延頻寬積 又稱為 以位元為單位的鏈路長度。

 6. 往返時間RTT

往返時間RTT 表示：從傳送方傳送資料開始，到傳送方收到來自接收方的確認（接收方收到資料後便立即傳送確認）總共經歷的時間。

 7.  利用率

利用率分為： 通道利用率 和 網路利用率兩種。

  通道利用率 ： 某通道有百分之幾的時間是被利用的（有資料通過的）；

 網路利用率：全網路的通道利用率的加權平均值；

通道或網路利用率過高會產生非常大的時延；

 

(2) 計算機網路的非效能特徵（6個）

  1. 費用： 網路的價格（ 包括設計和實現的費用 ）

  2. 質量：

 3. 標準化

 4. 可靠性

 5. 可擴充套件性 和 可升級性

 6. 易於管理和維護

 

7. 計算機網路體系結構

開放系統互連基本參考模型 OSI/RM （簡稱：OSI ）： 七層協議的體系結構

 1. OSI的七層協議： 1.物理層 ，  2. 資料鏈路層 ， 3.網路層， 4.運輸層， 5.會話層， 6.表示層， 7. 應用層；

 2. TCP/IP 的四層協議：  網路介面層， 網際層（IP）， 運輸層（TCP或UDP）， 應用層（各種應用層協議，如TELNET，FTP，SMTP等 ）

3. 五層協議： 1. 物理層， 2.資料鏈路層， 3. 網路層， 4.運輸層， 5.應用層 

a. 應用層： 應用層的任務是 通過應用程式間的互動來完成特定網路應用； 

               應用層協議定義的是應用程式間通訊和互動的規則； 應用層互動的資料單元稱為“報文”

              應用層中的協議： 全球資訊網應用的HTTP協議， 支援電子郵箱的SMTP協議， 支援檔案傳送的FTP協議 等

b. 運輸層： 運輸層的任務就是負責向兩個主機中程式之間的通訊提供通用的資料傳輸服務。

                 應用程式利用該服務傳送應用層報文；  通用：多種應用可以使用同一個運輸層服務；

                 運輸層有 複用  和 分用的功能：   複用：多個應用層程式可同時使用下面運輸層的服務；

                                                                       分用：運輸層把收到的資訊分別交付上面應用層中的相應程式；

    運輸層的兩種協議： 

    1. 傳輸控制協議TCP： 提供面向連線的、可靠的資料傳輸服務，其資料傳輸的單位是 報文段；

    2. 使用者資料包協議UDP： 提供無連線的、盡最大努力的資料傳輸服務（不保證資料傳輸的可靠性），其資料傳輸的單位是 使用者資料包；       

c. 網路層： 網路層的任務是 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包封裝成 分組或包 進行傳送； 在TCP/IP體系中，由於網路層使用IP協議，因此分組也叫做 IP資料包（或 資料包）；

  注意：無論在哪一層傳送的資料單元，都可籠統地用“分組”來表示；

因特網是一個很大的網際網路，它由大量的異構網路通過路由器相互連線起來。

因特網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做： 網際層或IP層；

 

d. 資料鏈路層（鏈路層）：在兩個相鄰結點之間傳送資料時，資料鏈路層將網路層交下來的IP資料包 組裝成幀，在兩個相鄰結點間的鏈路上傳送幀。   每一幀包括資料和必要的控制資訊（如同步資訊，地址資訊，差錯控制等）。

e. 物理層

在物理層上所傳資料的單位是 位元； 

     物理層要考慮 用多大的電壓表示“1”或“0”，以及接收方如何識別出傳送方所傳送的位元；物理層還要確定連線電纜的插頭應當有多少根以及各條引腳應如何連線；

 注意：傳遞資訊所利用的一些物理媒體，如雙絞線、同軸電纜、光纜、無線通道等，並不在物理層協議之內而是在物理層協議的下面，因此也有人把物理媒體當作第0層。

 

 

  TCP/IP 協議族

 

   資料在各層之間的傳遞過程的流程圖

傳遞過程：   主機1的應用程式AP1 ——5應用層（+控制資訊H5）——4運輸層（+控制資訊H4）——3網路層（+控制資訊H3）——2資料鏈路層（+ 首部H2 + 尾部T2）——1物理層（傳送位元流時從首部開始傳送）——路由器（1物理層——2鏈路層——3網路層——2鏈路層——1物理層：往上傳遞時，每一層都是根據控制資訊進行必要的操作，然後將控制資訊剝去，將該層剩下的資料單元上交給更高的一層； 往下傳遞時，3網路層根據首部中的目的地址查詢路由器中的路由表，找出轉發分組的介面，然後，2鏈路層 加上新的首部和尾部，再到最下面的1物理層，在物理媒體上把每一個位元傳送出去）—— 主機2 的 1物理層——2資料鏈路層——3網路層——4運輸層——5應用層——主機2的應用程式AP2

 

TCP/IP 體系結構：

  注意：路由器在轉發分組時，最高只用到網路層而沒有使用 運輸層  和 應用層；

TCP/IP 協議族 ： 應用層，TCP，UDP， IP， 網路介面層（子網層）

  TCP/IP協議可以為各式各樣的應用提供服務，同時TCP/IP協議也允許 IP協議在各式各樣的網路構成的互連網上執行；

 

應用層： HTTP，SMTP， DNS， RTP

運輸層： TCP， UDP

網際層： IP

網路介面層： 網路介面