1.1 計算機網(wǎng)絡(luò)在信息時代中的作用

21世紀是以網(wǎng)絡(luò)為核心的信息時代，21世紀的重要重要特征：數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與信息化。

• 三大類網(wǎng)絡(luò)
  1. 電信網(wǎng)絡(luò)：向用戶提供電話、電報、傳真等服務(wù)；
  2. 有線電視網(wǎng)絡(luò)：向用戶傳送各種電視節(jié)目，用戶通過衛(wèi)星信號接收電視信號；
  3. 計算機網(wǎng)絡(luò)：使用戶能夠在計算機之間傳輸數(shù)據(jù)。
• 在三大類網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)展最快的并起核心作用的是計算機網(wǎng)絡(luò)。
• 三網(wǎng)融合：電信網(wǎng)絡(luò)和有線電視網(wǎng)絡(luò)融入計算機網(wǎng)絡(luò)，計算機網(wǎng)絡(luò)能夠向用戶提供電話通信、視頻通信以及傳送視頻節(jié)目的服務(wù)
• Internet是當今全球最大最重要的計算機網(wǎng)絡(luò)。
• Internet 的譯名：
  1. 因特網(wǎng)
  2. 互聯(lián)網(wǎng)，Internet 是由數(shù)量極大的各種計算機網(wǎng)絡(luò)互連起來的，采用互聯(lián)網(wǎng)這個譯名能體現(xiàn) Internet 最主要的特征。
• 對于僅在局部范圍互連起來的計算機網(wǎng)絡(luò)只能稱之為互連網(wǎng)internet，而不是互聯(lián)網(wǎng)Internet。
  • 互聯(lián)網(wǎng) ≠ 互連網(wǎng)
  • 注意，互聯(lián)網(wǎng)Internet與互連網(wǎng)internet是不同的，互聯(lián)網(wǎng)Internet的范圍為全球，而互連網(wǎng)internet的范圍僅為局部范圍。互聯(lián)網(wǎng)特指覆蓋全球的，具有連通性和資源共享性的計算機網(wǎng)絡(luò)。
• 互聯(lián)網(wǎng)的兩個重要基本特點：
  1. 連通性：
     • 在互聯(lián)網(wǎng)上網(wǎng)的用戶之間可以方便快捷的交換各種信息，好像用戶的終端彼此相互連通一樣。
     • 連通性是互聯(lián)網(wǎng)提供許多服務(wù)的基礎(chǔ)。
  2. 共享：
     • 共享即資源共享，包含信息共享、軟件共享以及硬件共享，其中硬件共享指的是互聯(lián)網(wǎng)中一些向用戶提供的服務(wù)器或網(wǎng)盤。
     • 共享是形成互聯(lián)網(wǎng)的作用
  • 連通性和資源共享是Internet通過服務(wù)的基礎(chǔ)
• 互聯(lián)網(wǎng)的地位：
  • 現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為社會最為重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是推動世界發(fā)展的核心技術(shù)之一。
  • 互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為世界上最大的計算機網(wǎng)絡(luò)。

1.2 互聯(lián)網(wǎng)概述

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)(互連網(wǎng))

一般情況下，“網(wǎng)絡(luò)”指的都是“計算機網(wǎng)絡(luò)”的簡稱。

• 計算機網(wǎng)絡(luò)(簡稱為網(wǎng)絡(luò))，由若干節(jié)點(node)和連接這些節(jié)點的鏈路(link)組成。
  • 其中，節(jié)點可以是計算機、集線器、交換機或路由器等，除了鏈路之外的全為節(jié)點；
  • 鏈路為傳遞信息的通道，如網(wǎng)線。
  • 
• 互連網(wǎng)：有多個網(wǎng)絡(luò)通過一些路由器相互連接起來，構(gòu)成一個覆蓋范圍更大的計算機網(wǎng)絡(luò)。
  • 互連網(wǎng)就是“網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)”。
  • 
  • 在互連網(wǎng)的圖示中，通常使用一朵云表示一個網(wǎng)絡(luò)。使用一朵云表示一個網(wǎng)絡(luò)可以不用考慮每一個網(wǎng)絡(luò)中的具體細節(jié)，即不用考慮在一個網(wǎng)絡(luò)中具體是如何進行網(wǎng)絡(luò)的連接的。
  • 在互連網(wǎng)的圖示中，可以將把有關(guān)的計算機畫在云的外面，這樣子可以不用考慮互連網(wǎng)中各個計算機之間相互連接的具體細節(jié)。
  • 
  • 在互連網(wǎng)中，與網(wǎng)絡(luò)相連的計算機通常稱為主機(host)，而路由器是一種特殊的計算機(有中央處理器、存儲器、操作系統(tǒng)等)，路由器不能稱為主機。
• 網(wǎng)絡(luò)與互連網(wǎng)的基本概念：
  • 網(wǎng)絡(luò)把許多計算機連接在一起，而互連網(wǎng)把許多網(wǎng)絡(luò)通過路由器連接在一起。與網(wǎng)絡(luò)相連的計算機常稱為主機。
• 互聯(lián)網(wǎng)特指覆蓋全球的，具有連通性和資源共享性的計算機網(wǎng)絡(luò)。
• 計算機網(wǎng)絡(luò)、互連網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系：
  • 計算機網(wǎng)絡(luò) => 互連網(wǎng) => 互聯(lián)網(wǎng)（從左到右覆蓋范圍增大）

1.2.2 互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)展的三個階段

• 第一階段(1969-1990)
  • 第一階段是從單個網(wǎng)絡(luò) ARPANET 向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的過程。
    • ARPANET 互聯(lián)網(wǎng)的雛形，1983年TCP/IP協(xié)議成為ARPANET上的標準協(xié)議，使得所有使用TCP/IP協(xié)議的計算機都可以利用互連網(wǎng)通信，所以1983年互聯(lián)網(wǎng)誕生的時間。
  • internet 與 Internet：
    • internet：互聯(lián)網(wǎng)，是一個通用名詞，泛指由多個計算機網(wǎng)絡(luò)互連而成的計算機網(wǎng)絡(luò)。(網(wǎng)絡(luò)之間的通信協(xié)議可以任意選擇)
    • Internet：互聯(lián)網(wǎng)或因特網(wǎng)，是一個專用名詞，指當前全球最大的、開放的、由眾多網(wǎng)絡(luò)相互連接而成的特點互聯(lián)網(wǎng)，采用TCP/IP協(xié)議作為通信的規(guī)則，其前身為 ARPANET。
  • 任意把幾個計算機網(wǎng)絡(luò)互連起來，不管采用的通信協(xié)議，并且能夠相互通信，這樣構(gòu)成的是一個互連網(wǎng)(internet)，不是互聯(lián)網(wǎng)(Internet)。
• 第二階段(1985-1993)
  • 第二階段的特點是建成了三級結(jié)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)，這三級計算機網(wǎng)絡(luò)分別是：主干網(wǎng)(廣域網(wǎng))、地區(qū)網(wǎng)(城域網(wǎng))、校園網(wǎng)(企業(yè)網(wǎng)/局域網(wǎng))。
  • 
• 第三階段(1993至今)
  • 第三階段的特點是逐漸形成了全球范圍的多層次ISP結(jié)構(gòu)的互聯(lián)網(wǎng)。
  • ISP(Internet Service Provider)，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供者，或互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商，即提供接入互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的人或廠商。
    • 現(xiàn)在，中國電信、中國聯(lián)通、中國移動等公司，是我國有名的ISP。
    • 互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供者ISP可以從互聯(lián)網(wǎng)管理結(jié)構(gòu)申請到很多IP地址，互聯(lián)網(wǎng)上的主機必須有IP地址才能上網(wǎng)，這里的上網(wǎng)就是通過ISP獲得IP地址接入互聯(lián)網(wǎng)。
    • IP地址被分配給用戶之后，用戶不使用IP地址后，不被使用的IP地址會被回收
    • 主機向本地ISP申請IP地址接入網(wǎng)絡(luò)，本地ISP向地區(qū)ISP申請，地區(qū)ISP向主干ISP申請。
  • 根據(jù)提供服務(wù)的覆蓋面積大小以及擁有的IP地址數(shù)，ISP分為主干ISP、地區(qū)ISP、本地ISP。(多層次ISP結(jié)構(gòu))
  • 
  • 互聯(lián)網(wǎng)交換點，IXP(Internet eXchange Point)，允許兩個網(wǎng)絡(luò)直接相連，并交換分組，兩個網(wǎng)絡(luò)之間不需要在通過第三個網(wǎng)絡(luò)來轉(zhuǎn)發(fā)分組。
    • 即互聯(lián)網(wǎng)交換點，可以使兩個地區(qū)間的網(wǎng)絡(luò)直接通信，不用借助上一級網(wǎng)絡(luò)。
    • IXP常采用工作在數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)交換機。
  • 萬維網(wǎng)，WWW(World Wide Web)。

1.2.3 互聯(lián)網(wǎng)標準化工作

• 互聯(lián)網(wǎng)標準化工作，即規(guī)范規(guī)定在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)如何進行傳輸。
• RFC(Request For Comments)請求評論。所有的互聯(lián)網(wǎng)標準都是以RFC的形式在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)表的
• 指定互聯(lián)網(wǎng)的正式標準的三個階段
  • 互聯(lián)網(wǎng)草案
  • 建議標準
  • 互聯(lián)網(wǎng)標準

1.3 互聯(lián)網(wǎng)的組成

• 互聯(lián)網(wǎng)可以劃分為一下兩大塊：
  • （1）邊緣部分：由所有連接在互聯(lián)網(wǎng)上的主機組成。這部分是用戶直接使用的，用于進行通信和資源共享。
  • （2）核心部分：由大量網(wǎng)絡(luò)和連接這些網(wǎng)絡(luò)的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務(wù)的，提供連通性和交換。
  • 

1.3.1 互聯(lián)網(wǎng)的邊緣部分

• 處在互聯(lián)網(wǎng)邊緣的部分就是連接在互聯(lián)網(wǎng)上的所有的主機。
  • 連接在互聯(lián)網(wǎng)上的主機又被稱為端系統(tǒng)，“端”即“末端”，互聯(lián)網(wǎng)的末端。
  • 端系統(tǒng)由各類主機構(gòu)成，可以是一臺普通的個人電腦，也可以是一部具有上網(wǎng)功能的智能手機，甚至可以是一個網(wǎng)絡(luò)攝像頭…
  • 端系統(tǒng)之外不會再連接其他設(shè)備，即不會通過端系統(tǒng)進行中轉(zhuǎn)連接其他設(shè)備。端系統(tǒng)不進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，而是進行資源的提供。
• 計算機之間通信：
  • 主機A與主機B之間進行通信，實際上，是運行在主機A上的某個程序和運行在主機B上的另一個程序之間進行通信，由于進程即運行的程序，所以計算機之間的通信為，主機A的某個進程和主機B上的另一個進程之間的通信。
• 在網(wǎng)絡(luò)邊緣的端系統(tǒng)之間的通信方式可以劃分為兩大類：
  • （1）客戶 – 服務(wù)器方式（C/S方式，Client/Server）
  • （2）對等方式（P2P方式，Peer-to-Peer）

（1）客戶 – 服務(wù)器方式

• 客戶和服務(wù)器都是指通信中所涉及的兩個應(yīng)用進程
  • 客戶–服務(wù)方式所描述的是進程之間服務(wù)于被服務(wù)的關(guān)系。
  • 客戶是服務(wù)的請求方，服務(wù)器是服務(wù)的提供方。
  • 
  • 客戶與服務(wù)器的通信關(guān)系建立后，通信可以是雙向的，即客戶和服務(wù)器都可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
• 客戶程序與服務(wù)程序的特點：
  • 客戶程序：
    • 客戶程序必須知道服務(wù)器程序的地址
    • 不需要特殊的硬件和很復(fù)雜的操作系統(tǒng)
  • 服務(wù)器程序：
    • 服務(wù)器程序需要可以同時處理多個遠地或本地客戶的請求
    • 服務(wù)器程序啟動后就一直不斷地運行，被動地等待并接收來自各地的客戶的通信請求
    • 服務(wù)器程序不需要知道客戶程序的地址
    • 服務(wù)器程序一般需要強大的硬件和高級的操作系統(tǒng)支持

（2）對等方式

• 對等連接（peer-to-peer，簡寫P2P）是指兩臺主機在通信時，并不區(qū)分哪一個是服務(wù)請求方和哪一個是服務(wù)提供方，只要兩臺主機都運行了對等連接軟件(P2P軟件)，它們就可以平等的對等連接通信。
• 在對等方式中，兩臺主機相互之間都可以提出申請，也都可以提供服務(wù)。
  • 實際上，對等連接方式從本質(zhì)上看仍然是客戶–服務(wù)器方式，只是對等連接中的每一臺主機既是客戶又是服務(wù)器。
• 

1.3.2 互聯(lián)網(wǎng)的核心部分

• 互聯(lián)網(wǎng)的核心部分向邊緣部分提供通信的保證，核心部分向邊緣部分提供連通性，使邊緣部分的任何一臺主機都可以與其他主機通信。
• 在網(wǎng)絡(luò)核心部分其特殊作用的是路由器
  • 路由器是一種專用計算機，但是路由器不叫作主機。
  • 路由器是實現(xiàn)分組交換（信息的存儲與轉(zhuǎn)發(fā)）的關(guān)鍵構(gòu)件，其任務(wù)是轉(zhuǎn)發(fā)收到的分組，這是網(wǎng)絡(luò)核心部分最重要的功能==。

1. 電路交換的主要特點

• 交換就是轉(zhuǎn)接，把一條電話線轉(zhuǎn)接到另一條電話線，使它們連通。從通信資源的分配角度看，交換就是按照某種方式動態(tài)的分配傳輸線路的資源。
• 電路交換：經(jīng)過“建立連接(占用通信資源，建立一條專用的物理通路) => 通話(一直占用通信資源，主叫與被叫雙方相互通話) => 釋放連接(歸還通信資源，釋放剛才使用的專用的物理通路)”三個步驟的交換方式。
  • 只要有上述的三個過程，且通信過程中一直占用通信線路，即為電路交換。
• 電路交換的特點：
  • 在通話的全部時間內(nèi)，通話的兩個用戶始終占用端到端的通信資源，通話時間內(nèi)通信資源被通話的兩端獨享。
    • 
  • 當使用電路交換來傳送計算機數(shù)據(jù)時，由于通話時間其他用戶不能使用通信資源，且計算機數(shù)據(jù)具有突發(fā)信，即不知道什么時候會進行數(shù)據(jù)交換，會存在大部分的空閑時間，所以電路交換中線路的傳輸效率很低。
  • 電路交換不適合網(wǎng)絡(luò)傳輸

2. 分組交換的主要特點

• 分組交換采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，把一個報文劃分成幾個分組后再進行傳送。
  • 通常，把要發(fā)送的整塊數(shù)據(jù)稱為一個報文。
  • 在發(fā)送報文之前，會把較長的報文劃分為一個個更小的等長的數(shù)據(jù)段，在每一個數(shù)據(jù)段前面加上一些必要的控制信息組成的首部(首部由協(xié)議決定)構(gòu)成一個分組。
  • 分組又被稱為包，分組的首部又被稱為包頭
  • 分組是在互聯(lián)網(wǎng)中傳送的數(shù)據(jù)單元，即分組是數(shù)據(jù)傳輸單位。
  • 
• 位于網(wǎng)絡(luò)邊緣部分的主機和位于網(wǎng)絡(luò)核心部分的路由器都是計算機。
  • 主機：為用戶進行信息處理，和其他主機通過網(wǎng)絡(luò)交換信息；
  • 路由器：用來轉(zhuǎn)發(fā)分組，進行分組交換。
    • 路由器收到一個分組，會先暫時存儲，檢查該分組的首部，查找轉(zhuǎn)發(fā)表，按照首部中的目的地址找到合適的接口轉(zhuǎn)發(fā)出去，把分組交給下一個路由器。
    • 所以各路由器之間必須經(jīng)常交換彼此掌握的路由信息。
• 每個分組的傳輸路徑是不受我們控制的，根據(jù)當時網(wǎng)絡(luò)的情況選擇最佳路徑。
• 分組交換中每個分組不會獨占整條傳輸路徑，只會占傳輸路徑的一段。
• 接收端收到分組后會剝?nèi)ナ撞窟€原成報文。
• 
• 分組交換的優(yōu)點：
  • 高效：在分組傳輸?shù)倪^程中動態(tài)分配傳輸帶寬，對通信鏈路逐段占用
  • 靈活：為每一個分組獨立地選擇最合適的轉(zhuǎn)發(fā)路由
  • 迅速：以分組作為傳送單位，不先建立連接就能向其他主機發(fā)送分組
  • 可靠：保證可靠性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；分布式多路由的分組交換網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)有很好的生存性
• 分組交換的問題：
  • 數(shù)據(jù)多時，分組在各路由器存儲轉(zhuǎn)發(fā)需要排隊，會造成一定的時延。到一個路由的分組多時，由于路由需要一個個判斷向哪轉(zhuǎn)發(fā)，所以需要排隊，從而產(chǎn)生時延。
  • 各分組必須攜帶控制信息，會造成一定的開銷，且路由器需要暫存分組對分組分析與維護轉(zhuǎn)發(fā)表也會增加開銷。
• 三種交換方式：
  • 
  • 如果要連續(xù)傳送大量的數(shù)據(jù)，且傳送時間遠大于連接建立時間，則電路交換的傳輸速率較快；
  • 報文交換和分組交換不需要預(yù)先分配傳輸帶寬，在傳送突發(fā)數(shù)據(jù)時可以提高整個網(wǎng)絡(luò)的信道利用率；
  • 由于一個分組的長度遠小于整個報文的長度，所以分組交換比報文交換的時延小(分組交換到達目的地更快)，具有更好的靈活性。

1.4 計算機網(wǎng)絡(luò)在我國的發(fā)展

1.5 計算機網(wǎng)絡(luò)的類別

1.5.1 計算機網(wǎng)絡(luò)的類別

• 對于計算機網(wǎng)絡(luò)的較好的定義：
  • 計算機網(wǎng)絡(luò)主要是由一些通用的、可編程的硬件互連而成的，而這些硬件并非專門用來實現(xiàn)某一特點目的。這些可編程的硬件能夠用來傳送多種不同類型的數(shù)據(jù)，并能支持廣泛的和日益增長的應(yīng)用。
    • 計算機網(wǎng)絡(luò)所連接的硬件并非只有計算機，還包括了智能手機、智能電視等
    • 計算機網(wǎng)絡(luò)并非只用于傳送數(shù)據(jù)，還能夠支持許多應(yīng)用
    • 可編程硬件，表明這種硬件一定包含有中央處理器CPU。
• 計算機網(wǎng)絡(luò)比較通俗的定義：
  • 計算機網(wǎng)絡(luò)是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設(shè)備通過通信線路連接起來，在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的管理與協(xié)調(diào)下，實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。

1.5.2 幾種不同類別的計算機網(wǎng)絡(luò)

1. 按照網(wǎng)絡(luò)的作用范圍進行分類

1. 廣域網(wǎng)(WAN，Wide Area NetWork)
   • 也稱為遠程網(wǎng)
   • 廣域網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的核心部分。
   • 廣域網(wǎng)的作用范圍一般包含一個國家，廣域網(wǎng)也叫主干網(wǎng)。
   • 負責遠距離傳輸。
2. 城域網(wǎng)(MAN，Metropolitan Area NetWork)
   • 城域網(wǎng)的作用范圍一般是一個城市。
   • 互聯(lián)網(wǎng)核心部分的邊緣部分。
3. 局域網(wǎng)(LAN，Local Area NetWork)
   • 局域網(wǎng)的作用范圍局限在較小的范圍，局域網(wǎng)的作用范圍一般是一個學(xué)?；蚬S，局域網(wǎng)也叫校園網(wǎng)或企業(yè)網(wǎng)。
4. 個人區(qū)域網(wǎng)(PAN，Personal Area NetWork)
   • 個人區(qū)域網(wǎng)就是在個人工作的地方把屬于個人使用的電子設(shè)備用無線技術(shù)連接起來的網(wǎng)絡(luò)。
   • 個人區(qū)域網(wǎng)也叫無線個人區(qū)域網(wǎng)(WPAN，Wireless PAN)。通過個人熱點形成的一個網(wǎng)絡(luò)。

2. 按照網(wǎng)絡(luò)的使用者進行分類

1. 公用網(wǎng)(public network)
   • 電信公司出資建造的大型網(wǎng)絡(luò)，按電信公司的規(guī)定繳納費用的人都可以使用這種網(wǎng)絡(luò)。
   • 公用網(wǎng)也叫公眾網(wǎng)。
2. 專用網(wǎng)(private network)
   • 某個部門為滿足本單位的特殊業(yè)務(wù)工作的需要而建造的網(wǎng)絡(luò)。
   • 這種網(wǎng)絡(luò)不向本單位以外的人提供服務(wù)。

3. 用來把用戶接入到互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)

• 這種網(wǎng)絡(luò)就是接入網(wǎng)(AN，Access Network)，也叫本地接入網(wǎng)或居民接入網(wǎng)。
• 這種網(wǎng)絡(luò)是主干網(wǎng)絡(luò)到用戶終端之間的所有設(shè)備，這種網(wǎng)絡(luò)可以由ISP提供。接入網(wǎng)實際上就是本地ISP所擁有的網(wǎng)絡(luò)
• 接入網(wǎng)既不是互聯(lián)網(wǎng)的核心部分也不是互聯(lián)網(wǎng)的邊緣部分，是端系統(tǒng)到本地ISP第一個路由器之間的鏈路，本地ISP可以使用接入網(wǎng)將用戶端系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)。
• 接入網(wǎng)只是起到用戶與互聯(lián)網(wǎng)連接的“橋梁”作用。

1.6 計算機網(wǎng)絡(luò)的性能

• 計算機網(wǎng)絡(luò)的性能一般是指它的幾個重要的性能指標。主要包括：速率、帶寬、吞吐量、時延帶寬積、往返時間RTT、利用率等。

1.6.1 計算機網(wǎng)絡(luò)的性能指標

1. 速率

• 計算機發(fā)送的信號都是二進制數(shù)字形式的。
  • 二進制數(shù)字也叫做比特(bit，binary digit)，一個比特就是二進制數(shù)字中的一個 1 或 0。
  • 在香農(nóng)的理論中，比特為信息量的單位。
• 速率：
  • 數(shù)據(jù)的傳送速率，也稱為數(shù)據(jù)率或比特率
  • 單位bit/s(比特/秒，或b/s、bps [bit per second])。
  • 速率是指理想狀態(tài)下，一定時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)信道可通過的最大數(shù)據(jù)量，并不是一個比特在信道中的傳輸速度。比如，一條馬路單位時間內(nèi)能夠通過多少輛汽車。
  • 一般情況下，我們提到網(wǎng)絡(luò)的速率是指額定速率或標稱速率，并不是網(wǎng)絡(luò)實際上的運行速率。
• 速率不同單位間的轉(zhuǎn)換：
  • $k=10^3$
  • $M=10^6=10^{3}k$
  • $G=10^9=10^{3}M=10^{6}k$
  • $T=10^{1}2$
  • $P=10^{1}5$
  • $E=10^{1}8$
  • $Z=10^{2}1$
  • $Y=10^{2}4$
• 在通信鄰域，單位間的轉(zhuǎn)換與在計算機領(lǐng)域的不同。

2. 帶寬

• 帶寬的兩種意義：
  1. 帶寬是指某個信號具有的頻帶寬度
     • 信號的帶寬是指該信號所包含的各種不同頻率成分所占據(jù)的頻率范圍。
     • 這種意義的帶寬的單位是赫。
     • 這種意義下信道的帶寬表示某信道允許通過(傳輸)的信號頻帶范圍。
     • 這種意義是在頻域下
     • 帶寬越大，通過的信號越多，同一時間間隔內(nèi)通過的比特數(shù)越多，比如，車道數(shù)越多(路越寬)，同一時間間隔內(nèi)通過的車越多
  2. 在計算機網(wǎng)絡(luò)中，帶寬用來表示網(wǎng)絡(luò)中某通道傳送數(shù)據(jù)的能力
     • 在單位時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中的某信道所能通過的“最高數(shù)據(jù)率”，即在單位時間內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)信道中所能通過的最大比特數(shù)(數(shù)據(jù)量)。
     • 這種意義的帶寬的單位為數(shù)據(jù)率的單位bit/s(比特每秒)。
     • 這種意義是將頻域下的概念映射到時域下
  • 前者為頻域稱謂，后者為時域稱謂
• 速率與帶寬
  • 速率是某個信道在理想狀態(tài)下，單位時間內(nèi)可通過的最大比特數(shù)(信道寬度不受限)
  • 帶寬是指在某個條件下(信道寬度受限，原先可以使用10但限制為5)，單位時間內(nèi)可通過的最大比特數(shù)。
    • 比如，一條馬路原先可以又10個車道通信，但由于交通管制只能使用5個車道
    • 

3. 吞吐量

• 吞吐量表示在單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡(luò)(或信道、接口)的實際數(shù)據(jù)量。
• 吞吐量受網(wǎng)絡(luò)帶寬或網(wǎng)絡(luò)額定速率的限制，帶寬越大單位時間內(nèi)通過的數(shù)據(jù)量越大，吞吐量越大。如果傳輸信道發(fā)生信道阻塞或擁塞，吞吐量可能小于或遠小于額定值，甚至下降到0。

4. 時延

• 時延是指數(shù)據(jù)(一個報文或分組，甚至比特)從網(wǎng)絡(luò)(或鏈路)的一端傳送到另一端所需的時間。
  • 時延也稱為延遲或遲延。
  • 時延由發(fā)生時延、傳播時延、處理時延與排隊時延組成。

（1）發(fā)送時延

• 發(fā)送時延是主機或路由器發(fā)送數(shù)據(jù)幀所需的時間，即從發(fā)送第一個比特開始，到該幀的最后一個比特發(fā)送完畢所需的時間。
  • 發(fā)送時延也叫傳輸時延。
  • 發(fā)生時延是計算機將數(shù)據(jù)發(fā)送到傳輸鏈路上所需的時間
• 發(fā)送時延的計算公式：
  • $$發(fā)送時延=\frac{數(shù)據(jù)幀長度(bit)}{發(fā)送速率(bit/s)}$$
  • 數(shù)據(jù)的發(fā)送速率的單位時每秒發(fā)送多少個比特，即發(fā)送速率是指在某個點或某個接口上的發(fā)送速率。

（2）傳播時延

• 傳播時延是電磁波在信道中傳輸一定距離需要花費的時間。
• 傳播時延的計算公式：
  • $$傳播時延=\frac{信道長度(m)}{電磁波在信道上的傳播速率(m/s)}$$
  • 傳播速率的單位是每秒傳播多少公里，是指在某一段傳輸線路上比特的傳播速率。
• 傳播時延與發(fā)送時延的區(qū)別：
  1. 兩種時延發(fā)送的地方不同，發(fā)送時延發(fā)生在機器內(nèi)部的發(fā)送器(網(wǎng)絡(luò)適配器)，傳播時延發(fā)生在機器外部的傳輸信道媒體上。
  2. 發(fā)送時延和發(fā)送速率相關(guān)，與傳播速率、傳輸信道的長度無關(guān)。
  3. 傳播時延與傳播速率相關(guān)，與發(fā)送速率無關(guān)，信號的傳送距離越遠傳播時延越大。

（3）處理時延

• 處理時延是主機或路由器在收到分組時對分組進行處理花費的時間。

（4）排隊時延

• 分組在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸時，需要經(jīng)過許多路由器，由于每個分組被路由器處理時會產(chǎn)生處理時延，分組到路由器就需要進行排隊等待處理，在路由器確定了轉(zhuǎn)發(fā)接口后，由于每個分組進行轉(zhuǎn)發(fā)也需要時間，所以分組還要在輸出隊列中排隊等待轉(zhuǎn)發(fā)，分組在排隊時花費的時間就為排隊時延。
• 分組的排隊隊列越長，排隊時延越大，如果路由的內(nèi)存排滿了，此時分組不能進入路由器，由于分組也不能在線路上停留，此時該分組會被丟棄，這個時候排隊時延相當于無窮大。

總時延

• 數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)歷的總時延為上述四種時延之和：
  • $$總時延=發(fā)送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延$$
  • 
• 在總時延中，哪種時延占主導(dǎo)地位，需要根據(jù)具體情況具體分析。
• 在高速鏈路(或高速帶寬鏈路)上，比特是否會傳送得更快？
  • 對于高速網(wǎng)絡(luò)鏈路，提高得僅僅是數(shù)據(jù)得傳播速率，如果傳播時延占總時延很小得一部分，則傳送速度變化不明顯，其他時延未知，不一定會傳送得更快

5. 時延帶寬積

• 時延帶寬積就是傳播時延和帶寬相乘。
  • $時延帶寬積=傳播時延\times 帶寬$。
• 時延帶寬積用于表示在一個鏈路種最大可以容納多少個比特，即在該傳輸鏈路中的最大二進制數(shù)的個數(shù)。
  • 開始發(fā)送數(shù)據(jù)到接收端收到第一個比特時鏈路中所能容納的比特數(shù)。
  • 鏈路的時延帶寬積被稱為以比特為單位的鏈路長度。
  • 管道中的比特數(shù)表示從發(fā)送端發(fā)出但尚未到達接收端的比特數(shù)。
  • 當鏈路的管道充滿比特時，鏈路得到充分的利用。
• 

6. 往返時間RTT

• 往返時間為從發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)開始，到發(fā)送方收到接收方的確認時，總共經(jīng)歷的時間(過去時間+回來時間)。
  • 往返時間即通信雙方雙向交互一次所需的時間。
• 往返時間中包括各中間節(jié)點的處理時延、排隊時延以及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的發(fā)送時延。
• 注意，往返時間不包括發(fā)送數(shù)據(jù)到鏈路上的時間，只有在最后一個比特到達接收方時，接收方才可能對數(shù)據(jù)進行處理并生成回送的響應(yīng)信息。
• 往返時間也被稱為往返時延，強調(diào)發(fā)送方至少要經(jīng)過多少時間才能知道自己所發(fā)送的數(shù)據(jù)是否被對方接收了。
• 
• 
• 有效數(shù)據(jù)率：
  • $$有效數(shù)據(jù)率=\frac{數(shù)據(jù)長度}{發(fā)送時間+RTT}$$

7. 利用率

• 利用率有信道利用率和網(wǎng)絡(luò)利用率兩種。
  • 信道利用率：某信道有百分之幾的時間是被利用的，即信道有百分之幾的時間是有數(shù)據(jù)通過的。
    • 如果無數(shù)據(jù)通過，即此時信道完全空閑，此時信道的利用率為0.
  • 網(wǎng)絡(luò)利用率：全網(wǎng)絡(luò)的信道利用率的加權(quán)平均值。
• 信道的利用率并不是越高越好，因為如果信道的利用率很高，則說明信道上一直有數(shù)據(jù)通過，如果利用率過高，則可能信道中的數(shù)據(jù)量很大，此時可能會造成較大的時延(排隊時延)。
• 信道的利用率增大，信道引起的時延也會迅速增加。
• 令$D_0$表示網(wǎng)絡(luò)空閑時的時延，D表示網(wǎng)絡(luò)當前的時延，U為網(wǎng)絡(luò)利用率(數(shù)值0-1)：
  • $$D=\frac{D_0}{1?U}$$
  • 當網(wǎng)絡(luò)利用率接近1時，網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的時延就會趨于無窮大，所以，信道利用率或網(wǎng)絡(luò)利用率過高就會產(chǎn)生非常大的時延。
  • 

1.6.2 計算機網(wǎng)絡(luò)的非性能特征

1. 費用
2. 質(zhì)量
3. 標準化：遵循統(tǒng)一的標準，保證不同網(wǎng)絡(luò)間可以通信
4. 可靠性：保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?#xff0c;不會出現(xiàn)丟包
5. 可擴展性和可升級性
6. 易于管理和維護

1.7 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

• 在計算機網(wǎng)絡(luò)的基本概念中，分層次的體系解構(gòu)(或架構(gòu))是最基本的

1.7.1 計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的形成

• 為了實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，提出了分層（最初的ARPANET就有提出分層），分層將龐大復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為若干個較小的局部問題，這些較小的局部問題比較易于研究和處理。
• 分層的原則：抽象分層、統(tǒng)一標準、模塊獨立。
• 國際標準化組織ISO提出開發(fā)系統(tǒng)互連基本參考模型OSI/RM，簡稱OSI。
  • OSI/RM是一個抽象的概念。
  • 1983年形成了開發(fā)系統(tǒng)互連基本參考模型的正式文件，即ISO 7498國際標準，也就是七層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。
  • 
• 由于OSI制定的太慢，最后得到廣泛使用的并不是法律上的國際標準OSI，而是非國際標準TCP/IP，TCP/IP被稱為事實上的國際標準。

1.7.2 協(xié)議和劃分層次

• 協(xié)議：為進行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標準或約定稱為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡稱為協(xié)議。
• 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的三個要素組成：
  1. 語法：數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式，交換信息使用什么語言。
  2. 語義：需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應(yīng)，規(guī)定所要完成的功能，協(xié)議具體解決什么問題。
  3. 同步：事件實現(xiàn)順序的詳細說明，規(guī)定各種操作順序，解決什么時間什么條件做什么特定操作的問題，完成功能做什么操作。
• 協(xié)議通常有兩種不同的形式
  • 使用便于人閱讀和理解的文字描述
  • 使用讓計算機能夠理解的程序代碼。
  • 兩種不同形式的協(xié)議都必須能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)上的信息交換過程做出精確的解釋。
• 
• 計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層后各層所要完成的功能(包含以下一到多種)：
  1. 差錯控制，傳輸不能出錯。
  2. 流量控制，發(fā)送端的發(fā)送速率和接收端的接收速率要匹配。
  3. 分段和重裝，發(fā)送端將要發(fā)送的數(shù)據(jù)劃分為小的單位，接收端要能夠?qū)⑵溥€原。
  4. 復(fù)用和分用，多個高層會話復(fù)用一個低層的連接，在接收端進行分用，將復(fù)合的通信內(nèi)容分開。
  5. 連接建立和釋放。
• 分層的好處：
  1. 各層之間相互獨立，高層不需要知道低層如何實現(xiàn)，只需要知道如何使用低層通過接口提供的服務(wù)即可。
  2. 靈活性好，當任何一層發(fā)生變化，只需保持接口不變，不會對其他層造成影響。
  3. 結(jié)構(gòu)上可分割開
  4. 易于實現(xiàn)和維護
  5. 能促進標準化工作
• 分層的缺點：有些功能會在不同層次種重復(fù)出現(xiàn)，會造成額外的開銷。
• 網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)是計算機網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合，就是這個計算機網(wǎng)絡(luò)及其構(gòu)件所應(yīng)完成的功能的精確定義(不涉及如何實現(xiàn))。
  • 把計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分為多層，每層通過制定標準、定義功能，最后由廠商進行實現(xiàn)。
  • 體系結(jié)構(gòu)是抽象的，實現(xiàn)是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件

1.7.3 具有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)

• 
• 應(yīng)用層：
  • 應(yīng)用層的任務(wù)是通過應(yīng)用進程之間的交互來完成特定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
  • 應(yīng)用層協(xié)議定義的是應(yīng)用進程間通信和交互的規(guī)則
    • 進程，主機中正在運行的程序
  • 應(yīng)用層交互的數(shù)據(jù)單元為報文
• 運輸層
  • 運輸層的任務(wù)是負責向兩臺主機中進程之間的通信提供通用的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)
    • 兩臺主機怎么找到雙方的進程
  • 運輸層有復(fù)用和分用的功能
  • 運輸層主要使用的協(xié)議
    • 傳輸控制協(xié)議TCP
      • 提供面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝皇菆笪亩?/li>
    • 用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP
      • 提供無連接的盡最大努力的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝粸橛脩魯?shù)據(jù)報
• 網(wǎng)絡(luò)層
  • 實現(xiàn)雙方主機怎么找到對方
  • 網(wǎng)絡(luò)層負責為分組交換網(wǎng)上的不同主機提供通信服務(wù)
  • 由于網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議，分組也叫IP數(shù)據(jù)報，簡稱為數(shù)據(jù)報
  • 網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)
    • 通過一定的算法，在互聯(lián)網(wǎng)中的每一個路由器上生成一個用來轉(zhuǎn)發(fā)分組的轉(zhuǎn)發(fā)表
    • 每一個路由器在接收到一個分組時，依據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表中指明的路徑把分組轉(zhuǎn)發(fā)到下一個路由
  • 互聯(lián)網(wǎng)使用的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議是無連接的網(wǎng)際協(xié)議IP和許多路由選擇協(xié)議，所以互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層也叫網(wǎng)際層或IP層
• 數(shù)據(jù)鏈路層
  • 數(shù)據(jù)鏈路層簡稱為鏈路層
  • 實現(xiàn)兩個相鄰節(jié)點的可靠通信
  • 在兩個相鄰節(jié)點之間傳送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)鏈路層將網(wǎng)絡(luò)層交下來的IP數(shù)據(jù)報組裝成幀，在兩個相鄰節(jié)點間的鏈路上傳送幀
  • 數(shù)據(jù)鏈路層不僅要檢錯還要糾錯
• 物理層
  • 在物理層上傳送數(shù)據(jù)的單位是比特
  • 實現(xiàn)比特的傳輸，規(guī)定鏈路的規(guī)格
  • 物理傳輸媒體不屬于物理層，而在物理層協(xié)議的下面，所以物理傳輸媒體常被當成第0層
• 
• OSI參考模型把對等層次之間傳送的數(shù)據(jù)單位成為該層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU

1.7.4 實體、協(xié)議、服務(wù)和服務(wù)訪問點

• 實體(entity)
  • 表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進程。
  • 在許多情況下，實體就是一個特定的軟件模塊。
• 協(xié)議
  • 控制兩個對等實體（或多個實體）進行通信的規(guī)則的集合。
  • 在協(xié)議的控制下，兩個對等實體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務(wù)。要實現(xiàn)本層協(xié)議,還需要使用下面一層所提供的服務(wù)。
  • 協(xié)議的實現(xiàn)保證了能夠向上一層提供服務(wù)。使用本層服務(wù)的實體只能看見服務(wù)而無法看見下面的協(xié)議。
    • 下面的協(xié)議對上面的實體是透明的。
  • 協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對等實體之間通信的規(guī)則。但服務(wù)是“垂直的”，即服務(wù)是由下層向上層通過層間接口提供的。
  • 只有那些能夠被高一層實體“看得見”的功能才能稱之為“服務(wù)”。上層使用下層所提供的服務(wù)必須通過與下層交換一些命令，這些命令在OSI中稱為服務(wù)原語。
• 在同一系統(tǒng)中相鄰兩層的實體進行交互（即交換信息）的地方，通常稱為服務(wù)訪問點SAP(Service Access Point)。
  • 服務(wù)訪問點SAP是一個抽象的概念，它實際上就是一個邏輯接口
  • OSI把層與層之間交換的數(shù)據(jù)的單位稱為服務(wù)數(shù)據(jù)單元SDU (Service Data Unit)
• 每一層都認為自己在通過協(xié)議與對等層之間進行通信，下層為上層提供服務(wù)，上層不關(guān)心下層的具體實現(xiàn)
• 在服務(wù)提供者的上一層的實體又稱為服務(wù)用戶
• 

1.7.5 TCP/IP的體系結(jié)構(gòu)

• 
• 
• 
• IP層為網(wǎng)絡(luò)的核心部分，越簡單越好，把一切復(fù)雜的部分讓網(wǎng)絡(luò)的邊緣部分實現(xiàn)
•