計算機網路概述

1.計算機網路和互聯網

1.1 計算機網路的定義和特點

• 定義：
  計算機網路：是由一些通用的、可編程的硬體互連而成，
  互聯網：是全球最大的、由眾多異構網路相互連接而成的計算機網路，是網路的網路，

• 特點：
  連通性：將用戶終端彼此連通，
  資源共享：資訊共享、軟體共享、硬體共享等，

1.2 互聯網的歷史

計算機所產生的資料具有突發性，因此電話網的技術并不適 用千構建計算機網路，分組交換的研究作業奠定了互聯網的基礎

• 20世紀60年代，美國高級研究計劃局ARPA著手籌建“分布 式網路＂，該網路后來命名為ARPAnet,是今天的互聯網的前身，

• 1969年5月，APRAnet的第一臺分組交換機安裝在美國加州 大學洛杉磯分校(UCLA)，

• 1972年，ARPAnet發展成具有15臺分組交換機的計算機網路，

• 1973年，著名論文《關千包交換網路的協議》發表，提出不同計算機網路 通過“網關”進行聯接的概念，并設計了TCP協議，

• 1981年，IP協議(RFC791)和TCP協議(RFC793)正式發布，

• 1983年，具有網路互聯能力的TCP/IP協議成為ARPAnet上的標準協議，

1.3 互聯網的發展階段

1.3.1 階段1:從APRAnet的建立到關閉

• 1969年，APRAnet建立；
• 1981年，IP和TCP發布 ；
• 1983年，ARPAnet遷移到TCP/IP；
• 1990年，ARPAnet正式關閉，

1.3.2 階段2:美國國家科學基金網NSFnet的建立 到停止運作

• 1985 年 ， 美 國國家科學基金會(National Science Foundation，NSF)利用TCP/IP協議建 立了用于科學研究和教育的骨干網NSFnet；
• NSFnet覆寫了美國主要的大學和研究所；
• NSFnetNSFnet是一個三級結構的計算機網路， 分為主干網、地區網和校園網；
• 1995年，NSFnet停止運作，
• NSFnet的主干網帶寬從1985年的56kbit/s發展到 1995年的45Mbit/s，

1.3.3 階段3:商業互聯網的興起和發展

• 1991年，NSF解除了對NSFnet用千商業目的的限制，互聯網服務提供商ISP開始提供 互聯網接入服務，
• 1989年，歐州原子核研究組織CERN發明了萬維網，萬維網將互聯網帶入數以萬計的 家庭和單位，萬維網出現后，互聯網進入爆炸性發展的階段，

2.互聯網結構

互聯網的拓撲結構雖然非常復雜，但從其 作業方式上看，可以分為兩大部分： 網路邊緣、網路核心

2.1 網路邊緣

網路邊緣部分由所有連接在互聯網上的主機以及接入網構成，網路邊緣部分是用戶直接使用的，

2.1.1 主機

主機包括：個人計算機、服務器、超級計算機、智能手機、智能家電、智能 可穿戴裝備、網路攝像頭、汽車以及各種網路傳感器等，

2.1.2 接入網

接入網指將主機連接到其邊緣路由器的網路，邊緣路由器指進入互聯網核心部分后的第一臺路由器，

• 接入網方式：

  接入網包括：ADSL接入、光纖同軸混合網、FTTH接入、以太網接入、 WiFi接入以及蜂窩移動接入等.

  • ADSL接入:
    ADSL指非對稱數字用戶線, 采用頻分復用技術把用戶 線分成了電話、上行資料 和下行資料三個相對獨立 的信道，用戶可以邊打電 話邊上網，
    
  • 光纖同軸混合網HFC
    光纖同軸混合網HFC是利用有 線電視網現有的基礎設施，提供的一種寬帶接入網，
    
  • FTTH接入
    光纖到戶FTTH是FTTx技術的一種， 最常用的FTTH實作方案是無源光網路PON
    
  • 以太網接入和WiFi接入
    通過以太網將主機連接到邊緣路由器的方法，稱為以太網接入，通過無線局域網的接入， 稱為WiFi接入
    
  • 蜂窩移動接入
    通過蜂窩移動網路，將主機 連接到互聯網的方法稱為蜂 窩移動接入，
    蜂窩移動技術的發展已經經 歷了4代，俗稱：1G、2G、 3G和4G，第5代(5G)標 準正在制定中，
    

• 傳輸媒體的種類
  

2.2 網路核心

網路核心部分由ISP網路、其它網路以及連接這些網路的路由器組成， 網路核心部分是為網路邊緣部分提供通信服務的，

計算機網路采用分組交換方式，路由器是網路核心部分最重要的設備，是實作分組交換的關鍵構件，其作用是將收到的分組轉發到另一個網路

2.2.1 交換的引入

端系統數量很少時，可以采用全互連方法實作點對點通信，但全互連方式中，需要 N(N-1)/2潭訓連線，當 增加第N+1個端系統時， 必須增設N條線路，因此，引入交換設備， 稱為交換機或交換結點，所有端系統通過用戶線 連接到交換結點上，由交換結點控制端系統間的連接，

當端系統分布的區域較廣時，需設定多個交換結點，交換結點之間用中繼線相連， 當交換的范圍更大時，需要再次引交換結點，由此形成交換網，

交換的定義：從通信資源分配的角度來看，交換就是按照某種方式分配傳輸線路的資源，

交換的方式：在通信網路中有多種交換方式，電路交換、分組交換和報文交換是其中最典 型的三種，

• 傳統的電話網路采用電路交換方式；
• 計算機網路采用分組交換方式；
• 早期的電報網路采用報文交換方式，

2.2.2 電路交換

電路交換屬于通信資源的預分配系統，

電路交換的程序：電路交換方式是面向連接的交換方式，必須經過 :

1. 建立連接：例如打電話撥號；
2. 資料傳輸：例如通話；
3. 釋放連接：例如掛斷電話，

• 中繼線中多路電話信號可以通過頻分復用、時分復用等信道復用技術共享通信線路資源，
• 特點： 固定分配資源：通信資源在建立連接階段已經預先分配給通話的雙方了，在通話的全部時間內，通話的兩個終端始終占用端到端的通信資源，

2.2.3 分組交換

分組交換屬于通信資源的動態分配系統，

計算機網路資料具有突發特性，如果使用電路交換方式，通信資源的利用率 將極低， 因此，計算機網路采用分組交換方式，分組交換技術的出現奠定了互聯網發 展的基礎，

特點： ? 分組； ? 存盤轉發； ? 逐段占用通信鏈路資源； ? 虛電路或資料報，

(1)分組

分組：分組是互聯網中傳輸的資料單元
報文：待發送的完整資料塊稱為報文(message)
包：將報文分成較小的資料段，在每個資料段前面增加控制資訊，構成分組(packet)，分組也稱為包，
包頭增加的控制資訊稱為首部(header)，也稱為包頭，

(2)存盤轉發

路由器收到一個分組后，先暫時存盤起來；
然后根據首部中的控制資訊，找到合適的介面將分組轉發出去；
每臺路由器都以存盤轉發的方式，逐跳(hop)處理，最終將分組交付目的主機；
目的主機將分組重新還原成報文，

(3)逐段占用通信鏈路資源

它通信鏈路資源并不被當前通信的雙方所占用，即分組交換是逐段占用通信資源的，
帶寬資源并不會預先分配給某一次通信，而是可以為多次通信所共享，其通信資源的利用率較高，

(4)分組交換的兩種方式

分組交換包括兩種方式：虛電路 (Virtual Circuit，VC)方式和資料報 (datagram)方式，

虛電路方式：
虛電路方式是面向連接的，虛電路中連 接，不是物理連接，只是一條邏輯連接， 建立虛電路后，在資料通信階段，路由 器根據虛電路標識轉發分組，屬千相同 虛電路的資料分組將沿著相同的路徑、 按序通過網路，到達目的結點，

資料報方式：
資料報方式是無連接的，即發送資料之前不需要先建立連接，

資料報方式中，路由器為每個分組獨立選擇轉發介面，從相同源結點發往相同目的結點的資料分組，有可能沿著不同的路徑，也有可能失序通過網路，到達目的結點， （目前，互聯網采用的交換方式就是資料報方式的分組交換）

(5)分組交換的問題

增大了時延：分組在各路由器中存盤轉發時，需要在佇列中排隊，這會增加 一些時延，
增大了開銷：每一個分組的首部中都包含一些控制資訊，這會增加一定的開銷

2.2.4 報文交換

報文交換方式也采用存盤轉發方式， 報文交換與分組交換的區別在于：報文交換傳輸的資料單元是一個完整的報文，而分組交換傳輸的資料單元是較小的分組，

2.2.5 三種交換方式的比較

2.2.6 分組交換網的性能

(1)帶寬

頻域稱謂
帶寬是頻帶寬度的簡稱，單位是赫茲(Hz)
信號的帶寬指該信號所包含的各種不同頻率成分所占據的頻率范圍
信道的帶寬指該信道允許通過的信號的頻帶范圍

時域稱謂
在計算機網路中，帶寬是指在單位時間內能傳輸的最大資料星，也稱為最高資料率，用來表示網路中某信道的資料傳送能力，單位是位元每秒(bit/s)

(2)吞吐量

吞吐量表示在單位時間內通過某個網路或接 口的實際資料量，單位是位元每秒 (bit/s)
以檔案傳輸應用為例，主機在任何瞬間接收到該 檔案的速率稱為瞬時吞吐量，主機收到完整檔案 后計算的平均速率稱為平均吞吐量，
端到端吞吐量是衡量計算機網路性能的一個 重要指標， ? 端到端吞吐量受到網路帶寬的限制， ? 端到端吞吐量也會受到網路中其它通信量的影響

(3)時延

分組從源主機出發，經過一系列路由器，最終到達目的主機，在這個程序中 所花費的時間稱為端到端時延，端到端時延由處理時延(processing delay)、排隊時延(queuing delay)、**傳輸時延(**transmission delay)和 傳播時延(propagation delay)等幾個部分組成，

端到端時延 = 處理時延+ 排隊時延+ 發送時延+ 傳播時延

• 處理時延：結點在收到分組后，結點處理分組所花費的時間，稱為處理時延，

• 排隊時延：分組進入路由器后，在輸入佇列或輸出佇列中排隊所產生的時延 稱為排隊時延，

• 傳輸時延：結點將分組傳輸到鏈路上所需要的時間，也稱為發送時延，
  發 送 時 延 = 分 組 長 度 ( b i t ) 發 送 速 率 ( b i t / s ) {發送時延=\Large\frac{分組長度(bit)}{發送速率(bit/s)}} 發送時延=發送速率(bit/s)分組長度(bit)?

• 傳播時延：電磁波在信道中傳播一定的距離所花費的時間稱為傳播時延，
  傳 播 時 延 = 信 道 長 度 ( m ) 電 磁 波 在 信 道 上 的 傳 播 速 率 ( m / s ) 傳播時延=\Large\frac{信道長度(m)}{電磁波在信道上的傳播速率(m/s)} 傳播時延=電磁波在信道上的傳播速率(m/s)信道長度(m)?

(4)丟包率

丟包：當分組到達路由器的速率超過路由器發送分組的速率時，路由器有可能丟棄到達的分組，這種現象稱為丟包，
丟包代表網路出現了擁塞，丟包率在很大程度上反映網路的阻塞程度，常被 用于評價和衡量網路性能，
丟 包 率 = N s ? N r N s 丟包率 = \Large\frac{Ns- Nr}{Ns} 丟包率=NsNs?Nr?

• Ns代表發送的分組總數
• Nr代表收到的分組總數
• Ns-Nr代表丟失的分組總數，

(5)利用率

利用率包括信道利用率和網路利用率兩種:

• 信道利用率：指出某信道有百分之幾的時間是被利用的(有資料通過)，
• 網路利用率：全網路的信道利用率的加權平均值，

信道利用率并非越高越好，當某信道的利用率增大時，該信道引起的時延也 就迅速增加，信道或網路的利用率過高會產生非常大的時延

在適當的假定條件下，時延和網路利用率之間的關系如下式：
D = D 0 1 ? U D=\Large\frac{D_0}{1-U} D=1?UD0??

• D D D表示網路當前的時延
• D 0 D_0 D0?表示網路空閑時的時延
• U U U是網路的利用率，

3.網路體系結構

3.1 分層、協議和服務

分層：為了降低網路設計的復雜性，絕大多數網路都按照“分層”的方法進行設計，分層的設計方式具有靈活性好、耦合性低等優點，并且易于開發和維護，方 便進行標準化作業，

協議：在互聯網中，為進行網路中的資料交換而建立的規則、標準和約定稱為網路協議，簡稱為協議（對等層的雙方之間的約定），
網路協議主要由以下三個要素組成：

- 語法：即資料與控制資訊的格式；
- 語意：即控制資訊的含義； 
- 同步：即事件順序的詳細說明，

協議堆疊/協議族：各層所有協議的集合被稱為協議堆疊或協議族

物體：任何發送或接收訊息的硬體或軟體行程稱為物體，在不同主機上，相對應 次上的物體稱為對等物體

服務：在分層設計思想中，每一層都建立在下一層的基礎之上，下層向上一層提供特定的服務，（每層協議的實作都保證了向上層物體提供服務）

• 協議是水平方向的，控制著對等物體之間的資訊交換；
• 服務是垂直方向的，控制著相鄰層次物體之間的資訊交換；
• 對等物體之間交換的資料單位通常稱為協議資料單元PDU；
• 相鄰層次物體之間交換的資料單位通常稱為服務資料單元SDU，

3.2 互聯網體系結構

網路體系結構：層和協議的集合稱為網路體系結構(network architecture)，

3.2.1 開放系統互連參考模型OSI

國際標準化組織提出的開放系統互連參考模型OSI概念清晰，理論完整，推 出的時機較晚，沒有成為互聯網上的國際標準，

OSI參考模型定義了七層協議堆疊：

3.2.2 TCP/IP協議族

TCP/IP協議族作為BSD Unix的一部分，隨著Unix的流行，搶先在全球大范圍成功地運行，成為了互聯網上事實的國際標準，

TCP/IP定義了四層協議堆疊：

3.2.3 互聯網體系結構

互聯網體系體系結構實際采用了五層協議堆疊：

(1)應用層的功能和協議

• 主要任務：通過行程間的通信解決某一類應用問題，
• 常見協議：域名系統DNS;超文本傳送協HTTP;動態主機配詈協議DHCP;簡單郵件傳送協議SMTP等，
• 協議資料單元：報文，

(2)運輸層的功能和協議

• 主要任務：向應用行程提供端到端的通信服務，

• 常見協議：
  傳輸控制協議TCP：面向連接、可靠；
  用戶資料報協UDP：無連接、不可靠，

• 協議資料單元：
  TCP：報文段；
  UDP：用戶資料報，

(3)網路層的功能和協議

• 主要任務：向上層提供主機到主機的通信服務，包括路由選擇和分組轉發，
• 常見協議：網際協議IP;網際控制報文協議ICMP;網 際組管理協議IGMP;地址決議協議ARP等，
• 協議資料單元： IP協議：IP分組或IP資料報，

(4)資料鏈路層的功能和協議

• 主要任務：向上層提供相鄰結點間的通信服務，包括 封裝成幀、尋址、差錯控制和媒體訪間控制等，
• 常見協議：以太網Ethernet協議、點對點PPP協議無線局域網WLAN協議等，
• 協議資料單元：幀

(5)物理層的功能和協議

• 主要任務：透明的傳輸位元流，
• 常見協議：與實際的傳輸媒體相關，在不同的傳輸媒 體上定義了不同的物理層協議，
• 協議資料單元：碼元(一個碼元可以理解為一個脈沖信號，一個碼元可以攜帶一位元資訊，也可以攜帶多位元資訊，也允許多個碼元一起攜帶一位元資訊，)

3.3 封裝和解封

逐層封裝的程序發生在發送資料時:
逐層解封的程序發生在接收資料時:

3.4 復用和分用

復用可以發生在多個層次， 在每層都有不同型別的識別符號，用于指明封裝的資訊屬于上層哪一個協議，

復用的程序發生在封裝時，

分用的程序發生在解封時，

4.控制平面與資料平面

分組交換網路的操作涉及兩種分組的處理：控制分組和資料分組，

• 控制：

  • 控制分組攜帶的資訊用來指導結點如何轉發資料；
  • 控制平面最重要的功能是路由選擇（此外還包括差錯報告、系統配詈和管理 以及資源的分配）

• 資料：

  • 資料分組則包括用戶程式要發送的資料，
  • 資料平面最重要的功能是分組轉發

傳統的計算機網路中，每臺分組交換設備都包括一個資料平面和一個控制平 面，因此，其控制平面是分布式的，
軟體定義網路SDN中的控制平面與資料平面是分離的，即分組交換設備上僅 具有資料平面，而控制平面位于一個邏輯上的集中式控制器中，因此，其控 制平面是集中式的，