計算機網路概論

計算機網路的定義

定義

計算機網路（Computer Network）可以定義為由通信信道連接的主機和網路設備的集合，

因特網術語“主機(host)”或稱為“端系統(end system)”：指計算機網路中傳統和非傳統的計算機，

計算機網路中的“計算機”是自治的，

計算機網路最主要的特征是通用性，

網路的組成

網路（network）是由若干結點（node）和連接這些結點的鏈路（link）組成的，

構成網路的所有物體都可以抽象為兩種基本構件：

• 結點（node）：計算設備（端系統、中間結點）
• 鏈路（link）：物理媒體（路徑、跳）

構建網路的三種方式：

1. 直接連接 （適合少量端系統聯網）
2. 網路(云) （適合大量端系統聯網）
3. 網路(云)互聯 （適合大量端系統聯網）

直連網路

直接連接的網路：由某種物理媒體直接連接所有端系統而組成，

直接連接的網路分類：

• 點到點鏈路（point-to-point link）：物理鏈路僅與一對結點相連
• 多路訪問鏈路（multiple access）：多結點共享同一物理鏈路

網路云

網路云：每個端系統都通過通信鏈路與交換結點相連，

中間結點：能夠將一條鏈路接收到的資料轉發到另一條鏈路上的連接設備

交換結點形成了交換網（采用分組交換技術），交換網可視為一朵網路云，

網路云抽象地將網路云內部結點和網路云外部結點分開，

其實，可以用網路云表示任何型別的網路，

網路云互聯

網路云互相連接，構成網路的網路，即互聯網（internet），

因特網和互聯網

因特網（Internet）是世界上最大的互聯網，它的前身是 ARPANET，
由網路云互聯構建的網路稱為互聯網（internet），

因特網（Internet）和互聯網（internet）的對比：
相同之處：

1. 它們都是網路的網路，只不過因特網是這種型別的一個具體實體，而互聯網則是泛指這種型別

不同之處：

1. 因特網特指遵循 TCP/IP 標準、利用路由器將各種計算機互連起來而形成的、覆寫全球的、特定的互聯網；而互聯網則泛指由多個不同型別計算機網路互連而成的網路
2. 因特網是一個專有名詞，互聯網是一個通用名詞

網路服務

聯網的端系統中的網路應用程式通過相互協作，向用戶提供有用的網路功能——網路服務，

應用程式運行在端系統上，而不是交換機和路由器上，

為了支持因特網應用程式的開發，端系統中的現代作業系統通常都定義了兩種編程介面，如下圖：

因特網的結構

因特網的結構如下：

• 網路邊緣：端系統（與其上的應用）
• 網路核心：路由器（網路的網路）
• 接入網：連接兩者的通信鏈路

因特網的結構特點：邊緣智能，核心簡單，
將復雜的網路處理功能置于網路邊緣，相對簡單的分組交付功能置于網路核心，

因特網邊緣

由所有連接在因特網上的端系統組成，

在網路邊緣的端系統中運行的程式之間的通信方式通常可劃分為兩大類：

• 客戶服務器方式（C/S 方式）
• 對等方式（P2P 方式）

C/S 方式

客戶（client）和服務器（server）都是指通信中所涉及的兩個應用行程，
客戶是服務的請求方，服務器是服務的提供方，

P2P 方式

兩個主機都可以運行對等連接軟體（P2P 軟體），

雙方都可以下載對方已經存盤在硬碟中的共享檔案，

端系統中的程式起著客戶和服務器的雙重作用，

因特網核心

由互聯端系統的分組交換設備和通信鏈路構成的網狀網路，

這部分是為邊緣部分提供連通性和交換服務，

由大量網路和連接這些網路的路由器組成，如下圖：

路由器的任務：接收分組、路由選擇、轉發分組

路由器采用分組交換

端系統通常經過接入某個因特網服務提供者 ISP（Internet Service Provider），與因特網相連

因特網是網路的網路，大致為分層的 ISP 等級結構，

最中心：第一層 ISP（tier-1 ISP）
全球最高級別 ISP ，互不結算
tier-1 ISP 是指僅通過其免費的對等協議訪問整個互聯網區域的 ISP，并且它不向到達的互聯網區域的任何目的地的任何人支付中轉費用，
在中國，中國電信和中國聯通是 Tier-1 ISP，

兩個同層的 ISP 直接連接，互視為對等，

在 ISP 的結構中，某個 ISP 與其他 ISP（無論它是上級、下級或同級）的連接點，被稱為因特網交換點（IXP，Internet eXchange Point），它可以是一個或多個交換設備，用來交換 Internet 流量，

第二層 ISP（tier-2 ISP）
可以建立自己的網路以便和其他網路互連并構成 Internet 的一部分，但是它們還必須要向 Tier-1 ISP 付費以便訪問互聯網的其他一些區域，在中國，比如教育網、中國移動等屬于 Tier-2 ISP，它們有自己的網路，但是又需要支付一定的費用以便訪問互聯網的其他區域，

本地 ISP
最靠近用戶，它們完全購買流量以訪問互聯網，

接入網

接入網是連接端系統和路由器的通信鏈路，

注：邊緣路由器是端系統 Host 去往任何其他遠程端系統的路徑上的第一臺路由器，

幾種不同型別的接入鏈路：

• 撥號接入
• DSL 接入
• 混合光纖同軸電纜
• 光纖接入
• 無線接入
• 以太網接入

協議分層與服務模型

協議

協議：為進行網路中的資料交換而建立的規則、標準或約定即稱為網路協議，簡稱協議，

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結構或格式；
  即：協議的語法方面的規則定義了所交換的資訊的格式
• 語意：即需要發出何種控制資訊，完成何種動作以及做出何種回應；
  即：協議的語意方法的規則定義了發送者或接收者所要完成的操作
• 同步：即事件實作順序的詳細說明

100%可靠的協議是不存在的，

體系結構

計算機網路各層及其協議的集合稱為體系網路的體系結構（architecture），即計算機網路及其部件所應完成的功能的精確定義，

實作（implementation）是指遵循這種體系結構的前提下，用何種硬體或軟體實作這些功能，

體系結構是抽象的，而實作則是具體的，是真正在運行的計算機硬體和軟體，

物體

表示任何可以發送或接收資訊的硬體或軟體行程，

協議與服務

協議是控制兩個對等物體進行通信的規則的集合，

在協議的控制下，兩個對等物體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務，要實作對等物體間的通信，還需要使用下面一層所提供的服務，

（N）層如何提供（N）服務：

1. 在（N）層中執行的某些功能
2. 與（N）層的對等層進行互動得到的功能
3. 使用（N-1）層提供的服務

并非在（N）層內完成的全部功能都能被稱為服務，只有那些能夠被（N+1）層看得見的功能才能稱為“服務”，

（N）服務的用戶只能看見（N）服務，看不見（N）協議，即：（N）協議對上面的（N+1）物體是透明的，

服務原語：在同一開放系統中，（N+1）物體向 N 物體請求服務時，服務用戶和服務提供者之間要進行互動，互動資訊稱為服務原語，

服務原語只有4種型別，四種基本原語：

• 請求（Request） 用戶物體要求服務做某項作業 源（N+1)物體—>源（N）物體
• 指示（Indication） 用戶物體被告知某事件發生 目的（N）物體—>目的（N+1)物體
• 回應（Response） 用戶物體表示對某事件的回應 目的（N+1)物體—>目的（N）物體
• 確認（Confirm） 用戶物體收到關于它的請求的答復 源（N）物體—>源（N+1）物體

注意：
協議是“水平”的，即協議是控制對等物體之間通信的原則；
服務是“垂直”的，即服務是由下層向上層通過層間介面提供的，

協議資料單元 PDU

PDU：指在不同端點中各層對等物體之間，為實作該層協議交換的資料單元，
PCI：協議控制資訊，即報文

N 層 PDU = N 層 PCI +（N+1）層 PDU

服務資料單元 SDU

SDU：指（N）物體為完成（N+1）物體所請求的功能，所需要的資料單元，上下層之間交換的資料單元，

體系結構的兩種標準

法律上的國際標準 OSI 并沒有得到市場的認可
非國際標準的 TCP/IP 現在獲得了最廣泛的應用
TCP/IP常被稱為是事實上的國際標準

OSI 模型

國際標準化組織（ISO）所定義的計算機互聯方法的體系結構稱為開放系統互聯（OSI），我們學習的結構一般不是 OSI 的體系結構，如下圖：

TCP/IP 模型

一般學校的教學都采用 TCP/IP 的模型，

TCP/IP 一開始就考慮到多種異構網的互連問題，一開始就對面向連接服務和無連接服務并重，
TCP/IP 有較好的網路管理功能，

TCP/IP 協議堆疊

其實：
TCP/IP 并沒有嚴格分層，有不少跨越分層規定的設計，

各層資料傳送單位

物理層的 PDU 是位元流
資料鏈路層的 PDU 叫資料幀
網路層的 PDU 叫 IP 資料報
運輸層、應用層的 PDU 都可以叫報文

各層傳輸的資料單元一般也都可用“分組”來表示，

端到端原則

端到端原則：如果在較高層能夠完善地實作某種功能，就無需再由較低層提供這種功能，

核心簡單，邊緣智能

分組交換網的性能指標（重點）

速率

位元（bit）是資訊論中使用的資訊量的單位，表示資訊的最小單位，一個位元就是二進制數字中的一個 1 或 0.

速率即資料率或位元率，單位是 b/s（或者 bit/s，有時也寫 bps），

通信領域中，當資料率較高時，可以使用以下單位：

• 千比每秒，即 kb/s（10³ b/s）
• 兆比每秒，即 Mb/s（10⁶ b/s）
• 吉比每秒，即 Gb/s（10⁹ b/s）
• 太比每秒，即 Tb/s（10¹²b/s）

計算機中的資料量通常用位元組為單位：

• 千位元組，即 KB（2¹⁰B）
• 兆位元組，即 MB（2²⁰B）
• 吉位元組，即 GB（2³⁰B）
• 太位元組，即 TB（2⁴⁰B）

注：1B = 8bit

PS：這幾個單位換算一定要記住…

帶寬

計算機網路中，“帶寬”指資料在鏈路上的發送速率，習慣上作為資料通過網路傳送的最高速率的同義語，

單位是“位元每秒”（b/s）（或 kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s）

注意：提高帶寬不是指增大某個時刻同時發送出去的位元數目！！！

提高帶寬是指在提高了一個時間段內發送到信道上的位元量，由此，帶寬是指資料在信道上的發送速率，

吞吐量

吞吐量（throughput）表示在單位時間內，無差錯地通過某個網路（或信道、介面）的資料量，
吞吐量更經常地用于對現實世界網路的一種測量，以便知道實際上到底有多少資料量能夠通過網路，
吞吐量受網路的帶寬或網路的額定速率的限制，

瓶頸鏈路：路徑中可用帶寬最小的鏈路
可用帶寬：帶寬與干擾流量之差

吞吐量不僅取決于沿途各路徑的可用帶寬，而且還會受干擾流量的影響，取決于端到端路徑上的最下可用帶寬，

時延

單向時延：定義為一個分組從網路的一端傳到另一端所需要的時間，
往返時延 RTT：指一個分組從網路路徑的一端傳到另一端，并且回傳確認所需要的時間，或者說從發送方發送資料開始，到發送方收到來自接收方的確認，總共經歷的時間，

分組從源結點出發，經過一系列中間結點，到達目的端，分組在沿途的每個結點都經歷了以下幾種型別的時延：

• 傳播時延
• 傳輸時延（發送時延）
• 處理時延
• 排隊時延

總時延 = 發送時延 + 傳播時延 + 處理時延 + 排隊時延

傳播時延（重點）

電磁波在信道中傳播一定的距離而花費的時間，

傳 播 時 延 = 信 道 長 度 （ 米 ） 信 號 在 信 號 上 的 傳 播 速 率 （ 米 / 秒 ） 傳播時延 = \dfrac{信道長度（米）}{信號在信號上的傳播速率（米/秒）} 傳播時延=信號在信號上的傳播速率（米/秒）信道長度（米）?

發送時延（重點）

發送時延（也稱傳輸時延）：資料塊從結點進入到傳輸媒體所需要的時間，或者說從資料塊的第一個位元開始發送算起，到最后一個位元發送完畢所需的時間，

發 送 時 延 = 數 據 塊 長 度 （ 比 特 ） 帶 寬 （ 比 特 / 秒 ） 發送時延 = \dfrac{資料塊長度（位元）}{帶寬（位元/秒）} 發送時延=帶寬（比特/秒）數據塊長度（比特）?

在高帶寬鏈路上，位元應該跑得更快一些，對嗎？
不對！高帶寬意味著提高了資料發送速率而不是位元在鏈路上的傳播速率，
承載資訊的電磁波在鏈路上的傳播速率與資料的發送速率無關，當帶寬或發送速率提高后，位元在鏈路上向前傳播的速率并沒有提高，只是每秒鐘注入到鏈路的位元數增加了，如下圖：

用戶感覺傳輸用的時間少了，是因為帶寬越高，資料的發送時延越小，

常說的“速率提高”就體現在單位時間內發送到鏈路上的位元數增多了，而不是位元在鏈路上跑得更快，

處理時延

處理時延通常只有幾個微秒或者更少，路由器在收到分組時要花費一定的時間進行處理：

• 分析分組的首部
• 提取分組的資料部分
• 差錯檢驗
• 查找路由

排隊時延

排隊時延通常是微秒級到毫秒級，

• 排隊時延指結點快取佇列中分組排隊所經歷的時延
• 排隊時延的長短往往取決于網路中當時的通信量

分組在路由快取中排隊

• 分組到達鏈路的速率超過輸出鏈路能力導致分組排隊
• 分組在快取中排隊等待交換，排隊過多則丟包

時延帶寬積（重點）

時延帶寬積 = 傳播時延 * 帶寬

表示發送端連續發送資料，當在發送的第一個位元即將到達終點時，發送端已經發送到鏈路上的位元量，代表某一鏈路所能容納的位元數，
鏈路的時延帶寬積又稱為位元為單位的鏈路長度，

丟包率

丟包率是指在一定的時間段內，在兩結點之間傳輸程序中丟失分組的數量與總的分組發送數量的比率，

無堵塞時為0%，輕度堵塞為1 ~ 4%，嚴重堵塞為5 ~ 15%

網路丟包主要原因：路由器無法容納到達的分組，只能丟棄（drop），
注：在基于光纖的現代網路中通常可以忽略因其他情況引起的丟包，

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