计算机 络概述
- 计算机 络在信息时代的作用；
- 互联 的概述；
- 互联 组成的边缘部分和核心部分；
- 计算机 络的性能指标；
- 计算机 络的体系结构。
重要内容：
- 互联 边缘部分和核心部分的作用，其中包含分组交换的概念；
- 计算机 络的性能指标；
- 计算机 络分层次的体系结构，包含协议和服务的概念。
21世纪的一些重要特征就是数字化、 络化和信息化，它是一个以 络为核心的信息时代。有三大类大家很熟悉的 络，即电信 络、有线电视 络和计算机 络。
按照最初的服务分工，电信 络向用户提供电话、电 及传真等服务。有线电视 络向用户传送各种电视节目。计算机 络则使用户能够在计算机之间传送数据文件。
随着技术的发展，电信 络和有线电视 络都逐渐融入了现代计算机 络的技术，扩大了原有的服务范围，而计算机 络也能够向用户提供电话通信、视频通信以及传送视频节目的服务。从理论上讲，把上述三种 络融合成一种 络就能够提供所有的上述服务，这就是很早以前就提出来的“三 融合”。
自从20世纪90年代以后，以Internet为代表的计算机 络得到了飞速的发展，从最初的仅供美国人使用的免费教育科研 络，逐步发展成为供全球使用的商业 络（有偿使用），成为全球最大的和最重要的计算机 络。可以毫不夸大地说，Internet是人类自印刷术发明以来在存储和交换信息的领域中的最大变革。
Internet的两种中文译名：
- 因特 ，这个译名是全国科学技术名词审定委员会推荐的。虽然”因特 “较为准确，但却长期没有得到推广。
- 互联 ，是目前流行最广、事实上的标准译名。且Internet是由数量极大的各种计算机 络互连起来的，采用互联 这个译名能够体现出Intermet最主要的特征。
有时，我们往往使用更加简洁的方式表示互联 ，这就是只用一个“ ”字。例如，“上 ”就是表示使用某个电子设备连接到互联 ，而不是连接到其他的 络上。还有如 民、 吧、 银、 购等。这里的“ ”都是指当今世界上最大的计算机 络Internet——互联 。
互联 之所以能够向用户提供许多服务，就是因为互联 具有两个重要基本特点，连通性和共享。
计算机 络、互连 、互联
计算机 络由若干结点和连接这些结点的链路组成。
结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。
互连 就是计算机 络之间通过路由器互连起来，构成一个覆盖范围更大的计算机 络；也就是 络的 络。
计算机 络将许多计算机连接在一起，而互连 把许多 络通过路由器连接在一起，与 络相连的计算机通常称为主机。
互联 基础结构发展的三个阶段
第一阶段是从单个 络ARPANET向互连 发展的过程。
- internet（互连 ）是一个通用名词，它泛指由多个计算机 络互连而成的计算机 络。在这些 络之间的通信协议（即通信规则）可以任意选择，不一定非要使用TCP/IP协议。
- Internet（互联 ，或因特 ）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多 络相互连接而成的特定互连 ，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。
任意把几个计算机 络互连起来（不管采用什么协议），并能够相互通信，这样构成的是一个互连 （internet），而不是互联 （Intermet）。
第二阶段是建成了三级结构的互联 。
第三阶段是逐渐形成了多层次ISP结构的互联 。
从1993年开始，由美国政府资助的NSFNET逐渐被若干个商用的互联 主干 替代，而政府机构不再负责互联 的运营。所以，出现了一个新的名词：互联 服务提供者ISP。在许多情况下，ISP就是一个进行商业活动的公司，因此ISP又常译为互联 服务提供商。例如，中国电信、中国联通和中国移动等公司。
根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分为不同层次的ISP：主干ISP、地区ISP和本地ISP。
本地ISP给用户提供直接的服务（这些用户有时也称为端用户，即末端的用户）。
本地ISP可以连接到地区ISP，也可直接连接到主干ISP。
互联 交换点IXP能更快地转发分组，更加有效地利用 络资源，从而应对互联 上数据流量的急剧增长。IXP的主要作用是允许两个 络直接相连并交换分组，典型的IXP由一个或多个 络交换机组成，许多ISP再连接到这些 络交换机的相关端口上。IXP常采用工作再数据链路层的 络交换机，这些 络交换机都用局域 互连起来。
互联 已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机 络，由欧洲原子核研究组织开发的万维 WWW被广泛使用在互联 上，很大程度地方便了广大非 络专业人员对 络的使用。
互联 的标准化工作
1992年互联 不再归美国政府管辖，成立了一个国际性组织为互联 协会（简称ISOC），以便对互联 进行全面管理以及在全世界范围内促进其发展和使用。
所有的互联 标准都是以RFC的形式在互联 上发表的，RFC(Request For Comments)意为“请求评论”，所有的RFC文档都可从互联 上免费下载[W-RFC]。
但并非所有的RFC文档都是互联 标准。互联 标准的制定往往要花费漫长的时间，并且是一件非常慎重的工作。只有很少部分的RFC文档最后能变成互联 标准。RFC文档按发表时间的先后编上序 （即RFCxxxx，这里的xxxx是阿拉伯数字）。一个RFC文档更新后就使用一个新的编 ，并在文档中指出原来老编 的RFC文档已成为陈旧的或被更新，但陈日的RFC文档并不会被删除，而是永远保留着，供用户参考。
现今制定互联 的正式标准要经过以下三个阶段：
- 互联 草案—一互联 草案的有效期只有六个月。在这个阶段还不能算是RFC文档。
- 建议标准——从这个阶段开始就成为RFC文档。
- 互联 标准——达到正式标准后，每个标准就分配到一个编 STDxx。一个标准可以和多个RFC文档关联。
原先的互联 标准审定过程必须经过三个阶段，即建议标准——草案标准——互联 标准。
由于“草案标准”容易和“互联 草案”混淆，从2011年10月起取消了“草案标准”这个阶段[RFC6410]。这样，现在制定互联 标准的过程变为两个阶段，即建议标准→互联 标准。
RFC文档的数量很大，为便于查找，应利用其索引文档“RFC INDEX”[W-RFCX]。
? RFC Editor (rfc-editor.org)
互联 的组成
从互联 的工作方式划分：
- 边缘部分由所有连接在互联 上的主机组成。这部分是用户直接使用的，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 络和连接这些 络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。
1、边缘部分：
”计算机之间通信“，我们说：“主机A和主机B进行通信”，实际上是指：“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。由于“进程”就是“运行着的程序”，因此这也就是指：“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。
计算机 络边缘部分的端系统之间的通信方式：
1）客户——服务器方式（C/S方式）
客户和服务器都是指通信过程中涉及的两个计算机进程；C/S方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。
服务请求方和服务提供方都要使用 络核心部分所提供的服务。
客户程序：
- 被用户调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序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：
- 是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
- 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。
- 一般需要有强大的硬件和高级的操作系统支持。
客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据。
2）对等连接方式（P2P方式）
两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方。只要两台主机都运行了对等连接软件（P2P软件），它们就可以进行平等的、对等连接通信。此时，双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。
2、核心部分：
计算机 络的核心部分是互联 中最复杂的部分，因为核心部分要实现边缘部分中大量主机的连通性，使边缘部分的任何一台主机都能够与其他主机通信。
在核心部分中，起到重要作用的是路由器，路由器是一种特殊的计算机（但不称作主机）。路由器实现的是分组转换，其任务就是转发收到的分组。
交换从通信资源的分配来说，就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
电路交换，就是必须经过”建立连接“（占用通信资源）>>“通话”（一直占用通信资源）>>”释放连接“（归还通信资源）三个步骤的交换方式。需要创建一条物理通路。
电路交换的一个重要特点就是在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。
当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的。
分组交换
- 分组交换采用存储转发技术。
- 通常把要发送的整块数据称为一个 文；
- 在发送 文之前，先把较长的 文划分成为一个个更小的等长数据段；
- 在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组。
- 分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”。
- 分组是在互联 中传送的数据单元。
分组中的“首部”是非常重要的，正是由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在互联 中独立地选择传输路径，并被正确地交付到分组传输的终点。
互联 的核心部分是由许多 络和把它们互连起来的路由器组成的。
位于 络边缘的主机和位于 络核心部分的路由器都是计算机；主机是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过 络交换信息。路由器则是用来转发分组的，即进行分组交换的。
分组交换 >>> 路由器收到一个分组，先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器。这样一步一步地（有时会经过几十个不同的路由器）以存储转发的方式，把分组交付最终的目的主机。各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息，以便创建和动态维护路由器中的转发表，使得转发表能够在整个 络拓扑发生变化时及时更新。
络拓扑_百度百科 (baidu.com)
六种基本 络拓扑结构 – 知乎 (zhihu.com)
路由器暂时存储的是一个个短分组，而不是整个的长 文。短分组是暂存在路由器的存储器（即内存）中而不是存储在磁盘中的。
互联 可以同时容许非常多的主机同时进行通信，而一台主机中的多个进程（即正在运行中的多个程序）也可以各自和不同主机中的不同进程进行通信。
为了提高分组交换 的可靠性，互联 的核心部分常采用 状拓扑结构，使得当发生 络拥塞或少数结点、链路出现故障时，路由器中运行的路由选择协议能够自动找到转发分组最合适的路径，灵活地改变转发路由而不致引起通信的中断或全 的瘫痪。
分组交换的优点：
高效|在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用
灵活|为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
迅速|以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
可靠|保证可靠性的 络协议；分布式多路由的分组交换 ，使 络有很好的生存性缺点：
分组在各路由器存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
由于分组交换不像电路交换那样通过建立连接来保证通信时所需的各种资源，因而无法确保通信时端到端所需的带宽。
各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销。
电路交换一—整个 文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送
文交换——整个 文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点
分组交换一一单个分组传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点
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。
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 络的信道利用率。
由于一个分组的长度往往远小于整个 文的长度，因此分组交换比 文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。
计算机 络的类别
按照 络的作用范围进行分类：广域 WAN、城域 MAN、局域 LAN、个人区域 PAN。
用来把用户接入到互联 的 络：接入 AN （本地接入 、居民接入 ）
原本用户必须通过ISP才能接入到互联 。但由于从用户家中接入到互联 可以使用的技术有许多种，因此就出现了可以使用多种接入 技术连接到互联 的情况。
接入 本身既不属于互联 的核心部分，也不属于互联 的边缘部分。接入 是从某个用户端系统到互联 中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种 络。从覆盖的范围看，很多接入 还属于局域 。从作用上看，接入 只是起到让用户能够与互联 连接的“桥梁”作用。
计算机 络的性能
1）速率
络技术中的速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率或比特率。
速率的单位是bit/s（比特每秒）（或b/s，有时也写为bps，即bit per second）。
k（kilo） =10^3 =千，
M（Mega）=10^6 =兆，
G（Giga） =10^9 =吉，
T（Tera） =10^12=太，
P（Peta） =10^15=拍，
E（Exa） =10^18=艾，
Z（Zetta） =10^21=泽，
Y（Yotta） =10^24=尧。
当提到 络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，而并非 络实际上运行的速率。
2）带宽
带宽有两种的意义：
- 带宽本来是指某个信 具有的频带宽度。信 的带宽是指该信 所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
在过去很长的一段时间，通信的主干线路传送的是模拟信 （即连续变化的信 ）。因此，表示某信道允许通过的信 频带范围就称为该信道的带宽。 - 在计算机 络中，带宽用来表示 络中某通道传送数据的能力；
因此 络带宽表示在单位时间内 络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位就是数据率的单位bit/s，是“比特每秒”。
前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。
3）吞吐量
吞吐量表示在单位时间内通过某个 络（或信道、接口）的实际的数据量。
4）时延
时延（延迟或迟延）是指数据（一个 文或分组，甚至比特）从 络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。
发送时延（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
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。
电磁波在自由空间的传播速率是光速，即3.0×10km/s。电磁波在 络传输媒体中的传播速率比在自由空间要略低一些：在铜线电缆中的传播速率约为2.3x105km/s，在光纤中的传播速率约为2.0×10km/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 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 的发送速率无关。信 传送的距离越远，传播时延就越大。
处理时延
主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等等。
排队时延
分组在经过 络传输时，要经过许多路由器，但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。
排队时延的长短往往取决于 络当时的通信量。当 络的通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大。
一般说来，小时延的 络要优于大时延的 络。在某些情况下，一个低速率、小时延的 络很可能要优于一个高速率但大时延的 络。
对于高速 络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。荷载信息的电磁波在通信线路上的传播速率（这是光速的数量级）取决于通信线路的介质材料，而与数据的发送速率并无关系。提高数据的发送速率只是减小了数据的发送时延。
数据的发送速率的单位是每秒发送多少个比特，这是指在某个点或某个接口上的发送速率。而传播速率的单位是每秒传播多少公里，是指在某一段传输线路上比特的传播速率。因此，通常所说的“光纤信道的传输速率高”是指可以用很高的速率向光纤信道发送数据，而光纤信道的传播速率实际上还要比铜线的传播速率略低一点。
5）时延带宽积（以比特为单位的链路长度）
时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
6）往返时间RTT
在互联 通信中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。
7）利用率
利用率有信道利用率和 络利用率两种。信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。 络利用率则是全 络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。
利用率的数值在0到1之间。当 络的利用率达到其容量的1/2时，时延就要加倍。
当 络的利用率接近最大值1时， 络的时延就趋于无穷大。
信道或 络的利用率过高会产生非常大的时延。
计算机 络体系结构
连接在 络上的两台计算机之间要相互传送文件要解决一些问题；
- 在这两台计算机之间必须有一条传送数据的通路。
- 发起通信的计算机必须保证数据通信的通路能将要传送的计算机数据能在这条通路上正确发送和接收。
- 要告诉 络如何识别接收数据的计算机。
- 发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已开机，并且与 络连接正常。
- 发起通信的计算机中的应用程序必须弄清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好接收文件和存储文件的准备工作。
- 若计算机的文件格式不兼容，则至少其中一台计算机应完成格式转换功能。
- 对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或丢失， 络中某个结点交换机出现故障等，应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够收到正确的文件。
- 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行。
1974年，美国的IBM公司宣布了系统 络体系结构 SNA。这个著名的 络标准就是按照分层的方法制定的，它将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。
1977年，国际标准化组织ISO成立了专门机构研究该问题。他们提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成 的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference Model），简称为OSI。OSI/RM是个抽象的概念。
在1983年形成了开放系统互连基本参考模型的正式文件，即著名的ISO7498国际标准，也就是所谓的七层协议的体系结构。
按照一般的概念， 络技术和设备只有符合有关的国际标准才能大范围地获得工程上的应用。但现在情况却反过来了。得到最广泛应用的不是法律上的国际标准OSI，而是非国际标准TCP/IP。这样，TCP/TP就常被称为是事实上的国际标准。从这种意义上说，能够占领市场的就是标准。在过去制定标准的组织中往往以专家、学者为主。
协议与划分层次
在计算机 络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。这里所说的同步不是狭义的，而是广义的，即在一定的条件下应当发生什么事件。
络协议（简称协议）：为进行 络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
络协议三要素：
- 语法，即数据与控制信息的结构或格式
- 语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
- 同步，即事件实现顺序的详细说明。
只要我们想让连接在 络上的另一台计算机做点什么事情（例如，从 络上的某台主机下载文件），我们都需要有协议。但是当我们经常在自己的个人电脑上进行文件存盘操作时，就不需要任何 络协议，除非这个用来存储文件的磁盘是 络上的某个文件服务器的磁盘。
协议有两种不同的形式：
一种是使用便于人来阅读和理解的文字描述。
一种是使用让计算机能够理解的程序代码。
这两种不同形式的协议都必须能够对 络上的信息交换过程做出精确的解释。
计算机 络的各层及其协议的集合就是 络的体系结构。换种说法，计算机 络的体系结构就是这个计算机 络及其构件所应完成的功能的精确定义。
体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。
五层协议的体系结构
1）应用层
应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定 络应用。
应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。（进程就是指主机中正在运行的程序）
应用层交互的数据单元称为 文。
对于不同的 络应用需要有不同的应用层协议。在互联 中的应用层协议很多，如域名系统DNS，支持万维 应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议，等等。
2）运输层
运输层的任务就是负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。
应用进程利用该服务传送应用层 文。
“通用的”，是指并不针对某个特定 络应用，而是多种应用可以使用同一个运输层服务。
由于一台主机可同时运行多个进程，因此运输层有复用和分用的功能。
复用就是多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务。
分用则与复用相反，是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。
运输层主要使用两种协议：
- 传输控制协议TCP——提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是 文段。
- 用户数据 协议UDP——提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），其数据传输的单位是用户数据 。
3） 络层
络层负责为分组交换 上的不同主机提供通信服务。
络层的另一个任务就是要选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组，能够通过 络中的路由器找到目的主机。
在发送数据时， 络层把运输层产生的 文段或用户数据 封装成分组或包进行传送。
在TCP/IP体系中，由于 络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据 ，或简称为数据 。
（不要将运输层的“用户数据 UDP”和 络层的“IP数据 ”弄混。）
（无论在哪一层传送的数据单元，都可笼统地用“分组”来表示。）
互联 是由大量的异构 络通过路由器相互连接起来的。互联 使用的 络层协议是无连接的 际协议IP和许多种路由选择协议，因此互联 的 络层也叫做 际层或IP层。
4）数据链路层
在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将 络层交下来的IP数据 组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）
5）物理层
在物理层上所传送的数据单位是比特。
物理层要考虑用多大的电压代表“1”或“0”，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。
物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各引脚应如何连接。
OSI参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元PDU。
应用进程数据要经过复杂的过程才能送到终点的应用进程，但这些复杂过程对用户来说，却都被屏蔽掉了，以致应用进程觉得好像是直接把数据交给了目标应用进程。用户就觉得是把数据（即数据单元加上控制信息）通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的“对等层”之间的通信。
结点(node)、链路(link)、主机(host)、ISP(Internet Service Provider)、 文（message）、分组（packet）、首部（header）、协议（protocol）、数据率（data rate）、比特率（bit rate）、吞吐量（throughput）、异构（heterogeneous）、路由器（router）、帧（frame）
参考文献
谢希仁. 计算机 络[M]. 第七版. 北京:电子工业出版
文章知识点与官方知识档案匹配，可进一步学习相关知识 络技能树跨区域 络的通信学习 络层的作用22094 人正在系统学习中
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