概述

作者: 菜根小友 | 来源:发表于2019-04-05 18:15 被阅读0次

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1.3 因特网的组成

端系统（或主机）通过通信链路和分组交换机连接在一起，不同的链路以不同的速率传输数据，数据的传输速率以比特/秒度量（bit/s或bps）。当一台端系统要向另一台端系统发送数据时，发送端系统将数据分段，并为每段加上首部字节。由此形成的信息包用计算机网络的术语来说叫做分组。这些分组通过网络发送到目的端系统，在那里被装配成初始数据。

分组交换机从它的一条入通信链路接收到达的分组，并从它的一条出通信链路转发该分组。当今最著名的两种交换机：

路由器
链路层交换机

这两种类型的交换机朝着最终目的转发分组。链路层交换机通常用于接入网中，而路由器通常用于网络核心中。从发送端系统到接收端系统，一个分组所经历的一系列通信链路和分组交换机称为通过该网络的路径。

端系统通过因特网服务提供商（Internet Service Provider,ISP）接入因特网，包括如本地电缆或者电话公司那样的住宅区ISP、公司ISP、大学ISP，以及那些在机场、旅馆、咖啡店和其他公共场所所提供WIFI接入的ISP。每个ISP是一个由多个分组交换机和多段通信链路组成的网络。各ISP为端系统提供了各种不同类型的网络接入。因特网就是将端系统彼此互联，因此为端系统提供接入的ISP也必须互联。

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边缘部分
由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的。
核心部分
由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务

1.3.1 因特网的边缘部分

即连接在互联网上的所有主机，这些主机又称为端系统。

在网络边缘的端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：：

（1） 客户—服务器方式（C/S方式）

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在C/S中，有一个总是打开的主机叫服务器，它服务于来自许多其他称为客户的主机的请求。它有两个特点：

C/S中，客户之间互相不通信，例如，在Web应用中两个浏览器并不直接通信。
该服务器具有固定的，周知的地址，该地址称为IP地址。
在C/S应用中，常常会出现一台单独的服务器主机跟不上它所有的客户请求的情况。为此，配备大量主机的数据中心常被用于创建强大的虚拟服务器。

（2）对等方式（P2P方式）

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在P2P体系结构中，对位于数据中心的专用服务器有最小的（或者没有）依赖。相反，应用程序在间断连接的主机对之间使用直接通信，这些主机对被称为对等方。其最引人入胜的特性之一是它们的自扩展性。

1.3.2 因特网的核心部分

核心部分向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一台主机都能够向其他主机通信。

在网络核心部分起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机（但不叫做主机）。路由器是实现分组交换的关键构建，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分的最重要的功能。

交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源，交换方式有如下三种：

电路交换
先请求建立连接，即建立一条专用的物理通路，此连接保证了双方通话时所需的通信资源，而这些资源在双方通信时不会被其他用户占用。通话完毕后再释放连接。因此，这种方式分为三个步骤：
“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）
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。

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报文交换
分组交换
分组交换采用存储转发技术。在各种网络应用中，端系统彼此交换报文。报文能够包含协议设计者需要的任何东西。报文可以执行一种控制功能，也可以包含数据。为了从源端系统向目的端系统发送一个报文，源将长报文划分为较小的数据块，称之为分组。在源和目的之间，每个分组都通过通信链路和分组交换机（交换机主要有两类：路由器和链路层交换机）传送。分组以等于该链路最大传输速率的速度传输通过通信链路器。因此，如果某源端系统或分组交换机经过一条链路发送一个L比特的分组，链路的传输速率为R比特/秒，则传输该分组的时间为L/R秒。
多数分组交换机在链路的输入端使用存储转发传输机制。存储转发机制是指在交换机能够开始输出链路传输该分组的第一个比特之前，必须接收到整个分组。为了更为详细地探讨存储转发传输，考虑由两个经一台路由器连接的端系统构成的简单网络，如图所示，一台路由器通常有多条繁忙的链路，因为它的任务就是把一个入分组交换到一条出链路。在这个简单例子中，该路由器的任务相当简单：将分组从一条（输入）链路转换到另一条唯一的连接链路。

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这三种方式总结如下：

电路交换——整个报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。
报文交换——整个报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——单个分组（这只是整个报文的一部分）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

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从图中可以看出，如果要连续传送大量的数据，且传送时间远大于连接时间，则电路交换的传输速率较快。报文交换和分组交换不需要预先分配传输宽带，在传送突发数据时可以提高整个网络的信道利用率。由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。

1.5 计算机网络的类别

1.5.1 计算机网络的定义
1.5.2 几种不同类别的计算机网络

按照网络的作用范围进行分类

广域网
城域网
局域网
个人区域网

按照网络的使用者进行分类

公用网
专用网

用来把用户接入到互联网的网络

本地接入网/居民接入网

1.6 计算机网络的性能

1.6.1 计算机网络的性能指标
下面介绍常用的七个性能指标：

速率（b/s或bps）
网络中的速率指的是数据的传送速率，也称为数据率或比特率，单位是b/s或bps。当数据率较高时：
k(kilo)=10^3=千
M(Mega)=10^6=兆
G(Giga)=10^9=吉
T(Tera)=10^12=太
另外要注意的是，提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，而非网络实际上运行的速率。
带宽(b/s)
带宽本来是指某个信号具有的频带宽度。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。
吞吐量
表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际的数据量。
时延
时延是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。
- 发送时延
  发送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。
  发送时延=数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s）
- 传播时延
  是电磁波在信道中传播一定的距离要花费的时间，公式是：
  传播时延=信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速率（m/s）
- 处理时延
  检查分组首部和决定将分组导向何处所需要的时间是处理时延的一部分。处理时延也能包括其他因素，比如检查比特级差错所需要的时间，该差错出现在上游结点向路由器A传输这些比特分组的过程中。
- 排队时延
  在队列中，当分组在链路上等待传输，它经受排队时延。

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延（排出传发）

传输时延和传播时延的比较
- 传输时延是路由器将分组推出所需要的事件，是分组长度/链路传输速率
- 传播时延是一个比特从一台路由器向另一台路由器传播所需要的时间，它是两台路由器之间的距离/传输速率。
  
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时延带宽积
时延带宽积=传播时延×带宽
又称为以比特为单位的链路长度。

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往返时间RTT
在很多情况下，互联网上的信息不仅仅是单方向传输而是双向交互的。因此，我们有时候很需要知道双向交互一次所需的时间。
利用率
- 信道利用率
  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。信道利用率并非越高越好。因为根据排队的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。
- 网络利用率
  全网络的信道利用率的加权平均值。
  信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延。
  
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1.6.2 计算机网络的非性能指标

1.7 计算机网络体系结构

1.7.1 计算机网络体系结构的形成
1.7.2 协议与划分层次
例如，在两台物理上连接的计算机中，硬件实现的协议控制了在两块网络接口卡间的“线上”的比特流；在端系统中，用拥塞控制协议控制了在发送方和接收方之间的传输分组发送的速率。

一个协议定义了在两个多个通信实体之间交换的报文格式和次序，以及报文发送和/或接收一条报文或其他事件所采取的动作
网络协议主要由以下三个要素组成：

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

1.7.3 具有五层协议的体系结构

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应用层
通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互规则。我们将应用层交互的数据单元称为报文。
运输层
负责两个主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。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。复用就是多个应用进程可同时使用下面运输层的服务，分用与复用相反，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。
运输层主要使用以下两种协议：
- 传输控制协议TCP——提供面向连接的、可靠的数据传输服务，数据传输的单位是报文段。
- 用户数据报协议UDP——提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务，其数据传输的单位是用户数据报。
网络层
为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报，或简称数据报。
无论在哪一层传送的数据单元，都可笼统地用分组表示。
数据链路层
数据链路层常常简称为链路层。两台主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的，这就需要专门的链路层协议。在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，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）。
物理层
物理层上所传数据单位是比特。发送方发送1（或0）时，接收方应当收到1（或0）而不是0（或1）。因此物理层要考虑多大的电压代表“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条引脚应当如何连接。

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