计算机网络在信息时代的作用

要实现信息化就必须依靠完善的网络，因为网络可以非常迅速地传递信息，网络现在已经成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。 网络对社会和经济社会发展的很多方面产生了不可估量的影响。比如移动支付，在线订票等。

二十世纪九十年代以后以Internet为代表的计算机网络得到飞速发展。可以毫不夸张地说，Internet是人类自印刷术发明以来在存储和交换信息领域的最大变革。

什么是互联网呢？

全球最大的，开放的，由众多网络相互连接而成的计算机网络

注意：以大写字母I开头的Internet（互联网）是专有名词，它指全球最大的，开放的，由众多网络相互连接而成的计算机网络
小写的internet是用通用名词互连网，范指由多个计算机连接而成的通用网络或者许多网络通过路由器连接起来，与网络相连的计算机成为主机。

互联网有什么用呢？

互联网的应用非常多，比如网上聊天，打游戏，移动支付等等

为什么互联网能为用户提供许多服务

因为互联网具有两个重要的特性，连通性和共享性
所谓连通性就是不管相距多远都可以以非常便宜的价格交换各种信息
所谓共享性，就是可以信息共享，软件共享，硬件共享等。硬件共享现在比较流行的两个应用云计算，云储存等、

互联网基础结构发展的三个阶段

第一个阶段：

单个网络ARPANET(阿帕网)向互连网发展的过程
1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议，因为人们把1983年称为互联网诞生的时间。

第二阶段：

建成了三级结构的互联网。它是一个三级计算机网络，分为主干网，地区网和校园网。

第三个阶段：

逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网，ISP（Internet Service Provider） 互联网服务提供商。比如中国移动，中国电信等。后来人们研究如何更加经济的利用网络资源于是 互联网交换点IXP（Internet eXchang pointer） 就诞生了，主机A和主机B交换分组时就不必在经过最上层的主干ISP了。

所谓上网就是指通过ISP获得ip地址接入互联网。

互联网标准化的工作

互联网在置顶其标准上很有特色，其中一个特色就是面向公众。所有互联网标准都是以RFC的形式在互联网上发表的。RFC（Request for comments）意思是请求评论
制定互联网的正式标准要经过以下三个阶段
1）互联网草案——有效期6个月，这一阶段还不能算是RFC文档
2）建议标准—— 正式成为RFC文档
3）互联网标准—— 经过长期的检验，证明了某个建议标准是互联网标准时，就给他分配一个标准编号，记为STDxx。
除了建议标准和互联网标准这两种RFC文档 还有 历史的，实验的，提供信息的RFC文档

互联网的组成

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
主机A的某个进程和主机B的某个进程进行通信称为计算机之间的通信
在网络边缘的端系统之间的通信通常可分为两种

C/S （客户-服务器方式）

服务器就是一般公司里大一点的电脑，客户请求服务，服务器提供服务。就像我们在餐馆吃饭 我们是客户 馆子是服务器，馆子给我们提供食物的服务。

P2P（对等连接方式）

比如我们的qq聊天

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的（提供连接性和交换），路由器是一种专用的计算机，路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组

在弄清楚什么是分组交换前，我们先了解什么是电路交换。

交换方式

电路交换

在电话问世不久，人们就发现了要让所有的电话机都两两相连接是不可能的，因为从n个里面任意选两个的 数量是Cn2 于是人们发明了交换机。
电路交换的特点是在通话的全部时间内，通话的用户始终占用端到端的通信资源
其传输效率往往很低，因为计算机数据是突发式出现在传输路线上的，（我们不可能一直说话），因此线路上真正用于传输数据的时间往往不到百分之十。

分组交换

分组交换采用的是存储转发技术，我们把发送的数据块称为一个报文，在发送之前，先把较长的报文划分为一个个更小的等长数据段，在数据段上加上必要的控制信息，就构成了分组，分组又称为包。
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。这样一步一步地以存储转发的方式把分组交付给最终的目的主机。
路由器暂时存储的是一个个短分组，分组交换在传送数据之前不必先占用一条端到到端的通信资源，分组在哪段链路上传送才占用那段链路的通信资源

存储转发技术并不是一个新概念 我们故时候就有比如运送信封，我们就是把一份信给相邻的驿站，驿站再根据目的给下一个驿站。

报文交换

报文交换就是类似于送信，也采用了分组交换的技术。

总结三种交换方式

方式	特点
电路交换	整个报文的比特流源源不断地从起始点到终点，类似在管道传输
报文交换	整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后在找转发表，转发到下一个节点
分组交换	报文的一部分传送到相邻节点，存储下来后查找转发表， 转发到下一个节点

计算机网络的类别

按网络的作用范围分类

广域网，城域网，局域网，个人网

按照网络的使用者

公用网，专用网

接入网

接入网实际上是本地ISP所拥用的网络，它既不是网络核心部分，也不是网络边缘部分，接入网由某个端系统连接到本地ISP的第一个路由器之间的一些物理链路组成。

处在因特网的边缘部分就是在因特网上的所有主机，这些主机又称为端系统（end system）。

计算机网络的性能指标

速率

其含义是每秒钟传输的二进制数的位数。单位bps（bit per second）bit 是 binary digit 的意思 ，一个二进制数。
注意我们提到网络的速率时，往往指的是额定速率，而非网络实际中的速率

带宽

原本指某个信号频率的具有的频带宽度，但在计算机网络中指的是网络中某通道传送数据的能力，表示单位时间内网络中的某信道所能通过的最高数据率单位b/s

吞吐量

表示在单位时间内通过某个网络（信道，接口）的实际数量。

对比速率和带宽，吞吐量

速率是标准/额定状况下的数据传送速率，即（标准/额定）数据率；
带宽是极限情况下的数据传送速率，即最高数据率。
吞吐量是实际情形下，数据传送速率

时延

时延是指数据从网络的一端传送到另外一端的时间。

发送实现

指主机或者路由器发送数据帧所需要的时间
也就是从该帧的第一个比特位算起，到最后一个比特位发送完毕的时间。类似与火车进洞

火车进洞时间 = 车长 / 火车速度
发送时延 = 数据帧长度/ 发送速率

传播时延

电磁波在信道中传输的距离花费的时间
传播时延 = 信道长度 / 电磁波的速度

理解发送时延和传播时延

举个栗子 有10辆车从收费站出发 每辆车过收费站 6秒，目的地50公里车速100公里每小时，过收费站的时间相当于发送时延 总共1分组 在公路上行驶的时间相当于传播时延 花费30分钟 总共 31分钟

处理时延

主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间处理，例如分析数据的首部，从分组中提取部分数据，差错检验，查找转发表等

排队时延

分组经过路由器后要先在输入队列中等待处理。在路由器确定转发接口后，还要在输出队列中排队转发。排队时延的长短取决于网络当时的通信量。当网络通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延无穷大

总的时延

总的时延 = 发送时延 + 传播时延 +排队时延+ 处理时延

不能笼统的认为提高发送速率就能显著减少时延

比如 我们要传送一个字母 一个字节 发送速率使1Mbits/s
发送时延= 8/10^6 = 8um
传播时延为5ms 则时总的时延 起决定性作用的时间传播时延了
再怎么减小发送时延数量级还是 5ms
对于高速网络我们仅仅提高的是数据的发送速率而不是传播速率

时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
这表明若发送端连续发送数据，则在发送的第一个比特即将达到终点时，发送端已经发送了多少。
比如传播时延 为20ms 带宽 10Mb/s
时延带宽积 = 20 * 10^-3*10*106 =20万
这表明则在发送的第一个比特即将达到终点时，发送端已经发送了20万个bit。

往返时间RTT

双向交互一次的时间
例如A向B发送数据 数据的长度是100MB，发送速率是 100Mbit/S
发送时间 = 数据长度/发送速率 = 100 * 210^208 / 100 *10 ^6 =8.39s
假定A只有收到B的确认信息后，才能继续发送信息，显然这就要等待一个往返时间RTT（这里我们忽略B的发送时延）我们假设往返山间 2s
有效数据率 = 数据长度 /( 发送时间 + RTT) = 100 * 8 * 2^20 /(8.39+2) = 80.7Mbit/s

注：文件大小，或者存储容量时跟bit有关
2^30 = G
2^10 = K
2^20 = M
2^40 = T
数据的处理速率，频率等
10^3 = k
10^6 = M
10^ 9 = G
10 ^12 =T

利用率

信道利用率

某信道有百分之几的时间是被利用的

网络利用率

则是全网的信道利用率的加权平均值

信道利用率是单个的 网络利用率是全局的

网络利用率并不是越高越好，因为根据排队论的理论，某信道的利用率增大，该信道引起的时延也迅速增大。 如果令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，假设现在的网络利用率为U 则有以下关系
D = D0/ 1-U

计算机网络体系结构

计算机网络体系结构的形成

两台计算机之间只有一条数据链路是远远不够的，比如我们还要完成
1）保证要传送的计算机数据能在这条通路上正确发送和接收
2）网络如何识别接受的计算机
3）发起通信的计算机必须查明对方是否开机，网络连接是否正常等
。。。
由此可见相互通信的计算机系统必须高度协调工作才行，而这种协调是非常复杂的。
为了解决这一问题我们ARPANET设计时提出了分层的办法。分层可以将庞大的问题转化为若干小的问题。

假设我们在主机1 和主机 2之间通过一个通信的网络传送文件。
我们可以将要做的工作划分为3类， 第一类工作与传送文件直接有关。例如发送端的文件管理程序应当确信接收端的文件管理程序已做好接收和存储文件的准备。因为我们不想这个模块完成全部的细节于是有分出第二类用于保证文件和文件传送命令可靠地在两个系统之间进行交换，第三类再构造一个网络接入模块，当我们把文件传输模块换为电子邮件模块时也能成功，上面的模块利用下面的模块提供的服务

分层的优点

1）各层之间是独立的
2）灵活性好
3）结构上可分割
4）易于实现和维护
5）能促使标准化工作

两个标准

不同的网络体系结构出现后，由于网络体系结构的不同，不同公司的设备很难互相连通。
于是国际标准化组织ISO提出了一个标准结构开放系统互连参考模型OSI/RM（Open System Interconnection Reference Model） 七层协议的架构
但是最广泛应用的不是OSI而是TCP/IP TCP/IP被称为事实上的国际标准

OSI失败的原因

OSI的协议实现起来过分复杂，运行效率低，缺乏商业驱动力，层次划分不合理，有些功能多个层次都出现。

协议

在计算机中要做到有条不紊的运行，就必须遵守一些事先约定的规则。
网络怎么知道把信息给那台计算机，这就需要协议。

比如网恋奔现，还没见过面，我们就事先约定见面前，互相佩戴小红花，方便认出彼此。
这些为网络的数据交换而建立的规则，标准，约定称为网络协议

协议的三要素

和我们人类的语言类似，有语法，语义，同步
1）语法：即数据与控制信息的格式
2）语义：这段协议要让计算机发出哪种的控制信息，完成什么相应

3. 同步：即事件实现顺序的详细说明

两种协议版本

一种是用于人们阅读和理解的文字描述版本，另一种是机器阅读的代码版本

计算机体系结构的定义

计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构

五层协议结构

每层的作用

只有我们深入学完每一章才能理解，现在只是粗浅的认识

应用层

通过应用层进程间的交互来完成特定的网络应用

运输层

两台主机进程之间的通信提供通用的数据传输服务
有著名的 UDP，TCP协议

网络层

分组交换网上的不同主机提供服务
有著名的IP协议

数据链路层

将网络层交下来的IP数据报组装成帧，每一帧包括数据和必要的信息，在相邻的节点传送

物理层

传送比特，规定引脚数等

类比

应用层 相当于寄信这个应用 我们把快递交给快递小哥，传输层相当于规定了这封信从北京到上海 网络层规定了北京走上海要经过哪些城市，数据链路层则详细规定了走哪个相邻的驿站。

注意网络层到数据链路层不仅加了首部也加了尾部

实体，服务，访问点

实体：任何可发送或接受信息的硬件或软件进程
服务：被高一层的实体看得见的功能
PDU（Protocol Data Unit数据协议单元）：对等层之间传送的数据单位
SDO（Service Access Point）：层于层之间的数据交换单位
服务访问点：同一系统中相邻两层的实体交互的地方

TCP/IP的体系结构

TCP/IP不是指只有这两个协议，而是指的是一个协议族。
前面说TCP/IP的体系结构比较简单只有四层，但是技术的发展并不严格遵循OSI的分层概念 下面有两种TCP/IP的表示方法

这个没有明确服务，接口和协议之间的关系

它的特点上下两头都很大，上层协议都汇聚到IP协议中表示IP层可以支持多种运输层协议，而不同的运输层协议上面又可以又多种应用层协议。（everything over IP）
同时协议也可以在多种类型的网络上运行（IP over everthing）
这反应出一个设计理念，网络的核心部分越简单越好，把一切复杂的部分交给边缘来实现。

谢谢观看