计算机网络概述

网络的网络

网络是由若干结点和连接这些结点的链路组成，网络中的结点可以是计算机，集线器，交换机或路由器等。
网络和网络还可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖更大的网络，即互联网（或互连网）。
因特网就是世界上最大的互连网络。可以这样理解：网络把许多计算机连接在一起，而因特网把许多网络连接在一起。

因特网发展的3个阶段

第一阶段单个网络ARPNET。
第二阶段是建成了三级结构的因特网。分为主干网，地区网和校园网（或企业网）。
第三阶段是逐渐形成了多层次ISP结构的因特网。

因特网的标准化

所有的因特网标准都是以RFC（Reuqest For Comments）的形式在因特网上发表的。但是并非所有的RFC文档都是因特网标准，只有一小部分RFC最后才能变成因特网标准。RFC按收到的时间的先后按从小到大编上序号，即RFC xxxx。
制定因特网的标注需要以下4个阶段：

1. 因特网草案
2. 建议标准
3. 草案标准
4. 因特网标准

因特网草案的有效期只有六个月，只有到了建议标准阶段才以RFC文档形式发表。

因特网的组成

• 边缘部分
  由所有连接在因特网上的主机组成，这部分是用户直接使用的。在网路边缘的端系统之间的通信方式通常可以划分为2大类：
  • 客户-服务器方式（C/S方式）
  • 对等方式（P2P方式）
• 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。

因特网的核心部分

在网路核心部分起特殊作用的是路由器，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，分组交换采用存储转发技术。
分组交换具有以下优点：

• 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
  保证可靠的网络协议，分布式多路由的分组交换网，使网络又很好的生存性

但分组交换也会带来新的问题，比如存储转发时需要排队，这回产生一定的时延，另外，各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销。

计算机网络的性能指标

• 速率
  在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也称为数据率，比特率。速率单位是b/s，也写为bit/s，有时也写为bps。还有其他单位 kb/s(10^3)， Mb/s(10^6)， Gb/s(10^9) 或 Tb/s(10^12)。

• 带宽
  带宽本来指某个信号具有的频带宽度，在计算机网络中用来表示单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。

• 吞吐率
  吞吐量表示单位时间内通过某个网络(或信道，接口)的数据量。对于1个100Mb/s的以太网，其额定速率是100Mb/s，那么这个数值也是该以太网吞吐量的绝对上限值。

• 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。一般来说，网络时延由以下几个不同的部分组成：

  • 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需要的时间。通过提高数据的发送速率就可以适当减小数据的发送时延。
  • 传播时延
    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。
  • 处理时延
    主机或路由器在收到分组时花费一定的时间进行处理。比如分析分组的首部，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
    分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但分组进入路由器后需要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，就产生了排队时延。

  总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延＋排队时延

• 时延带宽积
  把传播时延和带宽相乘，就得到了时延带宽积。

  时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
  

  时延带宽积.png

  不难看出，管道中的比特数表示从发送端发出的但尚未达到接收端的比特。对于一个正在传送数据的链路，只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分的利用。

• 往返时间RTT

• 利用率

五层协议结构

• 应用层
  应用层是体系结构的最高层，应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。

• 运输层
  运输层的任务是负责2个主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务，通用是指并不针对某个特定网络应用，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。

  • 传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)
    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报文段。
  • 用户数据报协议UDP(User Datagram Protocal)
    提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务，其数据传输单位是用户数据报。

• 网络层
  网络层负责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。这个分组或包也称之为IP数据报。

  网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网络中的路由器找到目标主机。

• 数据链路层
  数据链路层任务是负责在2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（比如同步信息，地址信息，差错控制）。

• 物理层
  在物理层上所传的数据的单位是比特，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）。
  因此物理层要考虑用多大的电压表示"1"或"0"，以及接收方如何识别出发送方所发的比特。

参考资料

1. 《计算机网络》谢希仁 6th