計算機網絡概述2

計算機網絡的類別

計算機網絡定義

關於計算機網絡較好的定義是[PETE11]:計算機網絡主要是由一些通用的，可編程的硬件（一定包含中央處理器）互連而成。這些可編程的硬件能夠用來傳送多種不同類型的數據，並能支持廣泛和日益增長的應用。

幾種不同類型的計算機網絡

按照網絡的作用范圍進行分類

• 廣域網(Wide Area Network):作用范圍通常為幾十到幾千公里。
• 城域網MAN(Metropolitan Area Network):作用范圍一般為一個城市。
• 局域網(Local Area Network):作用范圍一般為1KM左右。例如校園網或者企業網。
• 個人區域網(Personal area Network):作用范圍通常為10m左右。

按照網絡的使用者進行分類

• 公用網(public network):指的是電信公司出資建造的大型網絡。公用的意思是所有願意按電信公司的規定所繳納費用的人都可以使用這種網絡，因此公用網也稱之為公眾網。
• 專用網(private network):某個部門為滿足自己的特殊要求而建造的網絡，這種網絡不向本單位以外的人提供服務。例如軍隊，鐵路，銀行，電力等系統。

用來把用戶連接到互聯網的網絡

• 這種網絡是接入網AN(Access Network)，又稱之為本地接入網或居民接入網。由前面介紹，用戶必須接入ISP才能接入到互聯網。接入網一般指的是從某用戶端系統到互聯網的第一個路由器。

計算機網絡的性能

計算機網絡的性能一般指的是它的幾個重要的性能指標，但除了這些重要的性能指標，還有一些非性能特征。

計算機網絡的性能指標

• 速率：計算機發出的信號都是數字形式的，bit表示二進制數字，速錄指的是數據的傳輸速率，也稱之為數據率或者比特率。速率的單位是比特每秒(bit/s),當速率較高時，可以再bit/s前面加上K,M,G等,之間的關系依次是10^3。值得注意的是，當提及到網絡的速率的時候，往往指定的是額定速率或標准速率,而並非網絡上的實際運行的速率。

• 帶寬：帶寬有以下兩個不同的意義：

  • 帶寬本來指的是某個信號具有的頻帶寬度，信號的帶寬指的是該信號所包含的各種不同頻率成分所占的頻率范圍。帶寬的單位是赫茲(HZ)，當然還有千赫，兆赫等等。在過去的很長時間里，通信的主干線路傳送的主要是模擬信號(連續變化的信號)，因此表示某信道允許通過的信號頻帶范圍稱之為該信道的帶寬。
  • 在計算機網絡中，帶寬用來表示網絡中某通道中傳送數據的能力，因此網絡帶寬表示單位時間內網絡中的信道能夠通過的最高速率，這種意義的的帶寬的單位就是數據率的單位bit/s,一條通信鏈路的帶寬越寬，其所能傳輸的最高數據率越高。

• 吞吐量：吞吐量表示單位時間內通過某個網絡的實際的數據量。吞吐量經常用於對現實世界網絡的一種測量。以便直到實際上有多少數據量能通過網絡。。顯然，吞吐量受網絡的帶寬或者實際速率影響。

• 時延：指的是數據從一端到另一端所需的時間，時延是一個很重要的性能指標，有時候也稱之為延遲或者遲延。值得注意的是，時延是由以下及部分組成：

  • 發送時延：發送時延是主機或者路由器發送數據幀所需的時間，特就是發送數據幀的第一個比特算起，到該幀的最后一個比特發送完畢所需的時間。因此發送時延也稱之為傳輸時延。發送時延的計算公式是：
    

  • 傳播時延：傳播時延是電磁波在信道中穿比一定的距離需要花費的時間。傳播時延的計算公式是：
    

  • 處理時延：主機或者路由器在收到分組的時候要花費一定的時間來處理，例如分析分組的首部，從分組中提取數據部分，進行差錯檢查等等，這就產生了處理時延。

  • 排隊時延：分組經過網絡傳輸的時候，要經過許多路由器，但分組進入路由器后要先在輸入列表中排隊等待處理，在路由器確定了轉發接口后，還要在輸出隊列中排隊等待轉發，這就產生了排隊時延。排隊時延的長短往往取決於網絡當時的通信量，當網絡的通信量很大的時候就會發生隊列溢出，使分組丟失。

  總時延=發送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延。
  

• 時延帶寬積：傳播時延x帶寬。
  例如：設某鏈路的傳播時延為20ms，帶寬為10Mbit/s，算出時延帶寬積=20x(10^-3)x10x(106)=2x10^5bit。鏈路的時延帶寬積單位為比特。

• 往返時間RTT(round-trip time):在許多情況下，互聯網上的信息，不僅僅單方向傳輸而是雙向交互的，因此我們需要知道雙向交互一次所需的時間。

• 利用率：

  • 信道利用率：信道利用率指的是某信道有百分之幾的時間是被利用的。。完全空閑的信道利用率為0。

  • 網絡利用率：網絡利用率則是全網絡的信道利用率的加權平均值。信道利用率並非越高越好，這是因為，當某信道的利用率增加的時候，該信道引起的時延也迅速增加，類比於高速公路，當高速公路上的車流量很大的時候，就容易引起擁堵。如果另D0表示網絡空閑時的時延，D表示當前網絡的時延，，那么在適定的假設條件下，可以用下列公式表示D，D0，和利用率U之間的關系：
    

    這里U指的是網絡的利用率，數值在0-1之間。當網絡的利用率達到其容量的1/2的時候，時延就要加倍。特別注意的是，當網絡的利用率接近最大值1時，網絡的時延就會趨近於無窮大。因為我們要知道：信道或者網絡的利用率過高就會產生非常大的時延。
    

計算機網絡的非性能特征

• 費用：網絡的價格(包括設計和實現的費用必須是要考慮的，一般來說，網絡的性能越高，其價格就越高。
• 質量：網絡的質量取決於網絡中所有構件的質量。網絡的質量影響到許多方面，例如網絡的可靠性，網絡管理的簡單性等等。
• 標准化：網絡的硬件和軟件的設計既可以按照通用的國際標准，也可以遵循特定的專用網絡標准，最好是采用國際標准。
• 可靠性：可靠性與網絡的質量與性能有着密切的關系。
• 可擴展性和可升級性：在構造網絡時就應該考慮到今后可能會需要到的擴展和升級。網絡的性能越高，其擴展費用往往也越高。難度也會相應增加。
• 易於管理和維護：網絡如果沒有良好的管理與維護，就很難達到和保持所設計的性能。

計算機網絡體系結構

計算機網絡體系結構的形成

計算機網絡是一個非常復雜的系統，我們先設想一個最簡單的情況：連接在網絡上的兩台計算機要相互傳送文件。這兩台計算機之間必須要有一條傳送數據的通路，但遠遠不夠，至少還有以下事情要做:

1. 發起通信的計算機必須將數據通信的通路進行激活( activate)。所謂“激活”就是要發出一些信令,保證要傳送的計算機數據能在這條通路上正確發送和接收。
2. 要告訴網絡如何識別接收數據的計算機。
3. 發起通信的計算機必須査明對方計算機是否已開機,並且與網絡連接正常。
4. 發起通信的計算機中的應用程序必須弄清楚,在對方計算機中的文件管理程序是否已做好接收文件和存儲文件的准備工作。
5. 若計算機的文件格式不兼容,則至少其中一台計算機應完成格式轉換功能。
6. 對出現的各種差錯和意外事故,如數據傳送錯誤、重復或丟失,網絡中某個結點交換機岀現故障等,應當有可靠的措施保證對方計算杋最終能夠收到正確的文件。

協議的層次與划分

在計算機網絡中要做到有條不紊地交換數據,就必須遵守一些事先約定好的規則。這上規則明確規定了所交換的數據的格式以及有關的同步問題。這里所說的同步不是狹義的即同頻或同頻同相)而是廣義的,即在一定的條件下應當發生什么事件(例如,應當發送
個應答信息),因而同步含有時序的意思。這些為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標准或約定稱為網絡協議( network protocol)。網絡協議也可簡稱為協議。更進一步講,網絡協議主更由以下三個要去組成：

• 語法：數據與控制信息的結構或格式。

• 語義：需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應

• 同步：即事件實現順序的詳細說明。

  由此可見,網絡協議是計算機網絡不可缺少的組成部分。實際上,只要我們想讓連接在網絡上的另一台計算機做點什么事情(例如,從網絡上的某台主機下載文件),我們都需要有協議。但是當我們經常在自己的個人電腦上進行文件存盤操作時,就不需要任何網絡協議,除非這個用來存儲文件的磁盤是網絡上的某個文件服務器的磁盤。

我們假設現在有一個文件傳輸任務：主機1要向主機2通過網絡傳輸文件，我們可以將任務分為三類：第一類工作工作與傳送文件直接相關。例如發送端的文件傳送應用程序應當確信接收端的文件管理程序已做好接收和存儲文件的准備。若兩台主機所用的文件格式不一樣，則至少其中的一台主機應完成文件格式的轉換。這兩項工作可以用一個文件傳送模塊來完成，這樣，兩台主機可以將文件傳送模塊最為最高的一層(如下圖)。

但是,我們並不想讓文件傳送模塊完成全部工作的細節,這樣會使文件傳送模塊過於復雜。可以再設立一個通信服務模塊,用來保證文件和文件傳送命令可靠地在兩個系統之間交換。也就是說,讓位於上面的文件傳送模塊利用下面的通信服務模塊所提供的服務。我們還可以看出,如果將位於上面的文件傳送模塊換成電子郵件模塊,那么電子郵件模塊同樣可以利用在它下面的通信服務模塊所提供的可靠通信的服務。同樣道理,我們再構造一個網絡接入模塊,讓這個模塊負責做與網絡接口細節有關的
工作,並向上層提供服務,使上面的通信服務模塊能夠完成可靠通信的任務。同樣道理,我們再構造一個網絡接入模塊,讓這個模塊負責做與網絡接口細節有關的工作,並向上層提供服務,使上面的通信服務模塊能夠完成可靠通信的任務。

具有五層協議的體系結構

OSI的七層協議體系結構(圖1-18(a))的概念清楚,理論也較完整,但它既復雜又不實用。TCPP體系結構則不同,但它現在卻得到了非常廣泛的應用。TCPP是一個四層的體系結構(圖1-18(b)),它包含應用層、運輸層、網際層和網絡接口層(用網際層這個名字是強調這一層是為了解決不同網絡的互連問題)。不過從實質上講,TCPP只有最上面的三層,因為最下面的網絡接口層並沒有什么具體內容。因此在學習計算機網絡的原理時往往采取折中的辦法,即綜合OSI和TCPP的優點,采用一種只有五層協議的體系結構(圖1-18(c)),這樣既簡潔又能將概念闡述清楚°。有時為了方便,也可把最底下兩層稱為網絡接口層。

1. 應用層：應用層是體系結構中的最高層。應用層的任務是通過應用進程間的交互來完成特定網絡應用。應用層協議定義的是應用進程間通信和交互的規則。這里的進程就是指主機中正在運行的程序。對於不同的網絡應用需要有不同的應用層協議。在互聯網中的應用層協議很多,如域名系統DNS,支持萬維網應用的HTTP協議,支持電子郵件的SMTP協議,等等。我們把應用層交互的數據單元稱為報文( message)
2. 運輸層：運輸層的仼務就是負責向兩台主機中進程之間的通信提供通用的數據傳輸服務。應用進程利用該服務傳送應用層報文。所謂“通用的”,是指並不針對某個特定網絡應用,而是多種應用可以使用同一個運輸層服務。由於一台主機可同時運行多個進程,因此運輸層有復用和分用的功能。復用就是多個應用層進程可同時使用下面運輸層的服務,分用和復用相反,是運輸層把收到的信息分別交付上面應用層中的相應進程。運輸層主要使用以下兩種協議：

• 傳輸控制協議TCP( Transmission Control protocol)—提供面向連接的、可靠的數據傳輸服務,其數據傳輸的單位是報文段( segment)。
• 用戶數據報協議UDP( User Datagram Protoco)提供無連接的、盡最大努力( best-effort)的數據傳輸服務(不保證數據傳輸的可靠性),其數據傳輸的單位是用戶數據報。

1. 網絡層：網絡層負責為分組交換網上的不同主機提供通信服務。在發送數據時,網絡層把運輸層產生的報文段或用戶數據報封裝成分組或包進行傳送。在TCPP體系中,由於網絡層使用IP協議,因此分組也叫做IP數據報,或簡稱為數據報。本書把“分組”和“數據報”作為同義詞使用。請注意:不要將運輸層的“用戶數據報UDP”和網絡層的“IP數據報”弄混。此外,無論在哪一層傳送的數據單元,都可籠統地用“分組”來表示。網絡層的另一個任務就是要選擇合適的路由,使源主機運輸層所傳下來的分組,能夠通過網絡中的路由器找到目的主機。這里要強調指出,網絡層中的“網絡”二字,已不是我們通常談到的具體網絡,而是在計算機網絡體系結構模型中的第3層的名稱。互聯網是由大量的異構( heterogeneous)網絡通過路由器( (router)相互連接起來的。互聯網使用的網絡層協議是無連接的網際協議P( Internet Protocol)和許多種路由選擇協議,因此互聯網的網絡層也叫做網際層或IP層。在本書中,網絡層、網際層和IP層都是同義語。
2. 數據鏈路層：數據鏈路層常簡稱為鏈路層。我們知道,兩台主機之間的數據傳輸,總是在一段一段的鏈路上傳送的,這就需要使用專門的鏈路層的協議。在兩個相鄰結點之間傳送數據時,數據鏈路層將網絡層交下來的IP數據報組裝成幀( raming),在兩個相鄰結點間的鏈路上傳送幀(fτame)。每一幀包括數據和必要的控制信息(如同步信息、地址信息、差錯控制等)。在接收數據時,控制信息使接收端能夠知道一個幀從哪個比特開始和到哪個比特結束。這樣,數據鏈路層在收到一個幀后,就可從中提取出數據部分,上交給網絡層。控制信息還使接收端能夠檢測到所收到的幀中有無差錯。如發現有差錯,數據鏈路層就簡單地丟棄這個出了差錯的幀,以免繼續在網絡中傳送下去白白浪費網絡資源。如果需要改正數據在數據鏈路層傳輸時出現的差錯(這就是說,數據鏈路層不僅要檢錯,而且要糾錯),那么就要采用可靠傳輸協議來糾正出現的差錯。這種方法會使數據鏈路層的協議復雜些。
3. 物理層：在物理層上所傳數據的單位是比特。發送方發送1(或0)時,接收方應當收到1(或0)而不是0(或1)。因此物理層要考慮用多大的電壓代表“1”或“0”,以及接收方如何識別出發送方所發送的比特。物理層還要確定連接電纜的插頭應當有多少根引腳以及各引腳應如何連接。當然,解釋比特代表的意思,就不是物理層的任務。請注意,傳遞信息所利用的些物理媒體,如雙絞線、同軸電纜、光纜、無線信道等,並不在物理層協議之內而是在物理層協議的下面。因此也有人把物理層下面的物理媒體當作第0層。