第一章：概述

1，因特网概述

1.网络、互联网和英特网

• 网络(Network)由若干结点(Node)和连接这些结点的链路(Link)组成。

• 多个网络还可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网(或互连网)。因此，互联网是“网络的网络(Network of Networks)"。

• 因特网(Internet)是世界上最大的互连网络(用户数以亿计，互连的网络数以百万计)。

internet与lnternet的区别

1. internet(互联网或互连网)是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议可以是任意的。
2. Internet(因特网)则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。

2.因特网发展的三个阶段

1. 1969年，第一个分组交换网ARPANET;
2. 70年代中期，研究多种网络之间的互连;
3. 1983年，TCP/IP协议成为ARPANET的标准协议(因特网诞生时间)
4. 1985年，NSF围绕六个大型计算机中心建设NSFNET(主干网、地区网和校园网);
5. 1990年，ARPANET任务完成，正式关闭;
6. 1991年，美国政府将因特网主干网交给私人公司经营，并开始对接入因特网的单位收费;
7. 1993年，NSFNET逐渐被若干个商用因特网主干网替代;政府机构不再负责因特网运营，让各种因特网服务提供者ISP来运营。
8. 1994年，万维网wwW技术促使因特网迅猛发展;
9. 1995年，NSFNET停止运作，因特网彻底商业化。

因特网服务提供者ISP(Internet Service Provider)

基于ISP的三层结构的因特网

3.因特网的标准化工作

因特网的标准化工作对因特网的发展起到了非常重要的作用。因特网在制定其标准上的一个很大的特点是面向公众。

• 因特网所有的RFC(Request For Comments)技术文档都可从因特网上免费下载;(Index of /rfc)
• 任何人都可以随时用电子邮件发表对某个文档的意见或建议。

因特网协会ISOC是一个国际性组织，它负责对因特网进行全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用。

• 因特网体系结构委员会IAB，负责管理因特网有关协议的开发;
• 因特网工程部IETF，负责研究中短期工程问题，主要针对协议的开发和标准化;
• 因特网研究部IRTF，从事理论方面的研究和开发一些需要长期考虑的问题。

4.因特网的组成

1. 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，用来进行通信(传送数据、音频或视频)和资源共享。
2. 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(提供连通性和交换)。

2.三种交换方式

2.1电路交换

• 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换;
• 从通信资源的分配角度来看，交换(Switching)就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源;
• 电路交换的三个步骤：
  • 建立连接(分配通信资源)
  • 通话(一直占用通信资源)
  • 释放连接(归还通信资源)

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。

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。

2.2报文交换

2.3分组交换

发送方：

​ 构造分组

​ 发送分组

路由器：

​ 缓存分组

​ 转发分组

接收方：

​ 接收分组
​ 还原报文

2.4对比

电路交换：
优点：
1)通信时延小
2)有序传输
3)没有冲突
4)适用范围广
5)实时性强
6)控制简单
缺点
1)建立连接时间长
2)线路独占，使用效率低
3)灵活性差
4)难以规格化

报文交换：
优点
1)无需建立连接
2)动态分配线路
3)提高线路可靠性
4)提高线路利用率
5)提供多目标服务
缺点：
1)引起了转发时延
2)需要较大存储缓存空间
3)需要传输额外的信息量

分组交换：
优点：
1)无需建立连接
2)线路利用率高
3)简化了存储管理
4)加速传输
5)减少出错概率和重发数据量
缺点:
1)引起了转发时延
2)需要传输额外的信息量
3)对于数据报服务，存在失序、丢失或重复分组的问题;对于虚电路服务，存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

3.计算机网络的定义和分类

3.1.计算机网络的定义

计算机网络的精确定义并未统一

计算机网络的最简单的定义是:

一些互相连接的、自治的计算机的集合。

互连是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信;

自治是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用；

集合是指至少需要两台计算机;

计算机网络的较好的定义是:计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的(例如，传送数据或视频信号)。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

3.2计算机网路的分类

按交换技术分类：

• 电路交换网络
• 报文交换网络
• 分组交换网络

按使用者分类

• 公用网
• 专用网

按传输介质分类

• 有线网络
• 无线网络

按覆盖范围分类

• 广域网WAN
• 城域网MAN
• 局域网LAN
• 个域网PAN

按拓扑结构分类

• 总线型网络
• 星型网络
• 环型网络
• 网状型网络

4.计算机网络的性能指标

速率：

比特：计算机中数据量的单位，也是信息论中信息量的单位。一个比特就是二进制数字中的一个1或0。

连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为比特率或数据率。

例1:有一个待发送的数据块，大小为100 MB，网卡的发送速率为100 Mbps，则网卡发送完该数据块需要多长时间?

带宽

带宽在模拟信号系统中的意义:

• 信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围;
• 单位:Hz (kHz，MHz，GHz)

带宽在计算机网络中的意义:

• 用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在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”;
• 单位: b/s (kb/s,Mb/s, Gb/s,Tb/s)

其实,“带宽”的这两种表述之间有着密切的联系。一条通信线路的“频带宽度”越宽,其所传输数据的“最高数据率”也越高。

吞吐量

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。
吞吐量被经常用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制。

时延

例3: 数据块长度为100 MB,

信道带宽为1 Mb/s,

传送距离为1000 km,

计算发送时延和传播时延。

例4:数据块长度为1B,

信道带宽为1 Mb/s,

传送距离为1000 km,

计算发送时延和传播时延。

是发送时延还是传输时延占主导，应该具体问题具体分析。

时延带宽积

时延带宽积=传播时延x带宽

• 若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特;
• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

往返时间

在许多情况下，因特网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互;我们有时很需要知道双向交互一次所需的时间;因此，往返时间RTT(Round-Trip Time)也是一个重要的性能指标。

利用率

根据排队论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也会迅速增加;因此，信道利用率并非越高越好;

丢包率

• 丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
• 丢包率具体可分为接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等。
• 丢包率是网络运维人员非常关心的一个网络性能指标，但对于普通用户来说往往并不关心这个指标,因为他们通常意识不到网络丢包。

分组丢失主要有两种情况:

• 分组在传输过程中出现误码，被结点丢弃;
• 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃;在通信量较大时就可能造成网络拥塞。

因此，丢包率反映了网络的拥塞情况:

• 无拥塞时路径丢包率为0
• 轻度拥塞时路径丢包率为1%到4%
• 严重拥塞时路径丢包率为5%~15%

5.计算机网络体系结构

5.1常见的计算机网络体系结构

OSI体系结构

TCP/IP体系结构

5.2分层的必要性

• 计算机网络是个非常复杂的系统。早在最初的ARPANET设计时就提出了分层的设计理念。
• "分层"可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。
• 下面，我们按照由简单到复杂的顺序，来看看实现计算机网络要面临哪些主要的问题，以及如何将这些问题划分到相应的层次，层层处理。

物理层

采用怎样的传输媒体(介质)
采用怎样的物理接口
使用怎样的信号表示比特0和1

数据链路层

• 如何标识网络中的各主机(主机编址问题，例如MAC地址)
• 如何从信号所表示的一连串比特流中区分出地址和数据
• 如何协调各主机争用总线

网络层

• 如何标识各网络以及网络中的各主机(网络和主机共同编址的问题，例如IP地址)
• 路由器如何转发分组，如何进行路由选择

运输层

• 如何解决进程之间基于网络的通信问题
• 出现传输错误时，如何处理

应用层

通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用

1. 支持万维网应用的HTTP协议
2. 支持电子邮件的SMTP协议
3. 支持文件传送的FTP协议

5.3分层思想举例

5.4专用术语

• 实体。任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
• 对等实体。收发双方相同层次中的实体。
• 协议，控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合。
• 协议的三要素：语法、语义、同步
  • 语法。定义所交换信息的格式。
  • 语义。定义收发双方所要完成的操作。
  • 同步。定义收发双方的时序关系。

• 在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务。

• 要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。

• 协议是“水平的”，服务是“垂直的”

• 实体看得见相邻下层所提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。也就是说，下面的协议对上面的实体是"透明"的。

• 服务访问点，在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型。

  • 数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段。
  • 网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”。
  • 运输层的服务访问点为“端口号”。

• 服务原语，上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。

• 协议数据单元PDU，对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元。

• 服务数据单元SDU，同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元。

• 多个SDU可以合成为一个PDU;一个SDU也可划分为几个PDU

6.体系结构相关习题

【2009年题33】在OSI参考模型中，自下而上第一个提供端到端服务的层次是 B
A.数据链路层
B.传输层
C.会话层
D.应用层

【2010年题33】下列选项中，不属于网络体系结构所描述的内容是C
A.网络的层次
B.每层使用的协议
C.协议的内部实现细节
D.每层必须完成的功能

【2011年题33】TCP/IP参考模型的网络层提供的是 A
A.无连接不可靠的数据报服务
B.无连接可靠的数据报服务
C.有连接不可靠的虚电路服务
D.有连接可靠的虚电路服务

【2012年题33】在TCP/IP体系结构中，直接为ICMP提供服务的协议是B
A.PPP
B.IP
C.UDP
D.TCP

ICMP也是TCP/P体系结构网际层中的一个比较重要的协议，使用ICMP协议封装的协议数据单元,还需要使用IP协议封装成IP数据报,之后才能发送。迤就是说。呵协议直接为ICMP协议提供服务。

【2013年题33】在OSI参考模型中，下列功能需由应用层的相邻层实现的是B
A.对话管理(会话层)
B.数据格式转换
c.路由选择(网络层)
D.可靠数据传输(运输层)

OSI参考模型应用层的相邻层是表示层。表示层的任务是实现与数据表示相关的功能，主要包括数据字符集的转换、数据格式化、文本压缩、数据加密以及解密等工作。

【2014年题33】在OSI参考模型中，直接为会话层提供服务的是C
A.应用层
B.表示层
C.传输层
D.网络层

【2015年题33】通过POP3协议接收邮件时，使用的传输层服务类型是D
A.无连接不可靠的数据传输服务
B.无连接可靠的数据传输服务
C.有连接不可靠的数据传输服务
D.有连接可靠的数据传输服务

POP3协议需要享受运输层的TCP协议所提供的服务，也就是 面向连接的可靠的数据传输服务。

【2017年题33】假设OSI参考模型的应用层欲发送400B的数据(无拆分)，除物理层和应用层之
外，其他各层在封装PDU时均引入20B的额外开销，则应用层数据传输效率约为A
A.80%
B.83%
C.87%
D.91%

【2018年题33】下列TCP/IP应用层协议中，可以使用传输层无连接服务的是B
A.FTP
B.DNS
C. SMTP
D.HTTP

【练习1】在OSI参考模型中，提供分组在一个网络(或一段链路)上传输服务的层次是B
A.应用层
B.数据链路层
C.运输层
D.网络层
【练习2】TCP/IP体系结构的网络接口层对应OSI体系结构的A
I.数据链路层
②.物理层
③.网络层
IV.运输层
A.l、②
B.l、IV
C.II、
D.II、IV
【练习3】TCP/IP协议族的核心协议是C
A.TCP
B.UDP
C.IP
D.PPP
【练习4】在OSI参考模型中，直接为网络层提供服务的是D
A.应用层
B.物理层
C.运输层
D.数据链路层
【练习5】假设OSI参考模型的应用层欲发送600B的数据(无拆分)，除应用层之外，其他各层
在封装PDU时均引入20B的额外开销，则应用层数据传输效率约为C
A.68%
B.76.8%
C.83.3%
D.96%

7.时延相关习题

【习题1】两主机间的链路长度为60m，链路带宽为10Mb/s，信号的传播速率为2.0×10°mls ,
其中一台主机给另一台主机发送1b信息，当主机接收完该信息时共耗费多长时间?

若其中一台主机给另一台主机连续发送n比特信息，当主机接收完该信息时共耗费多长时间?

注意前提

【习题2】试在下列条件下比较电路交换和分组交换。
要传送的报文共x(bit)。从源点到终点共经过k段链路，每段链路的传播时延为d(s)，带宽为b(bit/s)。在电路交换时，电路的建立时间为s(s)。在分组交换时，报文可被划分成若千个长度为p(bit)的数据段，添加首部后即可构成分组，假设分组首部的长度以及分组在各结点的排队等待时间忽略不计。
问在怎样的条件下，电路交换的的时延比分组交换的要大?

【习题4 2013年题35】
主机甲通过1个路由器(存储转发方式)与主机乙互联，两段链路的数据传输速率均为10Mbps，主机甲分别采用报文交换和分组大小为10Kb的分组交换向主机乙发送1个大小为8Mb (1M=10°)的报文。若忽略链路传播延迟、分组头开销和分组拆装时间，则两种交换方式完成该报文传输所需的总时间分别为D
A.800ms、1600ms
B.801ms、1600ms
C.1600ms、800ms
D.1600ms、801ms

【习题5 2010年题34】
在下图所示的采用“存储-转发”方式的分组交换网络中，所有链路的数据传输速率为100Mbps，分组大小为1000B，其中分组头大小为20B.若主机H1向主机H2发送一个大小为980 000B的文件，则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下，从H1发送开始到H2接收完为止，需要的时间至少是C
A.80ms
B.80.08ms
C.80.16ms
D.80.24ms

注意有几个分组发送时延，直接看选项蒙答案。