第一章概述

本章重點#

（1）基於存儲轉發技術的分組交換方式。

（2）計算機網絡的一些重要性能指標(帶寬、時延、往返時間、利用率等)。

（3）計算機網絡的體系結構及其相關術語。

1.1 信息時代的計算機網絡#

1.1.1 計算機網絡的各類應用#

1.1 常見的計算機網絡應用

1.2 計算機網絡帶來的負面影響

1.2 因特網概述#

1.2.1 網絡、互聯網和因特網#

1. 網絡#

網絡（Network） 是由若干節點（Node） 和連接這些節點的鏈路（Link） 组成的，如圖 1.3 所示。網絡中的節點可以是計算機（筆記本電腦，台式電腦，伺服器等）、網絡互聯設備（集線器、交換機、路由器等)、其他具有網絡功能的設備（網絡打印機、網絡攝像頭、物聯網設備等）。網絡中的鏈路可以是有線鏈路，也可以是無線鏈路。

2. 互聯網#

互聯網（Internet） 是由 若干網絡 和連接這些網絡的 路由器 组成的。若忽略互聯連節，則可將互聯網看做一個覆蓋範圍更大的網絡，因此也可稱其為 “網絡的網絡（Network of Networks）”。

3. 因特網#

連接在因特網上的各種通信設備（如智能手機、平板電腦、筆記本電腦、伺服器、網絡打印機等）稱為 主機（Host） ，而 路由器 是用於網絡互聯的專用設備，一般不稱其為主機。
綜上所述，我們可以將網絡，互聯網，因特網的區別和關係總結如下：
若干節點和鏈路互連形成網絡，而若干網絡通過路由器互連形成互聯網，因特網是當今世界上最大的互聯網。
注意：
- internet 的意思是互聯網，是一個通用名詞，泛指由多個計算機網絡互連而成的網絡，在這些網絡之間可以使用任意的通信協議作為通信規則。
- Internet 的意思是因特網，是一個專用名詞，專指當前全球最大的、最開放的、由眾多網絡和路由器互連而成的特定計算機網絡。在這些網絡之間必須使用 TCP/IP 協議族作為通信規則。

1.2.2 因特網的發展歷程#

1. 因特網發展的三個階段#

第一階段 (1969 年)

第一個分組交換網 ARPANET 成立，從單個網絡 ARPANET 向互聯網發展。
七十年代中期，研究多種網絡的互連。
1983 年，TCP/IP 協議成為 ARPANET 的標準協議，標誌著因特網的誕生。

第二階段 (1985 年)

1985 年，NSF 圍繞六個大型計算機中心建設 NSFNET（主幹網、地區網和校園網）。
1990 年，ARPANET 任務完成，正式關閉。
1991 年，美國政府將因特網主幹網交給私人公司經營，並開始對接入因特網的單位收費。

第三階段 (1993 年)

1993 年，NSFNET 逐漸被若干個商用因特網主幹網替代；政府機構不再負責因特網運營，由各種因特網服務提供商 ISP 來運營。
1994 年，萬維網 www 技術促使因特網迅猛發展。
1995 年，NFNET 停止使用，因特網徹底商業化。

因特網服務提供商 ISP

2. 因特網的標準化工作#

因特網的標準化工作對其發展起到重要作用，其制定標準的一個重要特點是面向公眾。因特網協會 ISO C 是國際性組織，負責全面管理因特網並促進其在全球範圍內的發展和使用。因特網的正式標準制定經歷以下四個階段：

因特網草案（尚未成為 RFC 文檔）。
建議標準（從這個階段開始成為 IFC 文檔）。
草案標準。
因特網標準。

3. 因特網的組成#

邊緣部分：
由所有連接在因特網上的主機組成。這部分用於用戶直接進行通信（傳送數據、音頻和視頻）和資源共享。
核心部分：
包含大量網絡和連接，這些網絡的路由器構成核心部分，為邊緣部分提供服務（提供連通性和交換）。

1.3 三種交換方式#

電路交換 (Circuit Switching)#

通過電話交換機連接電話線路的方式稱為電路交換。
從通信資源分配角度來看，交換是動態分配傳輸線路資源的一種方式。
電路交換包括三個步驟：
1. 建立連接（分配通信資源）。
2. 通話（一直佔用通信資源）。
3. 釋放連接（歸還通信資源）。

電路交換

在傳送計算機數據時，電路交換的線路傳輸效率通常較低。

分組交換 (Packet Switching)#

發送方：構造、分組、發送分組。
路由器：緩衝分組、轉發分組。
接收方：接收分組，還原報文。

分組交換

電路交換、報文交換、分組交換的對比#

三種交換方式的對比

1.4 計算機網絡的定義和分類#

1 計算機網絡的定義#

計算機網絡的確切定義並沒有統一標準。
最簡單的定義是：計算機網絡是一組互相連接的自治的計算機的集合。
- 互聯：指計算機通過有線或無線方式進行數據通信。
- 自治：指獨立的計算機，擁有自己的硬件和軟件，能夠獨立運行和使用。
更精確的定義是：計算機網絡主要由通用的、可編程硬件互連而成，這些硬件並非專門用於實現特定目的（如傳送數據或視頻信號）。這些可編程硬件可以傳輸多種類型的數據，支持廣泛和不斷增長的應用。
- 計算機網絡連接的硬件不僅限於一般計算機，還包括智能手機等智能硬件。
- 計算機網絡不僅用於傳送數據，還能支持多種應用（包括未來可能出現的各種應用）。

2 計算機網絡的分類#

按交換技術分類：
- 電路交換網絡
- 報文交換網絡
- 分組交換網絡
按使用者分類：
- 公用網
- 專用網
按傳輸介質分類：
- 有線網絡
- 無線網絡
按覆蓋範圍分類：
- 廣域網 (WAN)
- 城域網 (MAN)
- 局域網 (LAN)
- 個域網 (PAN)
按拓撲結構分類：
- 總線型網絡
- 星型網絡
- 環形網絡
- 網狀型網絡

1.5 計算機網絡的性能指標#

計算機網絡的性能可以從多個方面進行衡量，常用的性能指標有以下八個：

1. 速率：#

比特是計算機中數據量的單位，也是信息論中信息量的單位。一个比特就是一个二进制数字中的一个 1 或 0。
速率是指連接在計算機網絡上的主機在數字信道上傳送比特的速率，也稱為比特率或數據率。

2. 帶寬：#

在模擬信號系統中，帶寬表示信號中各種不同頻率成分所占據的頻率範圍。單位：Hz（KHz, MHz, GHz）。
在計算機網絡中，帶寬表示網絡通信線路傳送數據的能力，即單位時間內從一點到另一點的 “最高數據傳輸率”。
實際上，” 帶寬” 的這兩種表述之間有著密切的聯繫。一條通信線路的” 頻帶帶寬” 越寬其所傳輸數據的” 最高數據率” 也越高。

3. 吞吐量：#

吞吐量表示單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量。
吞吐量受網絡的帶寬或額定速率的限制。

4. 時延：#

從數據開始進入網絡到其到達目的地所經歷的時間。

速率、帶寬、吞吐量和時延

5. 時延帶寬積：#

時延帶寬積 = 傳播時延 x 帶寬。
若發送端連續發送數據，則在所發送的第一個比特即將到達終點時，發送端就已經發送了時延帶寬積個比特。
鏈路的時延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。

6. 往返時間 (RTT)：#

信息在因特網上雙向傳輸時所經歷的時間（Round-Trip Time），也是一個重要的性能指標。

往返時間

7. 利用率：#

信道利用率表示某信道被利用的時間比例；
網絡利用率是全網絡信道利用率的加權平均。

利用率

8. 丟包率：#

傳輸過程中丟失的分組數量與總分組數量的比率，反映網絡擁塞情況。
丟包率具體可分為不同類型，包括接口丟包率、節點丟包率、鏈路丟包率、路徑丟包率、網絡丟包率等。
分組的丟失主要有兩種情況：
1. 分組在傳輸過程中出現誤碼，被節點丟棄：在傳輸過程中，分組可能因為噪聲、干擾等原因而出現錯誤，這些錯誤會導致節點在接收時無法正確解碼分組，因此被丟棄。
2. 分組到達一台隊列已滿的分組交換機時被丟棄：如果傳輸速率超過了交換機的處理能力，傳入的分組可能會在交換機的緩衝區排隊等待處理。如果緩衝區已滿，新的分組就會被丟棄。在高通信負載下，這種情況可能導致網絡擁塞。
丟包率能夠反映網絡的擁塞程度，不同丟包率對應不同的擁塞情況：
- 無擁塞時路徑丟包率為 0。
- 輕度擁塞時路徑丟包率為 1% 到 4%。
- 嚴重擁塞時路徑丟包率為 5% 到 15%。
時延帶寬積、往返時間、利用率和丟包率

第一章 概述