# 因特网概述

# 网络、互联网与因特网的区别与关系

• 若干节点和链路互连形成网络
• 若干网络通过路由器互连形成互连网（互联网）
• 因特网是当今世界上最大的互联网

internet	Internet
通用名词	专用名词
互联网	因特网
任意通信协议	TCP/IP 协议族

# 因特网简介

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

# 电路交换、分组交换和报文交换

# 电路交换

计算机之间的数据传送是突发式的，当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率一般都会很低，线路上真正用来传送数据的时间往往不到 10% 甚至 1%。

# 分组交换

• 优点
  没有建立连接和释放连接的过程。
  分组传输过程中逐段占用通信链路，有较高的通信线路利用率。
  交换节点可以为每一个分组独立选择转发路由，使得网络有很好的生存性。
• 缺点
  分组首部带来了额外的传输开销。
  交换节点存储转发分组会造成一定的时延。
  无法确保通信时端到端通信资源全部可用，在通信量较大时可能造成网络拥塞。分组可能会出现失序和丢失等问题

# 报文交换

报文交换是分组交换的前身。
在报文交换中，报文被整个地发送，而不是拆分成若干个分组进行发送。
交换节点将报文整体接收完成后才能查找转发表，将整个报文转发到下一个节点。
因此，报文交换比分组交换带来的转发时延要长很多，需要交换节点具有的缓存空间也大很多。

# 三种交换方式的对比

• 若要连续传送大量的数据，并且数据传送时间远大于建立连接的时间，则使用电路交换可以有较高的传输效率。然而计算机的数据传送往往是突发式的，采用电路交换时通信线路的利用率会很低。
• 报文交换和分组交换都不需要建立连接（即预先分配通信资源），在传送计算机的突发数据时可以提高通信线路的利用率。
• 将报文构造成若干个更小的分组进行分组交换，比将整个报文进行报文交换的时延要小，并且还可以避免太长的报文长时间占用链路，有利于差错控制，同时具有更好的灵活性

# 计算机网络的定义和分类

# 计算机网络的定义

• 早期定义:
  • 互联，自治，计算机集合
• 现阶段计算机网络的一个较好的定义
  • 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

# 计算机网络的分类

# 交换方式

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换

# 使用者

• 公用网：因特网
• 专用网：军队，银行…

# 传输介质

• 无线网络
• 有线网络

# 覆盖范围

• 广域网 WAN: 几十到几千千米
• 城域网 MAN:5 到 50 千米
• 局域网 LAN: 一千米左右
• 个域网 PAN:10 米

# 拓扑结构

• 总线型
• 星型
• 环形
• 网状型

# 计算机网络的性能指标

# 速率

• 比特（bit，记为小写 b）是计算机中数据量的基本单位，一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。
• 数据量的常用单位有字节（byte，记为大写 B）、千字节（KB）、兆字节（MB）、吉字节（GB）以及太字节（TB）。
• 速率是指数据的传送速率（即每秒传送多少个比特），也称为数据率（Data Rate）或比特率（Bit Rate）。
• 速率的基本单位是比特 / 秒（bit/s，可简记为 b/s，有时也记为 bps，即 bit per second）。速率的常用单位有千比特 / 秒（kb/s 或 kbps）、兆比特 / 秒（Mb/s 或 Mbps）、吉比特 / 秒（Gb/s 或 Gbps）以及太比特 / 秒（Tb/s 或 Tbps）
• 数据量单位中的 K、M、G、T 的数值分别为 $2^{10},2^{20},2^{30},2^{40}$.
• 速率单位中的 k、M、G、T 的数值分别为 $10^3,10^6,10^9,10^{12}$.

1. 有一个待发送的数据块，大小为 100MB，网卡的发送速率为 100Mbps，则网卡发送完该数据块需要多长时间？8.388608

解答

$\frac{100MB}{100Mb/s}=\frac{MB}{Mb/s}=\frac{2^{20}B}{10^6b/s}=\frac{2^{20}\times 8b}{10^6b/s}=8.388608s$

# 带宽

• 带宽在模拟信号系统中的意义
  • 某个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，即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）
• 数据传送速率 = min (主机接口速率，线路带宽，交换机或路由器的接口速率)

# 吞吐量

• 吞吐量是指在单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量。吞吐量常被用于对实际网络的测量，以便获知到底有多少数据量通过了网络。
• 吞吐量受网络带宽的限制。

# 时延

• 时延是指数据从网络的一端传送到另一端所耗费的时间，也称为延迟或迟延。 数据可由一个或多个分组、甚至是一个比特构成
• 发送时延 = $\frac{分组长度b}{发送速率b/s}$.
• 传播时延 = $\frac{信道长度m}{信号传播速率m/s}$.
  • 自由空间：$3.0 × 10^8 m/s$
  • 铜 线：$2.3 × 10^8 m/s$
  • 光 纤：$2.0 × 10^8 m/s$
• 排队时延
• 处理时延

1. 在下图所示的采用 “存储 - 转发” 方式的分组交换网中， 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 []
   • 80ms
   • 80.08ms
   • 80.16ms
   • 80.24ms

解答

需要的最小时长 = 所有分组的发送时延 + 1 个分组的发送时延 ×2 (转发次数)
$=\frac{1000B}{100Mb/s}\times \frac{980000B}{1000B-20B}+\frac{1000B}{100Mb/s}\times 2=80.16ms$

1. 数据块长度为 100MB，信道带宽为 1Mb/s，传送距离为 1000KM，传输介质为光纤，计算发送时延和传播时延

2. 数据块长度为 1B，信道带宽为 1Mb/s，传送距离为 1000KM，传输介质为光纤，计算发送时延和传播时延

解答

# 时延带宽积

• 时延带宽积是传播时延和带宽的乘积。
• 主机 A 和 B 之间采用光纤链路，链路长 1km，链路带宽为 1Gb/s，时延带宽积为 $\frac{1km}{2\times 10^8m/s}\times 1Gb/s=5000b$
• 链路中充满了 5000 个比特
• 因此，链路的时延带宽积也称为以比特为单位的链路长度，这对我们以后理解以太网的最短帧长是非常有帮助的

# 往返时间

• 往返时间（Round-Trip Time，RTT）是指从发送端发送数据分组开始，到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止，总共耗费的时间

# 利用率

• 链路利用率：链路利用率是指某条链路有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）。完全空闲的链路的利用率为零
• 网络利用率：网络利用率是指网络中所有链路的链路利用率的加权平均。
• 根据排队论可知，当某链路的利用率增大时，该链路引起的时延就会迅速增加。
• 当网络的通信量较少时，产生的时延并不大，但在网络通信量不断增大时，分组在交换节点（路由器或交换机）中的排队时延会随之增大，因此网络引起的时延就会增大。
• 令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，那么在理想的假定条件下，可用下式来
  表示 D、D0 和网络利用率 U 之间的关系 $D=\frac{D_0}{1-U}$.

# 丢包率

• 丢包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。
• 分组丢失主要有以下两种情况：
  • 分组在传输过程中出现误码，被传输路径中的节点交换机（例如路由器）或目的主机检测出误码而丢弃。
  • 节点交换机根据丢弃策略主动丢弃分组。
• 丢包率可以反映网络的拥塞情况：
  • 无拥塞时路径丢包率为 0。
  • 轻度拥塞时路径丢包率为 1%~4%。
  • 严重拥塞时路径丢包率为 5%~15%

# 计算机网络的体系结构

# 常见的三种计算机网络体系结构

# 计算机网络体系结构分层的必要性

需要考虑的主要问题

• 物理层
  采用什么传输媒体（介质）（物理层之下）
  采用什么物理接口
  采用什么信号表示比特 0 和 1
• 数据链路层
  标识网络中各主机（主机编址，例如 MAC 地址）
  从比特流中区分出地址和数据（数据封装格式）
  协调各主机争用总线（媒体接入控制）
  以太网交换机的实现（自学习和转发帧）
  检测数据是否误码（差错检测）
  出现传输差错如何处理（可靠传输和不可靠传输）
  接收方控制发送方注入网络的数据量（流量控制）
• 网络层
  标识网络和网络中的各主机（网络和主机共同编址，例如 IP 地址）
  路由器转发分组（路由选择协议、路由表和转发表
• 运输层
  进程之间基于网络的通信（进程的标识，例如端口号）
  出现传输差错如何处理（可靠传输和不可靠传输）
• 应用层
  通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用
  进行会话管理和数据表示

应用层	解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用的问题
运输层	解决进程之间基于网络的通信问题
网络层	解决数据包在多个网络之间传输和路由的问题
数据链路层	解决数据包在一个网络或一段链路上传输的问题
物理层	解决使用何种信号来表示比特 0 和 1 的问题

高内聚低耦合
“分层” 可将庞大复杂的问题转化为若干较小的局部问题

1. 在 OSI 参考模型中，下列功能需由应用层的相邻层实现的是（ ）。

   • A. 对话管理
   • B. 数据格式转换
   • C. 路由选择
   • D. 可靠数据传输

2. OSI 参考模型的第 5 层（自下而上）完成的主要功能是（ ）。

   • A. 差错控制
   • B. 路由选择
   • C. 会话管理
   • D. 数据表示转换

3. 在 TCP/IP 参考模型中，由传输层相邻的下一层实现的主要功能是（ ）。

   • A. 对话管理
   • B. 路由选择
   • C. 端到端报文传输
   • D. 节点到节点流量控

4. 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. 80%
   • B. 83%
   • C. 87%
   • D. 91%

# 计算机网络体系结构中的专用术语

• 实体
  • 实体是指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
  • 对等实体是指通信双方相同层次中的实体。
• 协议
  • 协议是控制两个对等实体在 “水平方向” 进行 “逻辑通信” 的规则的集合。
  • 协议的三要素:
    • 语法 定义所交换信息的格式
    • 语义 定义通信双方所要完成的操作
    • 同步：定义通信双方的时序关系
• 服务
  • 在协议的控制下，两个对等实体在水平方向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，而服务是 “垂直” 的。
  • 实体看得见下层提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。下层的协议对上层的实体是 “透明” 的。
  • 在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点 SAP，它被用于区分不同的服务类型。
  • 帧的 “类型” 字段、IP 数据报的 “协议” 字段，TCP 报文段或 UDP 用户数据报的 “端口号” 字段都是 SAP。
  • 上层要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。
  • 对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU
  • 同一系统内层与层之间交换的数据包称为服务数据单元（Service Data Unit，S

1. 下列选项中，不属于网络体系结构所描述的内容是

   • A. 网络的层次
   • B. 每一层使用的协议
   • C. 协议的内部实现细节
   • D. 每一层必须完成的功能

2. 下图描述的协议要素是 I. 语法 II. 语义 III. 时序

   • A. 仅 I
   • B. 仅 II
   • C. 仅 III
   • D. I、II 和 II