理解计算机网络：Internet基本原理

1.3 互联网的组成

1.3.1 边缘部分

互联网的边缘是主机，计算机不全是主机，用户使用的才是主机。例如: 办公电脑、网站服务器、数据库服务器...这些都是主机，路由器是计算机，但不是主机。

主机之间(进程)的通信方式:

• C/S 方式(客户 - 服务器)
• P2P方式(peer-to-peer，对等连接)

我们所说的B/S架构、C/S架构，都是属于C/S这种方式(客户请求，服务器响应)：

P2P方式是指两台主机在通信时不区分发送、服务方，只要都开着P2P软件就可以进行平等连接。

早期的迅雷采用P2P的方式,资源存在用户(装有P2P客户端)本地进行共享,P2P用户越多，服务器越多,下载速度越快。如今的迅雷使用的是CDN。

1.3.2 互联网的核心部分

互联网的核心部分说白了就是进行数据的交换。

主要通过以下三种方式进行网络数据的交换:

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换

1)电路交换：在通信之前，建立双方独占的物理通道。

当双方都建立了独占的物理通道之后，ABCD的任何一个节点都是独占的，这就是所谓打电话占线。

优点：

• 通信线路双方独占，数据直达，传输时延小，实时性高
• 双方顺序发送，保证数据时序性
• 可以传输模拟信号，也可以传输数字信号
• 控制简单

缺点：

• 建立连接需要一定时间
• 物理通道独占，其他用户无法使用，使用率低
• 不同类型、速率的终端难以通信，很难控制差错

2)报文交换：以报文为基本单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换节点采用存储转发的方式。

这个就好比现在的快递，通过一个一个的快递点进行存放传输，单位是整个包裹。

其他应用: 电报、传真。

优点:

• 不需要建立通信线路，用户随时可以发送报文
• 通信双方不固定占有一条线路，线路利用率有所(相对电路交换)提高

缺点:

• 数据进行整份报文的存储转发，加大了延时性，实时性相对也比较差
• 只使用数字信号，因为模拟信号很难直接存储
• 报文没有长度限制，要求存储转发节点有足够的缓冲空间

3）分组交换:仍然采用存储转发的方式，将报文分割成若干组，逐个将这些组发送出去。

具体可以参考图1-8。

优点:

• 传输粒度更小，提高了网络的线路利用率
• 存储粒度更小，降低了存储时间，减少网络延时；存储转发节点只需要固定大小的缓冲区就够了
• 减少了出错机率与重发的数据量(不需要整篇报文重发)
• 分组策略，可以结合优先级策略，发送一些紧急数据

缺点:

• 时序问题、分组丢失问题
• 仍然存在转发延时
• 每个组需要加入附加信息，加大了信息量，降低了通信效率，增加了处理时间

小结：

• 数据量大，传输时间 >> 呼叫时间，适合电路交换。
• 计算机间优先级通信适合分组交换。
• 端到端的通路由许多段的链路组成，适合分组交换。

二.计算机网络的分类

2.1 什么是计算机网络

计算机网络：

使用单一技术的自主计算机的互联集合。计算机之间的通信可以参照图2-1的通信系统。

• 单一：使用标准化的技术。
• 自主：计算机之间没有主从。
• 互联：互联互通。

互联网(Internet)：

网络之间通过路由器/交换机等设备互联而成的网络。

2.2 按照网络的作用范围分

2.2.1 WAN ， Wide Area Network 广域网

广域网传播范围广，一般用于世界的国家、地区之间的网络连接，一般范围为几十到几千公里不等。远距离传输，需要高速链路。

2.2.2 MAN ，Metroplitan Area Network 城域网

城域网一般用于城际信息的传输，一般使用的技术为以太网，传输范围为5~50km。

2.2.3 LAN ， Local Area Network 局域网

局域网的作用范围一般就是1km左右，公司、学校一般都有多个局域网（企业网/校园网）。

交换机连接上层网络，一般为MAN城域网或者上层的LAN。

2.2.4 PAN ，Personal Area Network 个人局域网

一般使用无线技术，因此也常被称为WPAN。我们手机都有共享WIFI，共享热点的功能，这些功能就是使用PAN技术。

当然现在的手机还有共享WIFI的功能。

2.3 按照网络的使用者分

• 公用网络：电信运营商出资建造的大型网络。接入需要一定费用。（简称外网）
• 专用网络：单位内部建造的网络。这种网络不向本单位以外的公众开放。（简称内网）

2.4 物理网络拓扑类型

三.计算机网络的相关指标

3.1 非性能指标

3.1.1 价格

我是绍兴人，用个绍兴的资费列表。

如图100M的带宽，一年将近1120元开销。100M = 100*10^6/8/1024/1024 ≈ 11.92 MB/s的传输速度，网速大约为70%，也就是将近8.344MB/s。但是还有多人共享、带宽流量分配的问题，分到你手上的不多。

全国其他地区宽带价格查询，不要听那些当地营业厅忽悠的：

3.1.2 网速

网速：连接网络的主机在数字信道商的数据传输率。

一般用数据率或者比特率形容，一般使用bps作为单位(b/s)。

网速其实就是带宽的一个实际体现，如下3.2.1中写出了从带宽计算到最大网速的实例。

3.1.3 质量

可靠性、稳定性、扩展性、升级能力

3.2 性能指标

3.2.1 带宽

带宽：在单位时间内从网络中的某个点到另一个点能通过的”最高数据率“。

一般采用单位：比特每秒 b/s，也用kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s等。

注意：运营商一般都是吹带宽，因此100M带宽，这里的"兆"是10^6b/s，而不是计算机中的2^20b/s。

10M的(额定)带宽，也就是10*10^6/1024/1024 ≈ 9.53Mb/s。上行数据最大总带宽(约占100M的10%)约为0.95Mb/s,下行数据最大总带宽(约占100M的70%)约为6.68Mb/s。如果设备数多的话，或者设备带宽占用大的话，你的手机下行一般最大能分到0~1Mb/s，当然也会往上，这与带宽分配算法和实际的吞吐量有关系。
* 额定表示绝对上限。

3.2.2 吞吐量

吞吐量：单位时间内通过某个网络(或信道/接口)的实际数据量。

对于1Gb/s额定速率的以太网，也就是说该以太网的吞吐量绝对上限为1Gb/s,实际的吞吐量可能只有100Mb/s，并不会达到其额定速率。

3.2.3 时延

时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

• 发送时延: 主机/路由器发送数据帧所需要的时间。
• 传播时延: 传播介质在信道中的传播需要花的时间。
• 排队时延: 在通过若干个中间路由器时需要进行排队等待，这些时间的总和为排队时延。
• 处理时延: 主机/路由器收到数据分组需要进行一些处理需要花去的时间。

1) 发送时延

2)传播时延

传播时延 = 信道长度(s) / 传播介质在信道上的传播速度(m/s)

光纤中的传播速度为2.0*10^5 km/s , 1000km的传播时延就是5ms。

3)排队时延

分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定好转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。

排队时延的长短一般取决于当时的通信量，通信量非常大可能会导致溢出，使得分组丢失，这时排队时延就是无穷大。

4)处理时延

主机/路由器在收到分组时需要花一定时间处理。

• 分析分组的首部
• 从分组中提取数据部分
• 进行差错检验
• 查找适当的路由
• ...

小结:

我们打游戏的时延大头一般是传播时延。

例如晚上的时候参与瘟疫公司游戏的连机，一般会连到欧美玩家，这个时候时延非常大。这个时候就需要开加速器。

3.1.4 时延带宽积

用户买一个网络时，思考的最重要的点是？ -- 这个网络卡不卡。

这就一般是由网络时延 和 网络带宽的两部分影响因素。时延带宽积就是一个说明这个网络卡不卡的核心指标。

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

链路像一条空心管道，管道的截面大小为带宽，长度为传播时延。带宽越大，管道的截面越大，允许通过的数据速度越大；时延越小，管道长度越短，数据到达的时间越短。

某链路时延为20ms,带宽为10Mbit/s.则时延带宽积为 20*10^(-3)*10*10^6 = 2*10^5bit。

这表示，如果这条链路连续发数据，当第一个比特到达终点时，发送端就已经发送了20万个比特。时延带宽积也叫做以比特位单位的链路长度。

3.1.5 往返时间 ReTurn Time ,RTT

RTT: 从分组发送传输出去到另一段返回确认信息的时间。

A向B发送数据，如果数据长度是100MB，发送速率是100Mbit/s，那么发送时间大约为8.39s。

如果B正确收完100MB的数据，就需要返回确认。假定A需要收到ACK后才能继续向B发数据。假设往返时间RTT=2s，则可以计算其有效数据率大约为80.7Mbit/s。

因为数据是在持续发送的，发送传输的时间，总结为`分组(发送)时间 + RTT`，数据长度/发送传输总时间就是有效的数据率。

3.1.6 利用率

利用率分为信道利用率和网络利用率。信道利用率描述了当前信道的繁忙情况，就像一条马路，路上没有人，说明规划的不好；路上人太多了，就会造成拥堵。

带宽就是这条马路是几车道的，时延就是我需要等多久才能过去，而信道利用率则是这条路每秒进出多少人。

而网络利用率，则是计算这个街区平均进出多少人。也就是网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均值。

D----当前网络时延 ，D0----网络空闲时的时延，U----网络的利用率

信道/网络的利用率过高会产生非常大的时延。

4.网络协议栈/参考模型

阎锡山为了做山西土皇帝，山高皇帝远，在自己势力范围内建造窄轨铁路，蒋介石国军的火车无法进入山西境内，无法便利调动军队、物资，实现一人独大的军阀割据格局。以互联网的眼光看，如果标准轨道铁路网是一个互联网，那阎锡山的窄轨铁路就是一个自我封闭的局域网，为了打破这种非标准化的私有标准，需要制定一个大家都遵守的国际标准。
(参考： 关于OSI模型的一些疑问？)

为了建立标准化、可扩展、易于维护的网络结构体系，采用分层的方式建立了网络协议栈的参考模型。目前世界上主要流行的参考模型为OSI七层协议、TCP/IP四层协议栈以及五层协议栈。(图4-1)

为什么需要参考模型？

• 各层工作独立，层之间提供标准化结构，降低协议工作的复杂度。
• 灵活，任何一层改变不会影响其他层。
• 易于维护，每层都可以单独调试。
• 每层的实现技术可以不同，降低了实现的复杂度。
• 标准化。

4.1 OSI七层参考模型

4.2 TCP/IP四层协议栈

这个一般是程序员界(应用界)讲的最多的模型，因为它最简单、起名字最直接，能够很快的点明设计的要点。

• 1)网络接口层 : 物理层 + 数据链路层
• 2)IP层: 网际层，对应网络层
• 3)TCP/UDP层：运输层
• 4)应用层

4.3 五层参考模型

五层参考模型结合了OSI七层模型的标准与TCP/IP四层协议栈的简洁的优点，是学术界讲的最多的模型。本系列主题将使用本模型进行介绍。

1）物理层

物理层的单位是bit。这一层我们的要求不高，物理层主要考虑的是如何在各种计算机的传输媒体上传输比特流。

图4-3的上半部分描述了计算机物理层的主要工作。物理层中，主要通过调制解调器进行模数转化，计算机主要进行比特流的解读。

很眼熟吧，没错，调制解调器就是我们经常说的猫，通过猫之后，信号就可以接入电话线了。

2）数据链路层

主要讨论在一个局域网中，分组怎么从一个主机，传输到另一台主机，但并不经过路由器的转发。也就是网络内的传输，跨网络的传输在网络层讨论。

本层的数据单位为帧，上层的IP数据报传入本层封装成帧之后往下传递。

3）网络层

网络层讨论网络互连的问题，也就是网络直接通过路由器、交换机等设备进行连接，简单说就是跨网络的数据传输问题。

本层针对的数据格式为IP数据报，本层的协议比较少，IP、ICMP。

4）传输层

传输层主要解决的是端到端服务的问题(也就是主机到主机的数据沟通)。

传输层基于网络层，建立了一些用于数据传输的协议。比较核心的就是TCP、UDP协议。

传输层的处理数据单位叫做用户数据报，有时也叫做报文段。

5）应用层

应用层主要是解决进程到进程之间的通信问题

问题:

1.数据在各层之间的传递过程？

2.交换机连接网络的思路是怎样的？

交换机中有一张MAC地址表，或者叫做端口地址表，记录了交换机的端口与所连机器设备MAC地址的对应关系表。

当某个帧经过这个交换机时，首先会查找帧中的MAC地址是否存在表中，如果存在，就会把帧从交换机的对应端口输出；如果不存在，就会向所有的端口发送本帧。

3.集线器、路由器、交换机分别工作在哪个协议层？

集线器：只做中继和放大，将一条线分到多个计算机罢了。所在物理层。

调制解调器(猫) : 做模数转换，工作在物理层。

交换机：连接网络的中间节点，其工作原理在问题2中说明，主要用于解决主机之间网络的建立的问题，因此工作在数据链路层。

路由器：是一台特殊功能计算机，既然是计算机，所在一定是网络层(IP层)。从图4-7中也可以发现数据到路由器被解包到IP层处理之后排队继续封装传递。

参考致谢

[1] 哈尔滨工业大学计算机网络课程 计算机网络_中国大学MOOC(慕课)

[2] 华南理工大学计算机网络课程 计算机网络_华南理工大学_中国大学MOOC(慕课)

[3] 谢希仁.计算机网络（第七版）[M].北京:电子工业出版社,2017.1:1-38

2019年7月3日晚20：00完成，于长沙。修正维护中 ......