第一章 计算机网络概述

第 1 章 概述 1.1 计算机网络在信息时代中的作用 1.2 因特网概述 1.2.1 网络的网络 1.2.2 因特网发展的三个阶段 第 1 章 概述 1.1 计算机网络在信息时代中的作用 1.2 因特网概述 1.2.1 网络的网络 1.2.2 因特网发展的三个阶段 1.2.3 因特网的标准化工作 1.3 因特网的组成 1.3.1 因特网的边缘部分 1.3.2 因特网的核心部分

第 1 章 概述（续） 1.4 计算机网络在我国的发展 1.5 计算机网络的类别 1.5.1 计算机网络的定义 第 1 章 概述（续） 1.4 计算机网络在我国的发展 1.5 计算机网络的类别 1.5.1 计算机网络的定义 1.5.2 几种不同类别的网络 1.6 计算机网络的性能 1.6.1 计算机网络的性能指标 1.6.2 计算机网络的非性能特征

第 1 章 概述（续） 1.7 计算机网络的体系结构 1.7.1 计算机网络体系结构的形成 1.7.2 协议与划分层次 第 1 章 概述（续） 1.7 计算机网络的体系结构 1.7.1 计算机网络体系结构的形成 1.7.2 协议与划分层次 1.7.3 具有五层协议的体系结构 1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点 1.7.5 TCP/IP 的体系结构

1.1 计算机网络 在信息时代的作用 21 世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。 1.1 计算机网络 在信息时代的作用 21 世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。 网络现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。 网络是指“三网”，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。 发展最快的并起到核心作用的是计算机网络。

计算机网络向用户提供的 最重要的功能 连通性——计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。 共享——即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。

因特网(Internet)的发展 进入 20 世纪 90 年代以后，以因特网为代表的计算机网络得到了飞速的发展。 已从最初的教育科研网络逐步发展成为商业网络。 已成为仅次于全球电话网的世界第二大网络。

因特网的意义 因特网是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。 现在人们的生活、工作、学习和交往都已离不开因特网。

1.2 因特网概述 1.2.1 网络的网络 1.2.2 因特网发展的三个阶段 1.2.4 计算机网络在我国的发展 1.2 因特网概述 1.2.1 网络的网络 1.2.2 因特网发展的三个阶段 1.2.3 因特网的标准化工作 1.2.4 计算机网络在我国的发展

1.2.1 网络的网络 起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网 1.2.1 网络的网络 起源于美国的因特网现已发展成为世界上最大的国际性计算机互联网 网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。 结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器

1.2.1 网络的网络 互联网是“网络的网络”(network of networks)。 因特网是世界上最大的互联网。 1.2.1 网络的网络 互联网是“网络的网络”(network of networks)。 因特网是世界上最大的互联网。 连接在因特网上的计算机都称为主机(host)。

请注意名词“结点” “结点”的英文名词是 node。 但数据结构的树(tree)中的 node 应当译为“节点”。

(a) (b) 网络 互联网（网络的网络） 结点 链路 图例

主机 因特网 因特网与连接的主机

网络与因特网 网络把许多计算机连接在一起。 互联网则把许多网络连接在一起。 因特网是世界上最大的互联网。

1.2.2 因特网发展的三个阶段 第一阶段是从单个网络 ARPANET（1969年） 向互联网发展的过程。 1.2.2 因特网发展的三个阶段 第一阶段是从单个网络 ARPANET（1969年） 向互联网发展的过程。 1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。 人们把 1983 年作为因特网的诞生时间。

internet 和 Internet 的区别 以小写字母 i 开始的 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。 以大写字母I开始的的 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，且其前身是美国的 ARPANET。

三级结构的因特网 第二阶段（1985）的特点是建成了三级结构的因特网。 三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。 公路网：国道、省道

多层次 ISP 结构的因特网 第三阶段（1993）的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的因特网。 出现了因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。

用户通过 ISP 上网 用户 因特网 服务提供者 因特网 ISP1 ISP2 根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的 IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同的层次。

基于ISP的多层结构的因特网的概念示意图 第三层 本地 ISP 本地 ISP 第二层 本地 ISP 第二层 ISP 大公司 第一层 本地 ISP 大公司 本地 ISP 第一层 ISP 第一层 ISP 第二层 ISP 本地 ISP 本地 ISP 第二层 ISP 一级 ISP NAP 一级 ISP NAP 第一层 ISP 第二层 ISP 本地 ISP 本地 ISP 第二层 ISP 第二层 ISP 大公司 本地 ISP 本地 ISP 本地 ISP 本地 ISP 公司 A B 校园网 校园网 校园网 校园网 主机A → 本地 ISP → 第二层 ISP → NAP → 第一层 ISP → NAP → 第二层 ISP → 本地 ISP → 主机B 基于ISP的多层结构的因特网的概念示意图

万维网 WWW 的问世 因特网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络，没有人能够准确说出因特网究竟有多大。 因特网的迅猛发展始于 20 世纪 90 年代。由欧洲原子核研究组织 CERN 开发的万维网 WWW (World Wide Web)被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。

因特网的发展情况概况 网络数 主机数 用户数 管理机构数 1980 10 102 102 100 1990 103 105 106 101 网络数 主机数 用户数 管理机构数 1980 10 102 102 100 1990 103 105 106 101 2000 105 107 108 102 2005 106 108 109 103

1.2.3 关于因特网的标准化工作 因特网协会 ISOC 因特网体系结构 研究委员会 IAB 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 1.2.3 关于因特网的标准化工作 标准化工作的重要性、复杂性、特点（面向公众） 因特网协会 ISOC 因特网体系结构 研究委员会 IAB 因特网研究部 IRTF 因特网工程部 IETF 因特网工程指导小组 IESG 因特网研究指导小组 IRSG … 领域 领域 RG … RG … … WG WG WG WG

制订因特网的正式标准要经过以下的四个阶段 因特网草案(Internet Draft) ——在这个阶段还不是 RFC 文档。 建议标准(Proposed Standard) ——从这个阶段开始就成为 RFC 文档。 草案标准(Draft Standard) 因特网标准(Internet Standard) RFC：Request For Comments

各种RFC之间的关系 因特网草案 实验的 RFC 建议标准 提供信息的 RFC 草案标准 6 种 RFC 因特网标准 历史的 RFC

1.3 因特网的组成 1.3.1 因特网的边缘部分 1.3.2 因特网的核心部分

1.3 因特网的组成 从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块： 1.3 因特网的组成 从因特网的工作方式上看，可以划分为以下的两大块： (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）。

因特网的边缘部分与核心部分 因特网的边缘部分 主机 路由器 网络 因特网的核心部分

1.3.1 因特网的边缘部分 处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(end system)。 1.3.1 因特网的边缘部分 处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(end system)。 “主机 A 和主机 B 进行通信”，实际上是指：“运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信”。 即“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信”

两种通信方式 在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类： 客户服务器方式（C/S 方式） 即Client/Server方式 对等方式（P2P 方式） 即 Peer-to-Peer方式

1. 客户服务器方式 客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。 1. 客户服务器方式 客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。 客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。 客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

客户 A 向服务器 B 发出请求服务， 而服务器 B 向客户 A 提供服务。 运行 客户 网络边缘 程序 运行 服务器 程序 A ① 请求服务 B ② 得到服务 客户 网络核心 服务器 客户 A 向服务器 B 发出请求服务， 而服务器 B 向客户 A 提供服务。

客户软件的特点 被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器软件的特点 一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

2. 对等连接方式 对等连接(peer-to-peer，简写为 P2P)是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

对等连接方式的特点 对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。

运行 运行 E C P2P 程序 P2P 程序 网络边缘 网络核心 F D 运行 运行 P2P 程序 P2P 程序 例如主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户，D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。

1.3.2 因特网的核心部分 网络核心部分是因特网中最复杂的部分。 1.3.2 因特网的核心部分 网络核心部分是因特网中最复杂的部分。 网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。

1.3.2 因特网的核心部分 在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。 1.3.2 因特网的核心部分 在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)。 路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

1. 电路交换的主要特点 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。  

更多的电话机互相连通  5 部电话机两两相连，需 10 对电线。 N 部电话机两两相连，需 N(N – 1)/2 对电线。 当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。 

使用交换机 当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。   …   交换机     

“交换”的含义 在这里，“交换”(switching)的含义就是转接——把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

电路交换的特点 电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段： 建立连接（占用通信资源） 通信（一直占用通信资源） 释放连接（归还通信资源）

电路交换举例 ( ( ( ( A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行 交换机 中继线 交换机 用户线 中继线 A C s2 s4 用户线 ( D s1 s3

电路交换举例 ( ( ( ( C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行 交换机 中继线 交换机 用户线 中继线 A B ( 交换机 ( 交换机 ( C s2 s4 用户线 ( D s1 s3

电路交换传送计算机数据效率低 计算机数据具有突发性。线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%。 这导致通信线路的利用率很低。

2. 分组交换的主要特点 采用存储转发技术 报文(message)：欲发送的整块数据 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 报文 1101000110101010110101011100010011010010 假定这个报文较长 不便于传输

添加首部构成分组 每一个数据段前面添加上首部构成分组。 请注意：现在左边是“前面” 报文 数 据 数 据 数 据 分组 1 首部 分组 2 数 据 数 据 数 据 分组 1 首部 分组 2 header 首部 packet 分组 3 首部 请注意：现在左边是“前面”

分组交换的传输单元 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。 数 据 首部 分组 1 数 据 数 据 首部 分组 1 数 据 首部 分组 2 数 据 首部 分组 3

分组首部的重要性 每一个分组的首部都含有地址等控制信息。 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。

收到分组后剥去首部 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。 分组 1 首部 数 据 分组 2 首部 数 据 分组 3 首部 数 据 收到的数据

最后还原成原来的报文 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。 报文 1101000110101010110101011100010011010010 数 据 数 据 数 据

分组交换 发送端 发 送 发 送 发 送 接收端 11010011101 • • • • • • • • 00101001110 在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块 每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包） 依次把各分组发送到接收端 接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文 11010011101 • • • • • • • • 00101001110 报文 发送端 数 据 数 据 数 据 首部 首部 首部 分组 分组 分组 发送 在前 发 送 发 送 发 送 数 据 首部 数 据 首部 数 据 首部 数 据 数 据 数 据 接收端 11010011101 • • • • • • • • 00101001110

因特网的核心部分 因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在因特网的边缘部分。 在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。 主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。

网络核心部分 H4 H2 路由器 H6 网络 主机 H1 H5 H3

网络核心部分 H4 H2 路由器 B H6 D E 主机 A H1 H5 C 发送的 分组 H3

分组交换网的示意图 注意分组路径的变化！ H2 向 H6 发送分组 H1 向 H5 发送分组 H4 H2 D 路由器 B H6 主机 H1 E H2 向 H6 发送分组 A H1 向 H5 发送分组 H5 C H3 互联网

注意分组的存储转发过程 在路由器 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在路由器 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在路由器 E 暂存 H4 H2 在路由器 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在路由器 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口 在路由器 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口 最后到达目的主机 H5 D 路由器 H1 向 H5 发送分组 B H6 主机 H1 E A H5 C H3 互联网

路由器 在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。 路由器处理分组的过程是： 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）； 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发； 把分组送到适当的端口转发出去。

主机和路由器的作用不同 主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。 路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。

分组交换的优点 高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。 可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。

分组交换带来的问题 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

存储转发原理 并非完全新的概念 在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。 报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。

三种交换的比较 电路交换 报文交换 分组交换 A B C D A B C D A B C D 报 文 P1 连接建立 P2 P1 P3 P2 数据传送 报文 P3 P4 连接释放 报 文 t A B C D A B C D A B C D 报文 报文 报文 分组 分组 分组 比特流直达终点 数据传送 的特点 存储 转发 存储 转发 存储 转发 存储 转发

计算机网络的产生背景 是 20 世纪 60 年代美苏冷战时期的产物。 60 年代初，美国国防部领导的远景研究规划局ARPA (Advanced Research Project Agency) 提出要研制一种生存性(survivability)很强的网络。 传统的电路交换(circuit switching)的电信网有一个缺点：正在通信的电路中有一个交换机或有一条链路被炸毁，则整个通信电路就要中断。 如要改用其他迂回电路，必须重新拨号建立连接。这将要延误一些时间。

新型网络的基本特点 网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话。 网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。 所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性。 计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。 网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。

ARPANET的成功使 计算机网络的概念发生根本变化 早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网 各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。 分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。 用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。

从主机为中心到以网络为中心 以主机为中心 以分组交换网为中心 主机 终端 主机 分组交换网

1. 4 计算机网络在我国的发展 1980年铁道部进行计算机联网实验。 1989年我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。 1. 4 计算机网络在我国的发展 1980年铁道部进行计算机联网实验。 1989年我国第一个公用分组交换网CNPAC建成运行。 1994年4月20日，用64kb/s专线正式连入因特网。 1994年5月中国科学院高能物理研究所设立我国第一个万维网服务器。

1. 4 计算机网络在我国的发展 (1) 中国公用计算机互联网 CHINANET (2) 中国教育和科研计算机网 CERNET 1. 4 计算机网络在我国的发展 (1) 中国公用计算机互联网 CHINANET (2) 中国教育和科研计算机网 CERNET (3) 中国科学技术网 CSTNET (4) 中国联通互联网 UNINET (5) 中国网通公用互联网 CNCNET (6) 中国国际经济贸易互联网 CIETNET (7) 中国移动互联网 CMNET (8) 中国长城互联网 CGWNET（建设中） (9) 中国卫星集团互联网 CSNET（建设中）

1.5 计算机网络的分类 1.5.1 计算机网络的不同定义 最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。 1.5 计算机网络的分类 1.5.1 计算机网络的不同定义 最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。 最简单的计算机网络：两台计算机互连。 最庞大的：因特网(Internet)是“网络的网络”。

1.5.2 几种不同类别的网络 不同作用范围的网络 广域网 WAN (Wide Area Network) 1.5.2 几种不同类别的网络 不同作用范围的网络 广域网 WAN (Wide Area Network) 局域网 LAN (Local Area Network) 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)

广域网WAN（Wide Area Network） 作用范围：几十到几千公里 是Internet的核心部分，长距离运送数据 高速链路，通信容量大 本课程不专门讲述广域网

城域网MAN（Metropolitan Area Network） 作用范围：5到50公里，介于广域网和局域网之间 是广域网和局域网之间的桥接区 多采用以太网技术，故常并入局域网进行讨论

局域网LAN（Local Area Network） 作用范围：1公里左右 用于校园网、企业网 详细讨论

2. 不同使用者的网络 从网络的使用者进行分类 公用网 (public network) 专用网 (private network)

公用网 (Public Network) 由国家电信公司出资建造的大型网络，面向公众提供服务 也称公众网，收费

专用网 (Private Network) 由某部门出资建造的网络，供内部使用 电力、铁路、银行、军队等

用来把用户 接入到因特网的网络 接入网 AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。 由 ISP 提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。

… … 广域网、城域网、接入网以及局域网的关系 广域网 城域网 城域网 接入网 接入网 接入网 接入网 接入网 接入网 局域网 校园网 企业网 个人计算机

1.6 计算机网络的性能 1.6.1 计算机网络的性能指标 速率 带宽 吞吐量 时延 时延带宽积 往返时间RTT 利用率

1.6 计算机网络的性能 1.6.1 计算机网络的性能指标 1. 速率 1.6 计算机网络的性能 1.6.1 计算机网络的性能指标 1. 速率 比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。 bit 来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。

1.6 计算机网络的性能 1.6.1 计算机网络的性能指标 1. 速率 速率：指主机在数字信道上传送数据的速率，即单位时间传送的比特数。 1.6 计算机网络的性能 1.6.1 计算机网络的性能指标 1. 速率 速率：指主机在数字信道上传送数据的速率，即单位时间传送的比特数。 也称数据率(data rate)或比特率(bit rate)，是计算机网络中最重要的一个性能指标。 速率的单位是 b/s（bps），或kb/s, Mb/s, Gb/s 等

2. 带宽 “带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度（频率范围），单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。 2. 带宽 “带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度（频率范围），单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。 现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或 b/s (bit/s)。用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力。

常用的带宽单位 更常用的带宽单位是 请注意：在计算机界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。 千比特每秒，即 kb/s （103 b/s） 兆比特每秒，即 Mb/s（106 b/s） 吉比特每秒，即 Gb/s（109 b/s） 太比特每秒，即 Tb/s（1012 b/s） 请注意：在计算机界，K = 210 = 1024 M = 220, G = 230, T = 240。

数字信号流随时间的变化 在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。 带宽为 1 Mb/s 带宽为 4 Mb/s 1 s 时间 每秒 106 个比特 时间 1 0 1 0 1 1 1 s 带宽为 1 Mb/s 时间 每秒 4  106 个比特 0.25 s 带宽为 4 Mb/s

3. 吞吐量 吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。 吞吐量更经常地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网络的额定速率的限制。 单位：bps

4. 时延(delay 或 latency) 指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间，也称为延迟或迟延。 发送时延 传播时延 处理时延 排队时延

4. 时延(delay 或 latency) （1）发送时延（transmission delay） 发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。 也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。 发送时延 = 数据块长度（比特） 信道带宽（比特/秒） 高速收费站 银行……

时延(delay 或 latency) （2）传播时延（propogation delay） 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。 信号传输速率（即发送速率）和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。 传播时延 = 信道长度（米） 信号在信道上的传播速率（米/秒）

时延(delay 或 latency) （3）处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。 分析分组的首部 提取数据部分 进行差错检验 查找路由

时延(delay 或 latency) （4）排队时延 分组在缓存中排队等待处理所经历的时延。 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

时延(delay 或 latency) 数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和： 总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

四种时延所产生的地方 从结点 A 向结点 B 发送数据 在结点 A 中产生 处理时延和排队时延 在链路上产生 传播时延 在发送器产生传输时延 (即发送时延) 数据 … 1 0 1 1 0 0 1 队列 链路 结点 A 发送器 结点 B 高速公路

容易产生的错误概念 对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。 提高链路带宽减小了数据的发送时延。 “光纤信道的传输速率高 ”是指向光纤信道发送数据的速率可以很高

5. 时延带宽积 （传播）时延 带宽 链路 时延带宽积 = 传播时延  带宽 管道的体积，表示链路可以容纳多少比特 5. 时延带宽积 （传播）时延 带宽 链路 时延带宽积 = 传播时延  带宽 管道的体积，表示链路可以容纳多少比特 表示从发送端发出的但尚未到达接收端的比特数。 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。 放行车辆

6. 往返时延 RTT 往返时延 RTT (Round-Trip Time) 表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。 禁止通行

7. 利用率 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。 网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。 信道利用率并非越高越好。

时延与网络利用率的关系 根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。 若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0之间的关系： U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。

时延 D 时延 急剧 增大 D0 利用率 U 1 信道利用率不超过50%，否则就要扩容，增大带宽。

1.6.2 计算机网络的非性能特征 费用 质量 标准化 可靠性 可扩展性和可升级性 易于管理和维护

1.7 计算机网络的体系结构 1.7.1 计算机网络体系结构的形成 1.7.2 协议与划分层次 1.7.3 具有五层协议的体系结构 1.7 计算机网络的体系结构 1.7.1 计算机网络体系结构的形成 1.7.2 协议与划分层次 1.7.3 具有五层协议的体系结构 1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点 1.7.5 TCP/IP 的体系结构

计算机网络的体系结构 计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。 什么是计算机网络的体系结构？ 计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。 体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。

体系结构 与 实现 实现(implementation)是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题。 体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。 建筑：图纸与建筑实体

1.7.1 计算机网络体系结构的形成 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 举例 1.7.1 计算机网络体系结构的形成 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。 举例 “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。

网络上的两台计算机互相传送文件 发起通信的主机必须将数据通信的通路进行激活，即发出一些信令，保证要传送的数据能在这条通路上正确发送和接收。 要告诉网络如何识别接收数据的主机。 发起通信的主机必须查明对方主机是否已经开机，并且与网络连接正常。 发起通信的主机中的应用程序必须弄清楚，在对方主机中的文件管理程序是否已做好文件接收和存储的准备工作。

网络上的两台计算机互相传送文件 若双方的文件格式不兼容，则至少其中一方应完成格式转换功能。 对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或丢失，网络中某个结点交换机出故障等，应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够收到正确的文件。

形成过程 1974年，IBM公司的系统网络体系结构SNA，按照分层的方法制订的。 同一公司生产的设备很容易互连 不同用户迫切要求能够互连 1977年，国际标准化组织ISO提出了开放系统互连基本参考模型OSI/RM（Open System Interconnection Reference Model），简称OSI。

关于开放系统互连参考模型 OSI/RM 世界语 只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。 在市场化方面 OSI 却失败了。 OSI 的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力； OSI 的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低； OSI 标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场； OSI 的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。

两种国际标准 1983年形成OSI的正式文件，即著名的ISO7498国际标准，七层协议的网络体系结构。 1983年TCP/IP协议成为Internet标准。 法律上的国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。 非国际标准 TCP/IP 现在获得了最广泛的应用。 TCP/IP 常被称为事实上的国际标准。 从某种意义上说，能够占领市场的就是标准

1.7.2 协议与划分层次 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 1.7.2 协议与划分层次 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。 网络协议(network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

网络协议的组成要素 语法 数据与控制信息的结构或格式 。 语义 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 语法 数据与控制信息的结构或格式 。 语义 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。 同步 事件实现顺序的详细说明。 裁判

划分层次的概念举例 主机 1 向主机 2 通过网络发送文件。 可以将要做的工作进行如下的划分。 第一类工作与传送文件直接有关。 确信对方已做好接收和存储文件的准备。 双方协调好一致的文件格式。 两个主机将文件传送模块作为最高的一层 。剩下的工作由下面的模块负责。

两个主机交换文件 只看这两个文件传送模块 好像文件及文件传送命令 是按照水平方向的虚线传送的 主机 1 主机 2 文件传送模块 文件传送模块 把文件交给下层模块 进行发送 把收到的文件交给 上层模块

再设计一个通信服务模块 通信服务模块用于保证文件和文件传送命令可靠地在两个系统之间交换。 主机 1 主机 2 只看这两个通信服务模块 好像可直接把文件 可靠地传送到对方 文件传送模块 文件传送模块 通信服务模块 通信服务模块 把文件交给下层模块 进行发送 把收到的文件交给 上层模块 通信服务模块用于保证文件和文件传送命令可靠地在两个系统之间交换。

例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。 再设计一个网络接入模块 主机 1 主机 2 文件传送模块 文件传送模块 通信服务模块 通信服务模块 网络 接口 网络 接口 网络接入模块 通信网络 网络接入模块 网络接入模块负责做与网络接口细节有关的工作 例如，规定传输的帧格式，帧的最大长度等。

分层的好处 各层之间是独立的： 每一层只实现一种相对独立的功能，将大而复杂问题分解为小而简单的问题。 灵活性好： 结构上可分割开： 适应变化，一层发生变化，不影响其他层。 结构上可分割开： 各层都可以采用最合适的技术来实现。 易于实现和维护 能促进标准化工作 每一层的功能及其提供的服务都有精确的说明

层数多少要适当 若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。 层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。

层 实现的功能 差错控制 流量控制 分段和重装 复用和分用 连接的建立和释放

1.7.3 具有五层协议的体系结构 OSI的七层协议体系结构既复杂又不实用，但概念清楚，理论较完整。 1.7.3 具有五层协议的体系结构 OSI的七层协议体系结构既复杂又不实用，但概念清楚，理论较完整。 TCP/IP 是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。但最下面的网络接口层并没有具体内容。 因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。

OSI与五层体系结构的比较 OSI 的体系结构 7 6 5 4 3 2 1 应用层 表示层 5 应用层 过于复杂，已经不使用表示层和会话层了 5 应用层 过于复杂，已经不使用表示层和会话层了 会话层 4 运输层 运输层 3 网络层 网络层 2 数据链路层 数据链路层 数据链路层 1 物理层 物理层

五层协议的体系结构 应用层(application layer) 运输层(transport layer) 网络层(network layer) 数据链路层(data link layer) 物理层(physical layer) 5 应用层 4 运输层 3 网络层 2 数据链路层 数据链路层 1 物理层

每层的主要功能 应用层(application layer) 直接为用户的应用进程提供服务。 进程：正在运行的程序。 www协议HTTP，电子邮件协议SMTP，文件传输协议FTP等

每层的主要功能 运输层(transport layer) 负责两个主机中进程之间的通信。 因特网的运输层可使用两种不同的协议： 传输控制协议TCP：面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。 用户数据协议UDP：无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”

每层的主要功能 网络层(network layer) 负责为分组交换网上的不同主机提供通信。 因特网的网络层也叫网际层或IP层。 网络层负责将运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组进行传送。 分清以下概念：分组、包，报文段，用户数据报，IP数据报 选择合适的路由，使源主机运输层传下来的分组，能通过网络中的路由器找到目的主机。 因特网的网络层也叫网际层或IP层。

每层的主要功能 数据链路层(data link layer) 将网络层交下来的IP数据报组装成帧（frame），在两个相邻结点的链路上传送以帧为单位的数据。 每一帧包括数据和必要的控制信息。

每层的主要功能 物理层(physical layer) 透明地传送比特流。传输数据的单位是bit。 传递信息的物理媒介，如双绞线、同轴电缆、光纤等，并不在物理层之内，而是在其下面，故可称为第0层。 透明：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。

主机 1 向主机 2 发送数据 数据在各层直接传递经历的变化 应用进程数据先传送到应用层 加上应用层首部，成为应用层 PDU AP1 AP2 加上应用层首部，成为应用层 PDU 5 5 4 PDU：协议数据单元（Protocol Data Unit ），指在对等层次上传送的数据单位 4 3 3 2 2 1 1

主机 1 向主机 2 发送数据 应用层 PDU 再传送到运输层 加上运输层首部，成为运输层报文 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 加上运输层首部，成为运输层报文 4 3 3 2 2 1 1

主机 1 向主机 2 发送数据 运输层报文再传送到网络层 加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组） 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 运输层报文再传送到网络层 4 3 加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组） 3 2 2 1 1

主机 1 向主机 2 发送数据 IP 数据报再传送到数据链路层 加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 IP 数据报再传送到数据链路层 3 2 加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧 2 1 1

主机 1 向主机 2 发送数据 数据链路层帧再传送到物理层 最下面的物理层把比特流传送到物理媒体 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 数据链路层帧再传送到物理层 2 2 1 最下面的物理层把比特流传送到物理媒体 1

主机 1 向主机 2 发送数据 电信号（或光信号）在物理媒体中传播 从发送端物理层传送到接收端物理层 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 4 4 3 3 电信号（或光信号）在物理媒体中传播 从发送端物理层传送到接收端物理层 2 2 1 1 物理传输媒体

主机 1 向主机 2 发送数据 物理层接收到比特流，上交给数据链路层 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 2 2 1

主机 1 向主机 2 发送数据 数据链路层剥去帧首部和帧尾部 取出数据部分，上交给网络层 主机 1 主机 2 AP2 AP1 5 5 4 4 3 3 数据链路层剥去帧首部和帧尾部 取出数据部分，上交给网络层 2 2 1 1

主机 1 向主机 2 发送数据 网络层剥去首部，取出数据部分 上交给运输层 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 2

主机 1 向主机 2 发送数据 运输层剥去首部，取出数据部分 上交给应用层 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 2

主机 1 向主机 2 发送数据 应用层剥去首部，取出应用程序数据 上交给应用进程 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3

主机 1 向主机 2 发送数据 我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！ 主机 1 主机 2 AP2 AP1 5 5 4 4 3 3 2 2

主机 1 向主机 2 发送数据 注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次 主机 1 主机 2 AP1 应用层首部 AP2 应 用 程 序 数 据 H5 AP2 应 用 程 序 数 据 H4 运输层首部 5 5 应 用 程 序 数 据 H3 网络层首部 4 H5 应 用 程 序 数 据 4 H2 链路层 首部 T2 链路层 尾部 3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 3 2 2 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 1 1 10100110100101 比 特 流 110101110101

主机 1 向主机 2 发送数据 计算机 2 的物理层收到比特流后 交给数据链路层 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 H2 T2 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 1 1 10100110100101 比 特 流 110101110101

主机 1 向主机 2 发送数据 数据链路层剥去帧首部和帧尾部后 把帧的数据部分交给网络层 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 3 2 2 H2 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 T2 1 1

主机 1 向主机 2 发送数据 网络层剥去分组首部后 把分组的数据部分交给运输层 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 H4 H5 应 用 程 序 数 据 4 4 3 H3 H4 H5 应 用 程 序 数 据 3 2 2 1 1

主机 1 向主机 2 发送数据 运输层剥去报文首部后 把报文的数据部分交给应用层 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 H5 应 用 程 序 数 据 5 H4 H5 应 用 程 序 数 据 4 4 3 3 2 2 1 1

主机 1 向主机 2 发送数据 应用层剥去应用层 PDU 首部后 把应用程序数据交给应用进程 主机 1 主机 2 AP1 应 用 程 序 数 据 AP2 5 H5 应 用 程 序 数 据 5 应用层剥去应用层 PDU 首部后 把应用程序数据交给应用进程 4 4 3 3 2 2 1 1

主机 1 向主机 2 发送数据 我收到了 AP1 发来的 应用程序数据！ 主机 1 主机 2 AP1 AP2 5 5 4 4 3 3 2 2

1.7.4 实体、协议、服务 和服务访问点 实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。（举例） 1.7.4 实体、协议、服务 和服务访问点 实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。（举例） 协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。 要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。

协议与服务 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。 下面的协议对上面的服务用户是透明的。 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。 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，这些命令在OSI中称为服务原语。

实体、协议、服务 和服务访问点（续） 服务用户 协议(n + 1) 第 n + 1 层 交换服务原语 交换服务原语 第 n 层 服务提供者 SAP SAP 第 n 层 服务提供者 实体(n) 协议(n) 实体(n) 同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。

协议很复杂 协议必须把所有不利的条件事先都估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。 be there or be square 看一个计算机网络协议是否正确，不能光看在正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。

著名的协议举例 【例1-1】 占据东、西两个山顶的蓝军1和蓝军2与驻扎在山谷的白军作战。其力量对比是：单独的蓝军1或蓝军2打不过白军，但蓝军1和蓝军2协同作战则可战胜白军。 现蓝军1拟于次日正午向白军发起攻击。于是用计算机发送电文给蓝军2。但通信线路很不好，电文出错或丢失的可能性较大（没有电话可使用）。因此要求收到电文的友军必须送回一个确认电文。但此确认电文也可能出错或丢失。试问能否设计出一种协议使得蓝军1和蓝军2能够实现协同作战因而一定（即100 %而不是99.999…%）取得胜利？

明日正午进攻，如何？ 同意 收到“同意” 这样的协议无法实现！ 收到：收到“同意” … … … … … … 1 2

结论 这样无限循环下去，两边的蓝军都始终无法确定自己最后发出的电文对方是否已经收到。 没有一种协议能使蓝军 100% 获胜。 烽火 飞鸽传书 信号弹

1.7.5 TCP/IP的体系结构 路由器在转发分组时最高只用到网际层 而没有使用运输层和应用层。 主机A 主机B 4 3 2 1 应用层 网络 接口层 应用层 运输层 网际层 网络 接口层 路由器 网际层 网络 接口层 网络 1 网络 2 路由器在转发分组时最高只用到网际层 而没有使用运输层和应用层。

OSI与TCP/IP体系结构的比较 OSI 的体系结构 TCP/IP 的体系结构 TCP/IP 的三个服务层次 各种 应用服务 7 6 5 4 3 2 1 应用层 应用层 表示层 (各种应用层协议如 TELNET, FTP, SMTP 等) 会话层 运输服务 (可靠或不可靠) 运输层 运输层(TCP 或 UDP) 网络层 无连接分组交付服务 网际层 IP 数据链路层 网络接口层 物理层

TCP/IP与OSI在处理上的不同 网际协议IP是TCP/IP的重要组成部分 TCP/IP并不一定指TCP和IP这两个具体的协议，往往是表示因特网使用的体系结构或整个TCP/IP协议族。

沙漏计时器形状的 TCP/IP协议族 Everything over IP IP 可为各式各样的应用程序提供服务 IP over Everything IP 可应用到各式各样的网络上 … … 应用层 HTTP SMTP DNS RTP 运输层 TCP UDP 网际层 IP 网络接口层 … 网络接口 1 网络接口 2 网络接口 3

【例1-2】客户进程和服务器进程 使用 TCP/IP 协议进行通信 应用层 应用层 ① 客户发起连接建立请求 客户 服务器 ② 服务器接受连接建立请求 运输层 运输层 以后就逐级使用下层 提供的服务 (使用 TCP 和 IP） 网络层 网络层 数据链路层 数据链路层 物理层 物理层 因特网

功能较强的计算机 可同时运行多个服务器进程 数据链路层 物理层 运输层 网络层 应用层 计算机 1 客户 1 计算机 2 客户 2 计算机 3 应用层 服务器 1 服务器 2 运输层 网络层 数据链路层 物理层 因特网

小结 网络体系就是为了完成计算机之间的通信合作，把每台计算机相连的功能划分成有明确定义的层次，并固定了同层次的进程通信的协议及相邻之间的接口及服务。 这个知识点要求我们对网络的概念、组成、分类、发展过程等内容要有所了解，同时还要理解网络分层结构、协议、接口、服务等概念，掌握ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型的区别与联系。