第1章概述一、计算机网络概述1.计算机网络的概念、组成与功能（1）计算机网络的概念所谓计算机网络，就是指独立自治、相互连接的计算机集合。

自治是指每台计算机的功能是完整的，可以独立工作，其中任何一台计算机都不能干预其他计算机的工作，任何两台计算机之间没有主从关系。

相互连接是指计算机之间在物理上是互联的，在逻辑上能够彼此交换信息。

确切地讲，计算机网络就是用通信线路将分布在不同地理位置上的具有独立工作能力的计算机连接起来，并配置相应的网络软件，以实现计算机之间的数据通信和资源共享。

计算机网络的概念可以从三个角度进行定义：①按广义定义：计算机网络是利用通信线路将地理上分散的、具有独立功能的计算机系统和通信设备按不同的形式连接起来，以功能完善的网络软件及协议实现资源共享和信息传递的系统。

②按连接定义：计算机网络是将分布在不同地理位置上具有独立工作能力的计算机、终端及其附属设备用通信设备和通信线路连接起来，并配置网络软件，以实现计算机资源共享的系统。

③按需求定义：计算机网络是由大量独立的、但相互连接起来的计算机来共同完成计算机任务。

（2）计算机网络的组成从不同的角度，可以将计算机网络的组成分为以下三类：①在组成部分上，计算机网络主要由硬件、软件和协议三大部分组成。

硬件主要由主机、终端、传输介质和连接设备等组成。

软件主要包括网络操作系统和网络应用软件。

协议是计算机网络的核心，规定了网络传输数据时应该遵循的规范。

②在工作方式上，计算机网络（主要指Internet）可分为核心部分和边缘部分。

核心部分由大量的网络以及连接这些网络的路由器组成，负责为边缘部分提供连通性和交换服务；边缘部分由各主机构成，负责为用户提供信息处理和信息共享。

③在功能上，计算机可以分为通信子网和资源子网。

通信子网是用作信息交换的节点计算机和通信线路组成的独立通信系统，它承担全网的数据传输、转接、加工和交换等通信处理工作。

资源子网是网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合，为网络用户提供网络服务和资源共享功能等。

（3）计算机网络的功能计算机网络的功能主要体现在三个方面：信息交换、资源共享、分布式处理。

①信息交换是计算机网络的最基本的功能，主要完成计算机网络中各个节点之间的通信以及网络中各计算机之间的各种信息的传输，比如用户可以在网上传送电子邮件、发送消息新闻、电子购物、远程教育等。

②资源共享：网络上的计算机不仅可以使用自身的资源，也可以共享网络上的资源，这些资源包括软件和硬件资源。

提高了系统的利用率。

③分布式处理：将一项复杂的任务划分成许多部分，由网络内的计算机共同协作完成该项任务，使整个系统的性能提高。

2.计算机网络的分类（1）按地理范围划分①个人区域网（PAN）。

个人区域网是在个人工作的地方将电子设备（如平板电脑、智能手机等）用无线技术连接起来的网络，也常称为无线个人区域网WPAN，其范围大约在l0m。

②局域网（LAN）。

局域网是在局部范围内的网络，覆盖的地区范围较小，在计算机数量配置上没有太多限制，少则两台，多则几百台，地理上则局限在较小的范围如1km左右。

局域网特点是连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率快。

③城域网（MAN）。

城域网一般来说是在一个城市，将不同地理小区范围内的计算机互联，连接距离可以在5~50km。

城域网大多采用以太网技术。

④广域网（WAN）。

这种网络也称为远程网，所覆盖的范围比城域网（MAN）更广，它一般是将不同城市之间的LAN或者MAN网络互联，地理范围可从几十公里到几千公里。

广域网是因特网的核心部分。

连接广域网的各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。

（2）按交换方式划分①电路交换网络。

在源结点和目的结点之间建立一条专用的通路用于传送数据，包括建立连接、传输数据和断开连接三个阶段。

最典型的电路交换网是传统电话网络。

②报文交换网络。

报文交换网络是一种数字化网络。

将用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息，然后封装成报文。

整个报文传送到相邻结点，全部存储下来后，交换机根据报文的目的地址选择合适的路径发送报文，这种方式称作存储-转发方式。

③分组交换网络。

分组交换也采用报文传输，将一个长的报文划分为许多定长的报文分组，以分组作为传输的基本单位。

这不仅大大简化了对计算机存储器的管理，而且也加速了信息在网络中的传播速度。

由于分组交换优于电路交换和报文交换，具有许多优点，因此它已成为计算机网络的主流。

【例】关于数据交换，下列叙述不正确的是（）。

A.线路交换面向连接B.分组交换比报文交换具有更好的网络响应速度C．报文交换无存储转发过程D．分组交换有存储转发过程【答案】C【解析】数据交换方式的三种主要方式包括线路交换（即电路交换）、报文交换和分组交换，面向连接的只有线路交换，报文交换和分组交换采用存储转发方式。

由于分组交换的灵活性，使其具有更好的响应速度。

（3）按拓扑结构划分网络拓扑结构是指网络电缆构成的几何形状，它能从逻辑上表示网络服务器、工作站的网络配置和互相之间的连接关系。

按网络的拓扑结构，计算机网络主要可以分为星形、总线形、环形和网状形网络等。

星形、总线形和环形网络多用于局域网，网状网络多用于广域网。

①星形网络。

星型布局是以中央结点为中心与各结点连接而组成的，各结点与中央结点通过点对点方式连接，中央结点执行集中式通信控制策略，因此中央结点相当复杂，负担也重。

星形拓扑结构的优点：网络结构简单，便于管理、集中控制，组网容易，网络延迟时间短，误码率低；缺点：网络共享能力较差，通信线路利用率不高，中央节点负担过重，容易成为网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪。

②总线形网络。

用单根传输线把各结点连接起来。

总线形网络的优点是构建简单、增减结点方便；缺点是重负载时通信效率不高、总线任一处对故障敏感。

③环形网络。

环形网中各结点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环路上任何结点均可以请求发送信息。

请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。

环形网中的数据可以单向传输也可以双向传输。

④网状形网络。

一般情况下，每个结点至少有两条路径与其他结点相连，多用在广域网中。

网状形网络可分为规则型和非规则型两种。

其优点是可靠性高，缺点是控制复杂、线路成本高。

此外，网络的分类还有其它一些方法。

例如，按网络的使用性质进行分类，可以划分为专用网和公用网；按网络的适用范围和环境可以分为企业网、校园网等；按传输介质分类，可分为同轴电缆网（低速）、双绞线网（低速）、光纤网（高速）、微波及卫星网（高速）；按网络的带宽和传输能力进行分类，可分为系带（窄带）低速网和宽带高速网等。

3.计算机网络的标准化工作及组织计算机网络的标准化对计算机网络的发展和推广起到了极为重要的作用。

因特网的所有标准都以RFC（Request For Comments）的形式在因特网上发布。

RFC要上升为因特网正式标准需经过以下四个阶段：（1）因特网草案（Internet Draft）这个阶段还不是RFC文档。

（2）建议标准（Proposed Standard）从这个阶段开始就成为RFC文档。

（3）草案标准（Draft Standard）。

（4）因特网标准（Internet Standard）。

此外，还有三种RFC（历史的、饰演的和提供信息的RFC）。

各种RFC之间的关系如图1-1所示。

图1-1 各种RFC之间的关系尽管在世界各地存在着许多标准化组织，但是大部分的数据通信和计算机网络方面的标准主要是由以下一些机构制定并发布的：国际标准化组织（ISO）、国际电信联盟电信标准化部（ITU-T）、电气电子工程师协会（IEEE）、电子工业协会（EIA）和美国国家标准化协会（ANSI）以及互联网工程任务组（IETF）。

4.计算机网络的性能指标性能指标是从不同方面度量计算机网络的性能。

（1）带宽带宽表示网络的通信线路所传送数据的能力，是单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。

单位是“比特每秒”（b/s）。

（2）吞吐量吞吐量是指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

（3）时延时延是指数据从网络的一端传送到另一端所需要的时间，它由四个部分构成：①发送时延：主机或路由器发送数据帧所需要的时间。

发送时延＝数据帧长度（b）/信道宽度（b/s）②传播时延：电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。

传播时延＝信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速率（m/s）③处理时延：主机或路由器在收到分组时用于处理的时间。

④排队时延：分组进入路由器后要先在输入队列中等待处理。

在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发的时间。

总时延＝发送时延＋传播时延＋处理时延＋排队时延。

（4）时延带宽积链路能容纳的比特数。

时延带宽积＝传播时延×信道带宽（5）往返时延（RTT）从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认）经历的时间。

（6）速率网络中的速率是指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，也称为数据率或比特率，单位是b/s（比特每秒）（或bit/s）。

二、计算机网络体系结构与参考模型1.计算机网络分层结构（1）分层定义及优点①一般把两台计算机之间数据通信这一任务划分成一些子任务，不同的子任务由不同的模块单独完成，而且这些模块之间形成单向依赖关系，即模块之间是单向的服务与被服务的关系，从而构成层次关系，这就是分层。

②层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能｡分层结构还有利于交流、理解和标准化｡（2）分层的原则①每层的功能应是明确的，并且相互独立的。

当某一层的具体实现方法更新时，只要保持上下层解口不变，便不会对其它层产生影响。

②层间解口必须清晰，跨越解口的信息量应尽量少。

③层数应适中。

若层数太少，则造成每一层的计算机网络协议太复杂；若层数太多，则体系结构过于复杂，使描述和实现每层功能变得困难。

（3）网络的体系结构依据一定的规则，将分层后的网络从低层到高层依次称为第1层、第2层……第n层。

在计算机网络的分层结构中，第n层中的活动元素通常称为n层实体。

具体地，实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程，通常是一个特定的软件模块。

在不同机器把同一层称为对等层，同一层的实体叫做对等实体。

n层实体实现的服务为n＋1层所利用。

一般把计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构。

2.计算机网络协议、接口、服务等概念（1）协议协议是指计算机网络同层次中，通信双方必须遵循的控制信息交换规则的集合。

协议由语法、语义和同步三部分组成。

语法规定了传输数据的格式；语义规定了所要完成的功能，即需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种应答；同步规定了执行各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。