网络基础

提示

该系列笔记主要参考《数据通信与IP网络技术》、《TCP/IP协议及应用》、《数据通信与计算机网络》、《从实践中学习TCP/IP协议》、《TCP/IP入门经典（第5版）》、《TCP/IP网络协议分析与应用》《TCP/IP详解（卷1：协议）》、《一本书读懂TCP/IP》。

定义

计算机网络至今无确切的定义，处于不同阶段或从不同角度可以给出不同的定义。

计算机网络最简单的定义是：以实现远程通信为目的，一些互连的、独立自治的计算机的集合。这里，“互连”是指各计算机之间通过有线通信信道或无线通信信道彼此交换信息，“独立自治”则强调它们之间没有明显的主从关系。按此定义，早期的面向终端的计算机系统只能称为联机系统。但随着硬件价格的下降，许多“终端”都具有一定的智能，“终端”和“自治的计算机”之间的严格界限逐渐模糊。因此，早期面向终端的计算机系统也可称为计算机网络。

随着计算机网络技术的发展，特别是计算机网络体系结构的标准化，一般认为，计算机网络应具有以下三个主要组成部分（或要素）。

① 能向用户提供服务的若干主机；

② 由一些专用的通信处理机（即通信子网中的结点交换机）和连接这些结点的通信链路所组成的一个或数个通信子网；

③ 为主机与主机、主机与通信子网，或者通信子网中各个结点之间通信而建立的一系列协议，即通信双方事先约定的、共同遵守的一组规则。

顺便指出，计算机网络与分布式系统是两个容易混淆的术语，它们确有相似之处，但两者并不等同。它们之间的主要区别是：分布式系统的用户视整个系统为一个虚拟的大系统，多台主计算机的存在对用户是透明的（transparent）。而计算机网络则不然，用户必须先在欲运行程序的计算机上登录，然后按照该计算机的网络地址，将程序通过网络传送给该计算机去运行，最后根据用户的命令将结果由运行的计算机送回用户指定的计算机。这就是说，计算机网络范围内的一切活动均需用户参与管理。由此可见，它们之间的区别不在于硬件，而在于高层软件，尤其是分布式系统的管理软件应具有高度的全局性和透明性。因此，计算机网络不一定是分布式系统，但分布式系统却是一种颇具特色的计算机网络。

分类

对计算机网络分类方法有多种，下面介绍几种常见的分类方法。

（1）不同拓扑结构的网络

拓扑结构是指网络的结构构形。按网络的拓扑结构可分为星形、树状、总线形、环形和网格形，如下图所示。

星形结构的结点有主从之分，各从结点之间不能直接通信，必须经主结点（或称中心结点）转接。因此，网络中的所有信息流都流经中心结点，中心结点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性。通常在终端较集中处，设置集中器或复用器。此时网络构形呈树状。由于集中器是智能的，其输入链路容量之和可以超过输出链路的容量。集中式网络一般采用星形和树状的结构。

总线形结构是将所有结点均连接在一条总线上，诸结点共享总线资源。

环形结构将各结点连接成一个闭合的环，数据沿环传送。为了提高环的可靠性，可采用双环结构。环形和总线形是局域网最常采用的拓扑结构。

网格形结构中的任一结点至少与其他两个结点直接相连，甚至可能是全连接的，因而它的可靠性最高。分布式网络常采用网格形结构。现有网络的主干网大多是分布式的，而非主干网则是集中式的。

（2）不同覆盖范围的网络

根据网络的地理覆盖范围可分为互联网、广域网、局域网、城域网和个人区域网。

① 互联网（Internet）。把两个或多个网络连接起来而构成的网络。因特网是目前世界上最大最典型的互联网。

② 广域网WAN（Wide Area Network）。覆盖范围通常为几十到几千千米。主干线路采用具有较高通信容量的高速链路。广域网又称远程网。

③ 城域网MAN（Metropolitan Area Network）。覆盖范围介于广域网和局域网（或校园网）之间，如一个城市所管辖的范围。其作用距离为5～50km，传输速率比局域网高。从网络的组成层次来看，城域网是广域网和局域网（校园网）的桥接区。

④ 局域网LAN（Local Area Network）。覆盖范围较小（如1km左右），一般采用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，其传输速率通常在10Mb/s以上。在一个校园或企业内部把多个局域网互连起来，就构成了校园网或企业网。

⑤ 个人区域网PAN（Personal Area Network），简称个域网。个域网是在个人工作区内把使用的电子设备（如便携式计算机等）用无线技术连接起来的网络，作用范围在10m左右。

对于相距很近的中央处理机（如仅1m或更短），通常称为多处理机系统，而不称为计算机网络。

（3）不同服务对象的网络

网络的服务对象可分公用和专用两种。公用网是对全社会开放，提供多种服务的网络，如国家电信部门经营的公用数据网，只要按规定缴费便可提供服务。专用网是某个部门（如军队、铁路、电力、公安、金融等）因特殊需要而建造的网络。

（4）不同通信方式的网络

目前普遍使用的通信方式有两种：广播通信方式和点到点通信方式。由此可分为以下两种类型的网络：

① 广播网络（broadcast network）。该网络只有一个信道，网络上的所有机器都共享该信道。广播网络通过采用特殊的地址编码，使得网络中的每一台机器都能接收同一报文。这种模式称为广播（broadcasting）。若仅将报文发送给一部分机器，称为多播（multicasting）。广播通信方式适用于小型网络。

② 点到点网络（point-to-point network）。该网络是由许多连接构成，每一个连接对应于一对机器。在这种网络中，一个报文由源端传送到目的端可能要经过若干台中间结点机，也可能经由不同的路径。因此，寻找到一条合适的路径非常重要。点对点通信方式适用于大型网络。

（5）把用户接入因特网的网络

把用户接入因特网的网络称为接入网AN（Access Network），又称本地接入网或居民接入网。把用户从家中接入因特网可采用多种技术。通常由因特网服务提供者ISP（Internet Service Provider）提供的接入网只是起到让用户与因特网相连接的“桥梁”作用。在因特网发展初期，多数用户是通过电话线拨号接入因特网的。近年来，出现了多种宽带接入技术，宽带接入网已成为因特网的一个热门课题。

功能及应用

功能

计算机网络的主要功能体现在以下五个方面：

（1）资源共享。共享网络资源是开发计算机网络的动机之一。网络资源包括计算机硬件、软件和数据。硬件资源包括处理机、内（外）存储器和输入输出设备等，它是共享其他资源的基础。软件资源指各种语言处理程序、服务程序和应用程序等。数据包括各种数据文件和数据库中的数据等。通过资源共享，消除了用户使用计算机资源受地理位置的限制，也避免了资源的重复设置所造成的浪费。

（2）数据通信。这是计算机网络的基本功能。计算机联网之后，为用户互通信息提供了一个公用通信平台。随着因特网在世界各地的普及，传统通信业务受到很大冲击，电子邮件、网络电话、视频会议等现代通信方式已为世人广泛接受。

（3）提高系统的可靠性。一般来说，计算机网络中的资源是重复设置的，它们分布在不同的位置上，即使发生了少量资源失效的现象，用户仍可以通过网络中的不同路由访问到所需的同类资源，因而只会导致系统的降级使用，不会出现系统瘫痪。计算机网络的资源冗余性能，大大地提高了系统的可靠性。

（4）有利于均衡负荷。计算机网络通过合理的网络管理，将某时刻处于重负荷计算机上的任务分送给轻负荷的计算机去处理，可达到均衡负荷的目的。对地域跨度大的远程网络来说，充分利用时差因素来达到均衡负荷尤为重要。

（5）提供灵活的工作环境。用户通过网络把终端连接到办公地点的计算机上，就可以在家里办公。商务人员随身携带便携式计算机外出，随时可以上网与主管部门交换销售、管理等方面的重要数据，确定商务对策。

应用

计算机网络在工业、农业、交通运输、邮电通信、文化教育、金融贸易、科学研究及国防建设等领域都得到了广泛应用。工矿企业借助计算机网络进行生产过程的检测和控制，实现管理和辅助决策；交通运输部门利用网络进行交通运输信息的收集、分析，实现运行管理和车、船、飞机调度；电信部门则利用遍及全球的通信网为用户提供快速廉价的电信服务；文化教育部门利用网络进行情报资料检索和远程教育；金融贸易部门利用网络实现范围广泛的金融贸易服务；科学研究部门利用它进行大型的科学计算；国防部门则利用计算机网络进行情报收集、跟踪、控制与指挥。计算机网络已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础，对社会发展将产生不可逆转的影响。

性能指标

计算机网络的性能是大家十分关心的问题，常用若干性能指标来度量。下面介绍几个常用的性能指标。

1.速率

速率（speed）是指计算机网络中的主机在信道上单位时间内传输的数据量。其单位为比特/秒（即b/s或bps）。当速率较高时，可用kb/s、Mb/s、Gb/s或Tb/s，其中k表示千（103），M表示兆（106），G 表示吉（109），T表示太（1012）。这里所述的速率是指额定速率或标称速率。网络的实际速率往往比额定速率要低，因为它与许多因素（如主机的处理能力、信道容量、信道的拥塞状况等）有关。本书2.2.2小节将对速率进行更详细的解释。

2.带宽

带宽（bandwidth）是指某个信号所具有的频带宽度。由信号的频谱分析可知，一个信号可能包含有不同的频率成份，因此它的带宽也就是该信号的各种不同频率成份所占用的频率范围。过去通信线路传送的是模拟信号，通信线路允许传送的信号频率范围称为线路的带宽（或通频带），单位是赫（或千赫、兆赫等）。如今网络的通信线路可传送数字信号，带宽用来表示通信线路传送数据的能力，即从网络中的某一点到另一点所能达到的最高数据传输速率，单位是比特/秒（b/s）。当速率较高时，可在此单位前加上千（k）、兆（M）、吉（G）和太（T）。

3.吞吐量

吞吐量（throughput）是指单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量，其单位是比特/秒。吞吐量常用于对某个实际网络的性能测试。吞吐量受网络带宽或额定速率的限制。例如，一个100Mb/s的以太网，其带宽（或额定速率）是100Mb/s，但典型的吞吐量可能只有70Mb/s。吞吐量有时也可用字节/秒（或帧/秒）来表示。

4.时延

时延（delay）是指数据（一个报文或分组或比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要的时间。它是一个非常重要的指标。计算机网络的时延由以下几个部分组成。 （1）发送时延（transmission delay）。发送时延是主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送第一个比特开始，直到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。因此发送时延也称传输时延。其计算公式是：

（2）传播时延（propagation delay）。传播时延是指电磁波在信道中传播一定距离所花费的时间。其计算公式是：

电磁波在自由空间中的传播速率为光速，即3.0×105km/s。但在网络信道中的传播速率视采用的传输介质而异，在铜线电缆中的传播速率约为2.3×105km/s，在光缆中的传播速率约为2.0×105km/s。例如，1000km长的光缆产生的传播时延约为5ms。

（3）处理时延。处理时延是指主机或网络结点（结点交换机或路由器）处理分组所花费的时间，包括对分组首部的分析、从分组提取数据部分、进行差错检验和查找合适路由等。

（4）排队时延。排队时延是指分组进入网络结点后，需先在其输入队列中排队等待处理，以及处理完毕后在输出队列排队等待转发的时间。排队时延是处理时延的重要组成部分。排队时延的长短与网络的通信量有关。当网络的通信量很大时，可能产生队列溢出，致使分组丢失，这相当于处理时延为无穷大。

综上所述，数据在网络中的总时延是上述4种时延之和，即：总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

下图表示产生以上4种时延的示意图：

处理时延应视主机和路由器的处理速度而定。可见，总时延基本上取决于发送时延。

在计算机网络中，考虑到发送端与接收端的交互关系，有时要用到往返时延RTT（Round-Trip Time）这个性能指标，它表示从发送端发送数据，到发送端接收到来自接收端的确认所经历的时间。如果接收端收到数据立即发送确认，往返时延相当于传播时延的两倍。

上述吞吐量和时延都与网络负荷有关。当负荷低于网络容量时，吞吐量随输入负荷成正比例增大。当负荷接近网络容量时，由于输入负荷的到达使输入队列越来越长，分组被推迟到达终点，源点又因收不到确认而重传分组，这都使得延时和拥塞渐趋严重。当负荷超过网络容量时，因网络结点中的队列已无空位，就必须丢弃一些分组，且原来在网络传输的分组也因未能及时到达终点，源点又会重传这些分组，这都将使网络性能急剧下降。

5.时延带宽积

时延带宽积是指传播时延与带宽之乘积，即：时延带宽积=传播时延*带宽

这一概念可用一个圆柱形管道得以解释。其中，圆柱形管道代表链路，管道的长度为链路的传播时延，而管道的截面积为链路的带宽。因此，时延带宽积就相当于该管道的体积，表示链路中可以容纳的比特数。例如，设某段链路的传播时延为 20ms，带宽为 10Mb/s，则它的时延带宽积=20×10-3×10×106=2×105（b）。它表示，若发送端连续发送数据，则在发送的第一比特即将到达终点时，发送端总共已经发送了20万个比特，这20万个比特都正在链路上传输。因此，链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

如果发送端和接收端之间要经历若干个网络，上述时延带宽积的概念仍然适用，但管道的时延就不只是网络的传播时延，而是从发送端到接收端的所有时延之总和，包括在各个中间结点所引起的处理时延、排队时延和发送时延。

显然，对于一条正在传送数据的链路，只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才得到了充分的利用。

6.利用率

利用率分为信道利用率和网络利用率。信道利用率是指在规定时间内信道上用于传输数据的时间比例。如果信道根本没有传输数据，那么信道利用率就为零。网络利用率则是指全网络的信道利用率的加权平均值。通常，信道利用率力求高些，但并非越高越好。这是因为随着信道利用率的增高，网络通信量也随之增大，分组在网络结点上都须排队等候处理，时延也会迅速增加。在适当的假定条件下，网络利用率可用下式表示：

式中，D0是网络空闲时的时延；D 是网络的当前时延；U 的数值在 0 和 1 之间。此式表明，当网络利用率达到1/2时，当前时延就要加倍。而当网络利用率接近最大值1时，当前时延就会趋近于无穷大。这说明信道利用率或网络利用率的提高都会加大时延。因此，一些拥有较大主干网的 ISP 都把信道利用率控制在 50%以内，否则就要采取扩容措施，增大线路的带宽。 除了上面这些性能指标外，计算机网络还有一些非性能指标（如费用、质量、标准化、可靠性、可扩性、可升级性和可维性等），在评估计算机网络性能时也需要考虑。