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1.1 信息时代的计算机网络
1. 计算机网络各类应用 2. 计算机网络带来的负面问题 3. 我国互联网发展情况 1.2 因特网概述
1. 网络、互连网#xff08;互联网#xff09;与因特网的区别与关系 如图所示#xff0… 深入浅出计算机网络 微课视频_哔哩哔哩_bilibili 第一章概述
1.1 信息时代的计算机网络
1. 计算机网络各类应用 2. 计算机网络带来的负面问题 3. 我国互联网发展情况 1.2 因特网概述
1. 网络、互连网互联网与因特网的区别与关系 如图所示笔记本电脑是一个节点node、台式电脑是一个节点、服务器是一个节点、网络打印机是一个节点而将它们互连起来的交换机也是一个节点节点之间的互连还需要使用链路这样就构成了一个使用有线链路的简单网络。 另外我们日常生活中比较常用的还有使用无线链路的网络为了简单起见我们可以用一朵云来表示一个网络而网络内部的细节不用给出。 请思考一下如果要将这两个网络互连起来需要使用什么设备呢答案是网络之间需要通过路由器进行互连。 若干个网络通过多个路由器互连起来就构成了互连网互联网。如果我们忽略互连细节则可将互连网看作是一个覆盖范围更大的网络因此也可称其为网络的网络为了简单起见互连网互联网也可用一朵云来表示。 因特网是我们几乎每天都会使用的网络它是当今世界上最大的互连网互联网其用户数以亿计互连的网络数以百万计因特网也常常用一朵云来表示其内部各种路由器和异构型网络的互连细节不用给出一般也难以给出。 连接在因特网上的各种通信设备例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式电脑、服务器、网络打印机和可连网家用电器等成为主机Host而路由器是用于网络互连的专用设备一般不称其为主机。 2. 网络、互连网互联网与因特网的区别与关系总结 综上所述我们可以将网络、互连网互联网与因特网的区别与关系总结如下 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 需要说明的是我们有时并没有严格区分互连网和因特网这两个名词许多人口中的互联网实际上是指因特网。 这里我们需要区分一下这两个英文单词的含义 以小写字母 i 开头的英文单词 internet 是一个通用名词翻译为互连网互联网它泛指由多个计算机网络互连而成的网络在这些网络之间的通信协议可以是任意的。 以大写字母 I 开头的英文单词 Internet 则是一个专用名词翻译为因特网它专指当前全球最大的、开放的、由众多网络和路由器互连而成的特定计算机网络在这些网络之间必须使用 TCP/IP 协议族作为通信规则。 3. 因特网简介
1. 因特网发展的三个阶段 如图所示因特网的基础结构大体上经历了以下三个阶段的演进 第一阶段从单个网络 ARPANET 向互连网发展。1969 年美国国防部创建了第一个分组交换网 ARPANET。到了 20 世纪 70 年代中期人们意识到不可能只用一个单独的网络来满足所有的通信问题于是开始研究网络互连问题。1983 年 TCP/IP 协议族成为 ARPANET 上的标准协议任何使用 TCP/IP 协议组的计算机都能通过网络互连而通信。因此1983 年成为了因特网的诞生时间。 第二阶段逐步建成三级结构的因特网。从 1985 年起美国国家科学基金会 NSF 就围绕六个大型计算机中心建设计算机网络也就是国家科学基金网 NSFNET。它是一个三级结构的网络分为主干网、地区网和校园网。该网络覆盖了全美国主要的大学和研究所并且成为因特网中的主要组成部分。1990 年美国国防部创建的 ARPANET 任务完成正式关闭。1991 年美国国家科学基金会 NSF 和美国的其他政府机构开始认识到因特网必将扩大其使用范围不应仅限于大学和研究机构。于是美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营并开始对接入因特网的单位收费。 第三阶段逐步形成多层次ISP结构的因特网。从 1993 年开始由美国政府资助的NSFNET 逐步被若干个商用的因特网主干网替代政府机构也不再负责因特网的任何运营转而由各种因特网服务提供者ISP来运营。1994 年最早由欧洲离子物理实验室的蒂姆·伯纳斯——李在 1989 年提出的万维网技术也就是 WWW 技术在因特网上被广泛应用这使得众多普通的计算机用户可以便捷地使用网络极大地推动了因特网的迅猛发展。1995 年 NSFNET 停止运作因特网彻底商业化。 2. 因特网服务提供者(Internet Service Provider,ISP) 请想想看普通用户是如何接入到因特网的呢 实际上是通过 ISP 接入因特网的。ISP 可以从因特网管理机构申请到成块的 IP 地址同时拥有通信线路以及路由器等连网设备任何单位或个人都可以通过 ISP 接入到因特网只需要按 ISP 的规定交纳费用即可。我国的 ISP 主要有中国电信、中国移动、中国联通这三大电信运营商他们向广大用户提供因特网接入服务、信息服务和增值服务。 3. 因特网已发展成为基于ISP的多层次结构的互连网络 目前因特网已发展成为基于 ISP 的多层次结构的互连网络没有人能够准确说出因特网究竟有多大其整个结构也很难进行细致的描述。 如图所示这是一种具有三层 ISP 结构的因特网概念示意图 第一层 ISP 是国际级的其覆盖面积最大并且拥有高速链路和交换设备。第一层 ISP 之间相互连接构成因特网主干网。 第二层 ISP 是区域级或国家级的与少数第一层 ISP 相连接作为第一层 ISP 的用户一些大公司也是第一层 ISP 的用户。 第三层 ISP 是本地级的与第二层 ISP 相连接作为第二层 ISP 的用户普通的校园网、企业网、住宅用户以及移动用户等都是第三层 ISP 的用户。 请注意已接入因特网的用户也可以成为一个 ISP他只需要购买一些相关的设备例如调制解调器、路由器等让其他用户能够通过他来接入因特网。因此因特网的结构实际上是基于 ISP 的多层次结构各 ISP 可以在因特网拓扑上添加新的层次和分支。 4. 因特网的标准化工作 因特网的标准化工作是面向公众的其任何一个建议标准在成为因特网标准之前都以RFC 技术文档的形式在因特网上发表。 RFCRequest For Comments的意思是“请求评论”。任何人都可以从因特网上免费下载 RFC 文档https://www.ietf.org/rfc/并随时对某个 RFC 文档发表意见和建议。 制定因特网标准需要经过因特网草案、建议标准、草案标准、因特网标准这四个阶段因特网草案并不是 RFC 文档从建议标准开始成为 RFC 文档。需要说明的是由于草案标准容易与因特网草案混淆从 2011 年 10 月起取消了草案标准这个阶段这样现在制定因特网标准的过程简化为因特网草案、建议标准、因特网标准这三个阶段。 5. 因特网的管理机构 因特网管理机构的组织架构如图所示 因特网由国际组织因特网协会ISOC全面管理ISOC 下设因特网体系结构委员会IAB负责管理因特网相关协议的开发IAB 下设因特网工程部IETF和因特网研究部IRTF。IETF 负责研究中短期的工程问题如相关协议的开发和标准化IRTF 负责研究理论方面需要长期考虑的问题。 6. 因特网的组成 因特网是当今全球覆盖范围最广的互连网其网络拓扑非常复杂但我们可以从功能上简单地将其划分为两部分即核心部分和边缘部分。 边缘部分由连接在因特网上的台式电脑、服务器、笔记本电脑、平板电脑、智能手机、智能手表、网络摄像头以及网络打印机等用户设备构成这些用户设备常称为主机由用户直接使用为用户直接提供各式各样的网络应用。 核心部分由大量异构型网络和连接这些网络的路由器构成。 因特网的核心部分为其边缘部分提供连通性和数据交换等服务在网络核心部分起特殊作用的是路由器它是一种专用计算机但我们不称它为主机。路由器是实现分组交换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。 4. 总结 1.3 电路交换、分组交换和报文交换
1. 电路交换 如图所示在早期专为电话通信服务的电信网络中需要使用很多相互连接起来的电话交换机来完成全网的交换任务。电话交换机接通电话线的方式就是电路交换。 使用电路交换进行通信需要经历建立连接、通话、释放连接三个步骤。 建立连接也就是分配通信资源例如在使用电路交换打电话之前主叫方必须首先进行拨号以请求建立连接当被叫方听到电话交换机送来的振铃音并摘机后从主叫方到被叫方就建立了一条专用的物理通路简称为连接。这条连接为通话双方提供了通信资源主叫方和被叫方现在可以基于已建立的连接进行通话了。在整个通话期间通话双方始终占用着连接通信资源不会被其他用户占用。通话完毕挂机后从主叫方到被叫方的这条专用物理通路被交换机释放将双方所占用的通信资源归还给电信网。 计算机之间的数据传送适合采用电路交换方式吗 这需要从计算机之间数据传送的特点来考虑。想想看通常我们的计算机都运行着即时通信工具例如QQ尽管我们并不是一直连续通过该工具发送消息但为了随时发送和接收消息我们也一直会让其处于上线状态对于这种情况如果采用电路交换方式则宝贵的通信线路资源大部分并未被利用而是被白白浪费了也就是说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%。因此计算机网络通常采用分组交换而不是电路交换。 2. 分组交换 如图所示这是一个简化的采用分组交换技术的小型互联网为了简单起见我们并未画出其中的各个物理网络而是把它们等效为路由器之间的一段链路该小型互联网可被看作是一个分组交换网而路由器 R1 到 R5 就是分组交换网中的交换节点主机 H1 到 H5 通过分组交换网进行通信。 假设主机 H1 的用户要给主机 H3 的用户发送一条消息。通常我们把表示消息的整块数据称为一个报文较长的报文一般不适宜直接传输如果报文太长则对交换节点的缓存容量有很大的需求在错误处理方面也会比较低效。因此需要将较长的报文划分成若干个较小的等长数据段在每个数据段前面添加一些由必要的控制信息组成的首部这样就构造出了一个个分组。 添加首部的作用是什么这不是额外加大了待传输的数据量吗 实际上首部起着非常关键的作用相信同学们至少能想到首部中肯定包含了分组的目的地址否则分组传输路径中的各交换节点就不知道如何转发分组了。 原主机将分组发送到分组交换网中分组交换网中的交换节点收到一个分组后先将其缓存下来然后从其首部中提取出目的地址按照目的地址查找自己的转发表找到相应的转发接口后将分组转发出去把分组交给下一个交换节点经过多个交换节点的存储转发后分组最终被转发到目的主机 。 在本例中主机 H1 将所构造出的各分组依次发送出去各分组经过传输路径中的各交换节点的存储转发最终到达主机 H3。主机 H3 收到这些分组后去掉他们各自的首部将各数据段组合还原出原始报文。 需要说明的是为了初学者容易理解这里只演示出了分组传输过程中的最简单情况那就是各分组从源站到达目的站可以经过不同的路径而分组失序、丢失、误码等问题并没有演示这些内容将在今后的课程中详细介绍。 下面我们进一步说明上述分组交换过程 主机 H1 将分组逐个发送给与其直接相连的路由器 R1此时H1到R1的链路被占用而分组交换网中的其他链路并未被当前通信的双方占用路由器 R1 对收到的分组进行存储转发。 假设 R1 根据分组首部中的目的地址查找自己的转发表的结果是下一跳为路由器 R2则R1 转发分组给 R2当分组正在 R1 与 R2 之间的链路上传送时仅占用 R1 与 R2 这段链路而不会占用分组交换网中的其他资源路由器 R2 对收到的分组进行存储转发。 假设 R2 根据查表结果应转发给路由器 R3路由器 R3 对收到的分组进行存储转发将它们转发给主机 H3。 在上述分组交换过程中 发送方所要完成的任务是 构造分组和发送分组 交换节点所要完成的任务是缓存分组和转发分组简称为存储转发 接收方所要完成的任务是 接收分组并还原成报文 需要说明的是我们只展示了主机 H1 和 H3 这一对主机之间基于分组交换网的通信过程但是在实际的因特网中往往有大量的主机在同时通信另外在一台主机中也可能有多个和网络通信相关的应用进程他们同时与其他主机中的不同应用进程进行通信。 1. 分组交换优缺点 从本例可以看出 分组交换与电路交换有着很大的不同分组交换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相比于采用电路交换传送突发式的计算机数据分组交换有较高的通信线路利用率另外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。 然而分组交换也带来了一些问题例如分组首部带来了额外的传输开销、交换节点存储转发分组时会造成一定的时延、无法确保通信时端到端的通信资源全部可用、在通信量较大时可能造成网络拥塞、分组可能出现失序和丢失等问题。 3. 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的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。 4. 三种交换方式的对比
如图所示假设源主机和目的主机之间有两个交换节点纵坐标为时间。 1. 对于电路交换 通信之前首先要建立连接成功建立连接之后就可以使用已建立的连接进行数据传送。数据传送结束后需要释放连接将双方所占用的通信资源归还给电信网。 2. 对于报文交换 无需首先建立连接可以随时发送报文通信结束后也无需释放连接数据传送单元为整个报文传送路径中的交换节点只有在完整接收到整个报文后才能对其进行查表转发将整个报文发送到下一个节点。 3. 对于分组交换 可以随时发送分组而不需要事先建立连接。构成原始报文的一个个分组依次在各交换节点上存储转发各交换节点在转发分组的同时还缓存接收到的分组。 当使用电路交换时 一旦建立连接中间的各交换节点就是直通形式的数据可以直达终点。 当使用报文交换时 整个报文需要在各交换节点上存储转发由于不限制报文的大小因此需要各交换节点都具有较大的缓存空间。 当使用分组交换时 构成原始报文的一个个分组在各交换节点上存储转发相比报文交换减少了转发时延还可以避免过长的报文长时间占用链路同时也有利于进行差错控制。 4. 综上所述 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。 1.4 计算机网络的定义和分类
1. 计算机网络的定义 计算机网络并没有一个精确和统一的定义在计算机网络发展的不同阶段人们对计算机网络给出了不同的定义这些定义反映了当时计算机网络技术发展的水平。 1. 计算机网络的最简单的定义 即计算机网络是一些互连的、自治的、计算机的集合。 如图所示这是一个小型互联网 互连是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信 自治是指独立的计算机它们有自己的硬件和软件可以独立运行 计算机的集合是指至少需要两台以上的计算机。 2. 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。 可编程的硬件 不限于计算机而是包括了智能手机、具有网络功能的传感器以及智能家电等智能硬件这些硬件一定包含有中央处理单元CPU。 各类应用计算机网络并非只用来传送数据而是能够基于数据传送进而实现各种各样的应用包括今后可能出现的各种应用。 2. 计算机网络的分类 计算机网络的分类可以从不同的角度对计算机网络进行分类例如按交换方式分类、按使用者分类、按传输介质分类、按覆盖范围分类、按拓扑结构分类等。 1. 按交换方式分类 可分为电路交换、报文交换和分组交换。 2. 按使用者分类 可分为公用网、专用网。 公用网通常是由电信公司出资建造的大型网络公众只要按照电信公司的规定交纳费用就可以使用这种网络。 专用网通常是由某个部门为满足本单位特殊业务的需要而建造的网络例如军队、铁路、电力、银行等部门的专用网这种网络不向本单位以外的人提供服务。 3. 按传输介质分类 如图所示在这个小型互联网中包含有线网络和无线网络有线网络包括双绞线网络、光纤网络等而无线局域网所使用的 Wi-Fi 技术目前应用比较普遍。 4. 按覆盖范围分类 可以分为广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个域网PAN。 最好能记住这几个比较常见的英文缩写词尤其是 WAN 和 LAN 。 自己家中路由器背面的各接口很可能标记有多个 LAN 和一个 WAN而不是标记为中文的局域网接口和广域网接口。 广域网的覆盖范围通常为几十到几千千米可以覆盖一个国家、地区甚至横跨几个州。广域网是因特网的核心部分它为因特网核心路由器提供远距离高速连接互连分布在不同国家和地区的城域网和局域网。 城域网的覆盖范围一般为 5 到 50 千米可以跨越几个街区甚至整个城市。城域网通常作为城市骨干网互连大量机构、企业以及校园局域网。 局域网的覆盖范围一般为 1 千米左右。例如一个学生宿舍、一栋楼或一个校园。局域网通常由微型计算机或工作站通过速率为 10MB/s兆比特每秒以上的高速链路相连。在过去一个企业或学校往往只拥有一个局域网而现在局域网已被广泛的应用一个企业或学校可能就会有多个互连的局域网这样的网络常称为校园网或企业网。 个域网是个人区域网的简称其覆盖范围一般为 10 米。个域网主要用于在个人工作的地方把属于个人使用的笔记本电脑、键盘、鼠标、耳机以及打印机等电子设备用 Wi-Fi 或蓝牙等无线技术连接起来的网络因此也常称为无线个域网 WPAN。 5. 按拓扑结构分类 可分为总线型、星型、环型、网状型等 这是一个总线型网络使用单根传输线把计算机连接起来。优点是建网容易、增减节点方便、节省线路缺点是重负载时通信效率不高、总线任意一处出现故障则全网瘫痪 这是一个星型网络每个计算机都以单独的线路与中央设备相连中央设备早期是计算机后来是集线器现在一般是交换机或路由器。 这种网络拓扑的 优点是便于网络的集中控制和管理缺点是成本高、中央设备对故障敏感 这是一个环型网络所有计算机的网络接口都连接成一个环最典型的例子是令牌环局域网环可以是单环也可以是双环环中信号是单向传输的。 这是一个网状型网络一般情况下每个节点至少有两条路径与其他节点相连多用在广域网中。优点是可靠性高缺点是控制复杂、线路成本高 需要说明的是以上四种基本的网络拓扑还可以互连为更复杂的网络即混合型拓扑结构。 补充 树型拓扑结构是从总线型和星型拓扑结构演变而来其特点是综合了总线型与星型的优缺点。 3. 总结 1.5 计算机网络的性能指标 计算机网络的性能指标被用来从不同方面度量计算机网络的性能。 常用的八个计算机网络性能指标速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、利用率、丢包率。 1. 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、干字节KB、兆字节MB、吉字节GB以及太字节TB。 下图给出了数据量的常用单位及换算关系 这里的 K 是 2 的 10 次方 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。速率的常用单位有干比特/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。 下图给出了速率的常用单位及换算关系 这里的 K 是 10 的 3 次方 练习 【练习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 【解析】 用数据块的大小 100MB兆字节除以网卡的发送速率 100Mb/s兆比特每秒就是网卡发送完该块数据所花费的时间。 分子和分母上的 100 可以约掉而分子和分母上的 M 兆是否可以约掉呢严格来说是不能约掉的因为分子上的 M兆是数据量单位中的其值为 2 的 20 次方而分母上的 M兆是速率单位中的其值为 10 的 6 次方。 我们还需要将分子上的字节转换为 8 个比特这样分子和分母上的比特就可以约掉只剩下秒单位得出最终结果。 需要说明的是为了简单起见我们平时可以进行估算这时分子和分母上的兆可以直接约掉可以看出得到的结果与精确计算的差别不是很大。 2. 带宽 带宽在模拟信号系统中的意义是指某个信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围或称频率宽度。 其基本单位是 Hz常用单位有 KHz、MHz、GHz。 例如在传统的通信线路上传送的电话信号其标准带宽为3.1kHz范围从 300Hz 到3.4kHz这是话音的主要成分的频率范围。 带宽在计算机网络中的意义是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。 其单位与我们刚刚介绍的速率单位是相同的基本单位是 b/s常用单位有 kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s。 带宽的上述两种表述有着密切的关系即线路的频率带宽越宽其所传输数据的最高速率也越高现在需要注意速率匹配的问题。 也就是说数据传输速率应从主机接口速率、线路带宽以及交换机或路由器的接口速率这三者中取小者。我们来举例说明 如图所示这是家庭局域网的一部分主机的接口速率、线路带宽、交换机的接口速率它们共同决定着主机的发送速率。 从本例可以看出在构建网络时应该做到各设备以及传输介质的速率匹配这样才能完全发挥出本应具有的传输性能。 3. 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很显然吞吐量受网络带宽的限制。 如图所示假设某用户接入因特网的带宽为 100Mb/s兆比特每秒该用户同时进行观看网络视频、浏览网页以及给文件服务器上传文件这三个网络应用播放网络视频的下载速率为 20Mb/s兆比特每秒、访问网页的下载速率为 600kb/sK比特每秒、向文件服务器上传文件的上传速率为 1Mb/s兆比特每秒则网络吞吐量就是下载速率和上传速率的总和。 4. 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。 在上图的网络中主机 H1 给 H3 发送一个分组那么该分组在整个传输过程中所耗费的时间由哪几部分构成呢 我们来一起分析一下为了简单起见我们假设源主机和目的主机之间只有一个路由器和两段链路。 1. 发送时延 源主机将分组发往传输线路这需要花费一定的时间我们把这段时间称为发送时延 发送时延的计算公式为 分组长度除以发送速率 2. 传播时延 代表分组的电信号在链路上传播这也需要花费一定的时间我们把这段时间称为传播时延传播时延的计算公式为 信道长度除以信号传播速率 3. 排队时延 当分组进入路由器后会在路由器的输入队列中排队缓存并等待处理在路由器确定了分组的转发接口号分组会在输出队列中排队缓存并等待转发分组在路由器的输入队列和输出队列中排队缓存所耗费的时间就是排队时延。 在分组从源主机传送到目的主机的过程中分组往往要经过多个路由器的转发分组在每个路由器上产生的排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量和路由器的自身性能由于网络的通信量随时间变化很大、各路由器的性能也可能并不完全相同因此排队时延一般无法用一个简单的公式进行计算另外当网络通信量很大时可能会造成路由器的队列溢出使分组丢失这相当于排队时延无穷大。 4. 处理时延 路由器从自己的输入队列中取出排队缓存并等待处理的分组后会进行一系列处理工作例如检查分组的首部是否误码、提取分组首部中的目的地址、为分组查找相应的转发接口以及修改分组首部中的部分内容例如生存时间等路由器对分组进行这一系列处理工作所耗费的时间就是处理时延与排队时延类似处理时延一般也无法用一个简单的公式进行计算。 对于本例分组经过路由器的转发传输到物理主机这又会耗费一个路由器的发送时延以及代表该分组的电信号在另一段链路上传播所耗费的传播时延。 源主机或路由器有发送时延难道目的主机或路由器就没有接收时延吗 仔细想想看实际上目的主机接收分组信号与分组信号在链路上传播是同时进行的如果在总时延中包含接收时延我们就把这一部分时间重复计算了。综上所述时延由发送时延、传播时延、排队时延和处理时延构成。 在计算发送时延时发送速率应注意我们之前介绍过的速率匹配问题在计算传播时延时首先应该确定采用的是什么传输媒体进而可以确定电磁波在该传输媒体中的传播速率希望大家能够将图片上电磁波的三种传播速率作为常识而记住。 这里需要纠正一下可能某些同学会有的错误认知我们都知道使用光纤作为传输介质给我们带来的上网感受那就是快但是这并不是因为光在光纤中传播的速率快实际上光在光纤中的传播速率还要略低于电磁波在铜线中的传播速率它们都是亚光速的而电磁波在自由空间的传播速率就是光速即 3*10 的 8 次方米每秒光纤网络速度快的根本原因在于我们之前刚刚介绍过的性能指标带宽光纤的带宽很大也就是所能承载的最高数据传送速率很大更简单的说单位时间内可传送更多的比特。 接下来介绍一种在分析时延有关问题时经常用到的图解方法 如图所示设主机 A 与主机 B 通过一个路由器和两段链路互连横坐标为时间。主机 A给主机 B 发送一个分组。 按图中从左至右 这段时间是主机 A 发送该分组所耗费的发送时延这段时间是该分组最后一个比特的信号从主机 A 传播到路由器所耗费的传播时延这段时间是该分组在路由器中所耗费的排队时延和处理时延 路由器将该分组转发给主机 B 这段时间是路由器转发该分组所耗费的发送时延这段时间是该分组最后一个比特的信号从路由器传播到主机 B 所耗费的传播时延 我们再来看主机 A 给主机 B 连续发送三个分组的情况 注意观察这是所耗费的各种时延为了简单起见我们并未画出在路由器上所耗费的排队时延和处理时延不知同学们是否觉得这幅图似曾相识呢我们之前在对比电路交换、报文交换和分组交换时曾使用过类似的图只不过那幅图采用纵坐标为时间很明显路由器在发送某个分组的同时还在接收下一个分组。 再来看复杂一点的情况主机 A 和主机 B 通过两个路由器互连共三段链路主机 A 给主机 B 连续发送 4 个分组。则从主机 A 发送第一个分组开始到主机 B 接收完第四个分组为止在不考虑排队时延和处理时延的情况下总时延由四个分组的发送时延、三段链路的传播时延以及两个路由器转发单个分组所耗费的发送时延构成。 希望同学们可以通过本例自行推导出在不考虑排队时延和处理时延的情况下源主机通过 n 个路由器的转发给目的主机发送 m 个分组的总时延计算公式当然了需要假设各分组等长、各链路等长、主机和路由器的发送速率相等。 mn)*发送时延(n1)*传播时延 1. 考研题 2010年 题34 这个解释个人感觉也不错[计算机网络试题]在下图所示的采用“存储-转发”方式分组的交换网络中所有链路的数据传输速度为100Mbps_采用存储转发方式的分组交换网络中从原点到终点经过三个链路所有链路数据传输_杨景文Blog的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/muyi_amen/article/details/120942082 在不考虑排队时延和处理时延的情况下总时延中是发送时延占主导呢还是传播时延占主导 先完成以下两个练习根据这两个练习的计算结果对比看看自己得出的结论是否正确。 2. 练习 实际上在不考虑排队时延和处理时延的情况下总时延中是发送时延占主导还是传播时延占主导应该具体问题具体分析而不能想当然的认为发送时延占主导或传播时延占主导。 5. 总结1 6. 时延带宽积 时延带宽积是传播时延和带宽的乘积。 我们可以将链路看作是一个圆柱形管道管道的长度是链路的传播时延即以时间作为单位来表示链路长度管道的横截面积是链路的带宽因此时延带宽积就相当于这个管道的容积表示这样的链路可以容纳的比特数量。 下面我们举例说明时延带宽积的意义 【举例】主机 A 和 B 之间采用光纤链路链路长 1km链路带宽为 1Gb/s请计算该链路的时延带宽积。 该链路的时延带宽积算如下 传播时延的计算光在光纤中的传播速率为 2*10 的 8 次方米每秒这是我们应该熟记的。 我们画出本例的示意图主机 A 与 B 之间的光纤链路长 1 千米则信号传播时间为 5 微秒希望记住这个结论。 链路带宽 1Gb/s若主机 A 连续发送数据则在发送的第一个比特即将到达主机 B 时发送端已经发送了时延带宽积个比特对于本例是 5000 个比特而这些比特都正在链路上向前传播。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。 7. 往返时间 往返时间Round-Trip TimeRTT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。 我们来举例说明 如图所示主机 A 与主机 B 通过多个异构型的网络和多个路由器进行互连以太网中的主机 A 给无线局域网中的主机 B 发送数据分组主机 B 收到数据分组后给主机 A 发送相应的确认分组从主机 A 发送数据分组开始到主机 A 收到主机 B 发来的相应确认分组为止就是这一次交互的往返时间 RTT。 请根据上节课介绍的有关时延的知识来分析一下分组是在这个以太网上耗时较多还是在这个无线局网上耗时较多又或者是在卫星链路上耗时较多呢 答案是卫星链路耗时较多。 一般情况下卫星链路的距离比较远所带来的传播迟延比较大。例如地球同步卫星距离地球 36000 千米那么可以计算出通过同步卫星转发分组所带来的传播延时大约为 240 毫秒。 我们可以在计算机中使用相关的软件工具测量计算机与某个目的主机的连通性和往返时间 RTT。 例如这是在 Windows 系统命令行中使用 ping 命令测量该计算机与哔哩哔哩网站的连通性和往返时间RTT大约为 24毫秒。 8. 利用率 利用率有链路利用率和网络利用率两种 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。 这并不难理解例如当公路上的车流量增大时公路上的某些地方会出现拥堵所需行车时间就会变长网络也是如此。 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。 我们可以按上式画出时延 D 随利用率 U 的变化曲线横坐标为网络利用率 U纵坐标为网络时延 D网络利用率U的极限值为 1 即 100% 利用。 网络空闲时的时延 D0 也就是网络利用率 U 为 0 时的时延时延 D 随网络利用率 U 的增大而增大当网络利用率达到 50% 时时延就会加倍当网络利用率接近 100% 时时延就趋于无穷大。 因此网络利用率并不是越大越好过高的网络利用率会产生非常大的时延。一些大型ISP 往往会控制信道利用率不超过 50%。如果超过了就要进行扩容增大线路的带宽。当然了也不能使信道利用率太低这会使宝贵的通信资源白白浪费应该使用一些机制可以根据情况动态调整输入到网络中的通信量使网络利用率保持在一个合理的范围内。 9. 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。 丢包率可分为接口丢包率、节点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率。 在过去丢包率只是网络运维人员比较关心的一个网络性能指标而普通用户往往并不关心这个指标因为他们通常意识不到网络丢包。随着网络游戏的迅速发展现在很多游戏玩家也非常关心丢包率这个网络性能指标。 我们来举例说明造成丢包的两种情况 如图所示主机 H1 给 H3 发送分组该分组在传输过程中出现了误码当误码了的该分组进入传输路径中的交换节点后被交换节点检测出了误码进而被交换节点丢弃至于交换节点是如何检测出分组有误码的会在后续课程中介绍。 再来看另一种情况主机 H1 给 H3 发送分组该分组正确到达传输路径中的某个交换节点但该交换节点的输入缓存的队列长度达到了某个阈值根据丢弃策略必须丢弃该分组尽管该分组并没有误码。 综上所述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%。 当网络的丢包率较高时通常无法使网络应用正常工作。 10. 总结2 1.6.1 常见的三种计算机网络体系结构 为了使不同体系结构的计算机网络都能互连起来国际标准化组织于1977年成立了专门机构研究该问题不久他们就提出了一个使全世界各种计算机可以互连成网的标准框架这就是著名的开放系统互连基本参考模型简称为 OSIOSI 参考模型是一个七层协议的体系结构。自下而上依次是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层以及应用层。 OSI 体系结构是法律上的国际标准到了 20 世纪 90 年代初期尽管整套的 OSI 国际标准都已经制定出来了但这时因特网已抢先在全世界覆盖了相当大的范围因特网从1983 年开始使用 TCP/IP 协议族并逐渐演变成 TCP/IP 参考模型TCP/IP 参考模型是一个四层协议的体系结构自下而上依次是网络接口层、网际层、运输层以及应用层。 TCP/IP 参考模型是事实上的国际标准在过去制定标准的组织中往往以专家、学者为主但现在许多公司都纷纷挤进各种各样的标准化组织使得技术标准有着浓厚的商业气息。 例如我国的华为公司近些年一直参与国际行业的标准制定加入了包括 ISO、ITU 以及 IEEE 在内的 400 多个标准组织、产业联盟以及开源社区仅仅在 2018 年就提交了 5000多篇标准提案曾累计提交 6 万多篇标准提案是我国参与国际标准制定的重要力量。 一个新标准的出现有时不一定反映出其技术水平是最先进的而是往往有着一定的市场背景从这种意义上说能够占领市场的就是标准因特网使用 TCP/IP 参考模型就是最好的例证。 1. OSI失败的原因 OSI 的专家们缺乏实际经验他们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力OSI 的协议实现起来过分复杂而且运行效率很低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 的层次划分也不太合理有些功能在多个层次中重复出现 对比这两个体系结构可以看出TCP/IP 体系结构相当于将 OSI 体系结构的物理层和数据链路层合并为了网络接口层将会话层和表示层合并到了应用层。需要说明的是由于TCP/IP 在网络层使用的协议是 IP 协议IP协议的中文意思是网际协议因此 TCP/IP 体系结构的网络层常称为网际层。 大多数网络用户每天都有使用因特网的需求这就要求用户的主机必须使用 TCP/IP 体系结构在用户主机的操作系统中通常都带有完整的 TCP/IP 协议族而因特网中用于网络互连的路由器就其所需完成的网络互连这一基本任务而言只包含 TCP/IP 的网络接口层和网际层即可因此我们一般认为路由器的网络体系结构的最高层为网际层。 TCP/IP 体系结构的网络接口层并没有规定什么具体的内容这样做的目的是可以互连全世界各种不同的网络接口。例如有线的以太网接口、无线局域网的 Wi-F i接口而不限定仅使用一种或几种网络接口。因此TCP/IP 体系结构在本质上只有上面的三层。网际协议 IP 是 TCP/IP 体系结构网际层的核心协议传输控制协议 TCP 和用户数据报协议 UDP 是 TCP/IP 体系结构运输层的两个重要协议。 TCP/IP 体系结构的应用层包含了大量的应用层协议例如超文本传送协议 HTTP、简单邮件传送协议 SMTP、域名系统 DNS 以及实时运输协议 RTP 等。 即便同学们是计算机网络的初学者对 HTTP 这个英文缩写词可能也不会陌生因为每当我们打开浏览器在地址栏输入网址时就会看到它IP 协议可以将不同的网络接口进行互连并向其上的 TCP 协议和 UDP 协议提供网络互连服务。TCP 协议在享受 IP 协议提供的网络互连服务的基础上可向应用层的某些协议提供可靠传输的服务UDP 协议在享受 IP 协议提供的网络互连服务的基础上可向应用层的某些协议提供不可靠传输的服务。 IP 协议作为 TCP/IP 体系结构中的核心协议一方面负责互连不同的网络接口也就是IP over everything另一方面为各种网络应用提供服务也就是 Everything over IP。由于TCP/IP 体系结构中包含有大量的协议而 IP 协议和 TCP 协议是其中非常重要的两个协议因此用 TCP 和 IP 这两个协议来表示整个协议大家族常称为 TCP/IP 协议族。 顺便提一下在嵌入式系统开发领域 TCP/IP 协议族也常称为 TCP/IP 协议栈这是因为TCP/IP 协议体系的分层结构与数据结构中的栈在图形画法上是类似的。 TCP/IP 体系结构为了将不同的网络接口进行互连其网络接口层并没有规定什么具体内容然而这对于我们学习计算机网络的完整体系而言就会缺少一部分内容。因此在学习计算机网络原理时往往采取折中的办法也就是综合 OSI 参考模型和 TCP/IP 参考模型的优点采用一种原理参考模型。 原理参考模型是一个五层协议的体系结构自下而上依次是物理层、数据链路层、网络层、运输层以及应用层很显然五层协议的原理体系结构将 TCP/IP 体系结构的网络接口层又重新划分为了物理层和数据链路层这样更有利于我们对计算机网络原理的学习。 1.6.2 计算机网络体系结构分层的必要性 计算机网络是个非常复杂的系统早在 ARPANET 的设计初期就提出了分层的设计理念。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容易研究和处理。 下面我们按照由简单到复杂的顺序来看看实现计算机网络要面临哪些主要问题以及如何将这些问题划分到 5 层原理体系结构的相应层次以便层层处理。 首先来看最简单的情况两台计算机通过一条链路连接起来对于这种最简单的情况我们需要考虑以下问题 第一个问题采用什么传输媒体 可以采用多种传输媒体作为传输链路例如同轴电缆、双绞线电缆、光纤和光缆、自由空间等。 第二个问题用户主机交换机以及路由器等网络设备需要采用什么物理接口来连接传输媒体 如图所示这是计算机主板上常见的 RJ45 以太网接口。 在确定了传输媒体和物理接口后还要考虑使用怎样的信号来表示比特 0 和 1进而在传输媒体上进行传送例如使用下面的数字基带信号高电平表示比特 1低电平表示比特 0。 解决了上述这些问题两台计算机之间就可以通过信号来传输比特 0 和 1 了。 我们可以将上述这些问题划归到物理层。 请注意严格来说传输媒体并不属于物理层范畴它并不包含在计算机网络体系结构之中另外计算机网络中传输的信号并不是我们举例的简单的数字基带信号我们之所以举例成数字基带信号是为了让同学们更容易理解。 实用的计算机网络往往由多台计算机互连而成例如主机 A、B 和 C 通过总线互连成了一个总线型网络。 假设我们已经解决了物理层的问题即主机间可以通过信号来传送比特 0 和 1 了我们来看看在这样一个总线型的网络上还面临什么需要解决的问题 假设主机 A 要给主机 B 发送数据表示数据的信号会通过总线传播到总线上的每一个主机那么问题来了主机 B 如何知道这是主机 A 发送给他的数据进而接受该数据而主机 C 又如何知道该数据并不是发送给它的应该丢弃该数据呢 这就很自然地引出了如何标识网络中各主机的问题也就是主机编址问题。同学们可能听说过网卡上固化的 MAC 地址其实它就是主机在网络中的地址。主机在发送数据时应该给数据附加上源地址和目的地址当其他主机收到后根据目的地址和自身地址是否匹配来决定是否接受该数据还可以通过源地址知道这是哪个主机发来的数据。 这就又引出了一个问题目的主机如何从信号所表示的一连串比特流中区分出地址和数据也就是需要解决数据包的封装格式问题。 另外对于总线型的网络还会出现多个主机争用总线时产生碰撞的问题。例如某个时刻总线是空闲的也就是没有主机使用总线来发送数据片刻之后主机 A 和主机 C 同时使用总线来发送数据这必然会造成信号碰撞。 因此如何协调各主机争用总线也是必须要解决的问题。需要说明的是上述这种总线型网络早已淘汰现在常用的是使用以太网交换机将多台主机互连而成的交换式以太网在交换式以太网中多对主机之间可以同时进行通信而不会产生碰撞那么以太网交换机又是如何实现的呢具体来说就是以太网交换机自学习和转发帧的原理。 对于交换式以太网这种有线网络很少出现数据误码的情况而对于无线网络比较容易出现数据误码这就引出了如何检测数据在传输过程中是否出现了误码的问题也就是差错检测当检测到数据包有误码时是直接丢弃然后什么也不做又或是想办法让发送方重传有误码的数据包这就引出了出现传输差错如何处理的问题根据应用需求可分为可靠传输服务和不可靠传输服务。 再来看这种情况主机 A 给主机 B 连续发送数据然而主机B正在处理很多其他任务来不及取走输入缓存中的数据于是主机 B 给主机 A 发送通知通知主机 A 停止发送这就引出了接收方控制发送方注入网络的数据量的问题即流量控制。 我们可以将上述这些问题划归到数据链路层到这里同学们可能会发现只要解决了物理层和数据链路层各自所面临的问题就可以实现数据包在一个网络上传输了。 没错的确是这样。然而我们的网络应用往往不仅限于在一个单独的网络上。 例如我们几乎每天都会使用的因特网是由非常多的网络和路由器互连起来的仅解决物理层和数据链路层的问题还是不能正常工作。 我们可以把这样一个小型互连网看作是因特网中很小的一部分我们来看看在该小型互连网中需要考虑的主要问题有哪些。 如图所示由于互连网是由多个网络通过多个路由器互连起来的因此我们还需要对互连网中的各网络进行标识这就引出了网络和主机共同编址的问题相信同学们一定听说过 IP 地址。 如下图所示(192.168.0.1、192.168.0.2、192.168.0.254)这是分配给网络 N1 中各设备接口的 IP 地址由于网络 N1 中的主机 H1、主机 H2 以及路由器 R1 连接网络 N1 的接口它们都处于同一个网络因此他们的 IP 地址的网络号相同。 在本例中是 192.168.0而他们的主机号分别为 1、2 以及 254 各不相同用于在网络N1 中唯一标识他们自己。同理我们给网络 N2 中的主机 H3、主机 H4 以及路由器 R2 连接网络 N2 的接口也分配了相应的 IP 地址请同学们注意给网络 N2 分配的网络号为 192.168.1 这与给网络 N1 分配的网络号 192.168.0 是不同的因为他们是不同的网络。 我们再来看另一个问题在互连网中源主机与目的主机之间的传输路径往往不止一条数据包从源主机到目的主机可走不同的路径这就引出了路由器如何转发数据包以及进行路由选择的问题。 我们可以将上述这些问题划归到网络层至此如果我们解决了物理层、数据链路层以及网络层各自的问题就可以实现数据包在多个网络之间的传送了。 然而对于计算机网络应用而言仍有一些重要问题需要考虑。 例如假设主机 H3 中运行着两个与网络通信相关的应用进程一个是浏览器进程、另一个是 QQ 进程这台 Web 服务器中运行着与网络通信相关的 Web 服务器进程例如 Nginx。 当主机 H3 收到 Web 服务器中 Nginx 进程发来的数据包后应将数据包交付给浏览器进程还是 QQ 进程呢很显然如果数据包中含有与进程相关的标志信息主机 H3 就可以根据标志信息将数据包交付给相应的应用进程这就引出了如何标识与网络通信相关的应用进程进而解决进程之间基于网络通信的问题例如使用端口号来区分不同的应用进程。 在之前的课程中我们曾介绍过数据包由于误码被路由器或用户主机丢弃又或是由于路由器繁忙而主动丢弃正常数据包这些都属于传输差错那么当出现传输差错时应该如何处理这也是需要解决的问题我们可以将上述这些问题划归到运输层。 至此我们解决了物理层、数据链路层、网络层以及运输层各自的问题则可以实现进程之间基于网络的通信。 在此基础上可以制定各种应用协议并按协议标准编写相应的应用程序通过应用进程之间的交互来实现特定的网络应用。 例如支持万维网的 HTTP 协议、支持电子邮件的 SMTP 协议以及支持文件传送的 FTP 协议等。 另外在制定应用协议时还需要考虑应用进程基于网络通信时的会话管理问题和数据表示问题。我们可以将上述这些问题划归到应用层。 至此我们将实现计算机网络所需要解决的各种主要问题分别划归到了 物理层、数据链路层、网络层、运输层以及应用层这就构成了五层原理体系结构。 请思考一下如果你是一名程序员要编程解决实现计算机网络所面临的各种软件问题那么你是愿意将这些问题全部放在一个模块中编程实现呢还是愿意将它们划分到不同的模块中逐个模块编程实现呢相信大家一定会选择后者这就是软件工程中高内聚低耦合的概念。 总结 课后练习 【2013年 题33】 【答案】B 【解析】在OSI参考模型中与应用层相邻的是表示层。表示层的主要功能是格式变化、压缩恢复、加密解密。所以答案选择「数据格式转换」。其他选项中对话管理是会话层的功能路由选择是网络层的功能可靠数据传输是传输层的功能。 【2019年 题33】 【答案】C 【解析】在OSI参考模型中第5层是会话层。会话层的主要功能是会话管理。所以答案选择「会话管理」。 【2021年 题33】 【答案】B 【解析】在TCP/IP模型中传输层相邻的下一层是网际层。网际层的主要功能是路由选择和分组转发。所以答案选择「路由选择」。 1.6.3 计算机网络体系结构分层思想举例 如图所示主机属于网络 N1Web 服务器属于网络 N2N1 和 N2 通过路由器互连。 用户在主机中使用浏览器访问 Web 服务器当用户在浏览器地址栏中输入 Web 服务器的域名后主机会向 Web 服务器发送一个请求报文Web 服务器收到请求报文后执行相应的操作然后给主机发送响应报文主机收到响应报文后由浏览器负责解析和渲染显示。 需要说明的是上述网络应用实例仅给出了一个简化的示意过程因为本节的重点是计算机网络体系结构的分层处理方法而不是浏览器和Web服务器的详细交互过程。 主机和 Web 服务器之间基于网络的通信实际上是主机中的浏览器应用进程与 Web 服务器中的 Web 服务器应用进程之间基于网络的通信。我们从五层原理体系结构的角度来看看其具体过程。 主机中的应用层根据 HTTP 协议的规定构建一个 HTTP 请求报文用来请求 Web 服务器执行相应操作应用层将构建好的 HTTP 请求报文向下交付给运输层。 运输层给 HTTP 请求报文添加一个 TCP 首部将其封装成为 TCP 报文段TCP 首部的主要作用是区分应用进程和实现可靠传输。运输层将封装好的 TCP 报文段向下交付给网络层。 网络层给 TCP 报文段添加一个 IP 首部将其封装成为 IP 数据报。IP 首部的主要作用是 IP 寻址和路由。网络层将封装好的 IP 数据报向下交付给数据链路层。 数据链路层给 IP 数据报添加一个首部和一个尾部将其封装成为帧。帧首部和尾部的作用是 MAC 寻址和帧校验。数据链路层将封装好的帧向下交付给物理层。 物理层并不认识帧的结构仅仅将其看作是比特流以便将比特流转换成相应的电信号进行发送。对于以太网物理层还会在比特流前添加前导码目的是使接收方的时钟同步并做好接收准备。 主机将电信号发送出去路由器收到后其物理层将电信号转换成比特流物理层将前导码去掉后将帧向上交付给数据链路层数据链路层将帧首部和尾部去掉后将 IP 数据报向上交付给网络层网络层从 IP 数据报的首部中提取出目的 IP 地址根据目的 IP 地址查找自己的转发表以便决定从哪个接口转发该 IP 数据报。与此同时还要对首部中的某些字段值例如生存时间 TTL 字段的值进行相应的修改然后将该 IP 数据报向下交付给数据链路层。 数据链路层为 IP 数据报添加一个首部和一个尾部将其封装成为帧然后将帧向下交付给物理层物理层将帧看作是比特流给其添加前导码后转变成相应的电信号发送出去。 Web 服务器收到数据包后按网络体系结构自下而上的顺序对其进行逐层解封解封出 HTTP 请求报文Web 服务器的应用层收到 HTTP 请求报文后执行相应的操作然后给主机发送包含有浏览器请求内容的 HTTP 响应报文与浏览器发送 HTTP 请求报文的过程类似HTTP 响应报文需要在 Web 服务器层层封装后才能发送数据包经过路由器的转发到达主机。 主机对收到的数据包按网络体系结构自下而上的顺序逐层解封解封出 HTTP 响应报文。请理解并记住这个例子因为我们今后的课程就是要围绕五层原理体系结构自下而上逐层展开。 练习题 计算机专业考研 全国统考 计算机网络部分 2017年的题33 题目给定的应用层欲发送的 400B字节数据我们称其为应用层协议数据单元协议数据单元的英文缩写词就是题目所给的 PDU。 应用层将应用层 PDU 交付给表示层根据题意表示层给应用层 PDU 添加一个 20B字节的首部使之封装成为表示层 PDU并将其交付给会话层会话层给表示层 PDU添加一个 20B字节的首部使之封装成为会话层 PDU并将其交付给运输层运输层给会话层 PDU 添加一个 20B字节的首部使之封装成为运输层 PDU并将其交付给网络层网络层给运输层 PDU 添加一个 20B字节的首部使之封装成为网络层 PDU并将其交付给数据链路层数据链路层给网络层 PDU 添加一个 20B字节的首部使之封装成为数据链路层 PDU并将其交付给物理层。 需要说明的是数据链路层一般都是给上层交付的 PDU 添加一个首部和一个尾部这里为了简单起见将题目给定的 20B字节额外开销全部看作是首部。 综上所述应用层本来想发送的是 400 字节的数据但是经过其下面 5 层的逐层封装每层引入 20B字节的额外开销实际需要发送的数据量为 400B字节加上额外的 5 个20B字节因此应用层数据传输效率计算如下本题的答案是选项 A。 总结 1.6.4 计算机网络体系结构中的专用术语 我们将这些专用术语中最具代表性的三个作为分类名称它们分别是实体、协议、服务。 需要说明的是这些专用术语来源于 OSI 的七层体系结构但也适用于 TCP/IP 的四层体系结构和五层原理体系结构。 1. 实体 首先来看实体实体是指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 如图所示这是通信双方的五层原理体系结构我们在他们的各层中用标有字母的小方格来表示实体有了实体的概念后就可以引出对等实体的概念了对等实体是指通信双方相同层次中的实体。 例如图中的实体 E 与实体 J 互为对等实体、实体 D 与实体I互为对等实体······ 请思考一下根据实体和对等实体的概念属于通信双方物理层和数据链路层的网卡是否互为对等实体呢属于通信双方应用层的浏览器进程和Web服务器进程是否互为对等实体呢 回答是肯定的。网卡是可以发送或接收信息的硬件它包括物理层和数据链路层因此通信双方的网卡互为对等实体。位于收发双方应用层的浏览器进程和 Web 服务器进程是可以发送或接收信息的软件进程它们互为对等实体。 2. 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。 如图所示 物理层对等实体使用物理层协议进行逻辑通信。例如传统以太网使用曼彻斯特编码 数据链路层对等实体使用数据链路层协议进行逻辑通信。例如传统以太网使用CSMA/CD 协议 网络层对等实体使用网络层协议进行逻辑通信。例如IP 协议 运输层对等实体使用运输层协议进行逻辑通信。例如TCP 协议或 UDP 协议 应用层对等实体使用应用层协议进行逻辑通信。例如DHCP 协议、DNS 协议、HTTP协议、SMTP 协议等。 请注意将两个对等实体间的通信称为逻辑通信是因为这种通信其实并不存在它只是我们假设出来的一种通信。这样做的目的是方便我们单独研究网络体系结构某一层时不用考虑其他层。例如当我们研究运输层时我们可以假设只有运输层对等实体在进行逻辑通信而不用顾及其他各层。 计算机网络协议有三个要素它们分别是语法、语义、同步。 1. 语法 语法 用来定义通信双方所交换信息的格式。 例如下图是 IPV4 数据报的首部格式其中的小格子称为字段或域数字表示字段的长度单位是位也就是比特。语法就是定义了这些小格子的长度和先后顺序。 需要说明的是我们没有必要记住每种数据包的格式只要我们能看懂数据包的格式说明就可以了。 当然了如果将来会从事计算机网络相关的开发、教学以及研究等工作像 IP 数据报、TCP 报文段以及 HTTP 报文等这些常见的数据包格式在学习和研究过程中自然而然就会记住了。 2. 语义 语义 用来定义通信双方所要完成的操作。 我们来举例说明主机给 Web 服务器发送一个 HTTP 的 GET 请求报文Web 部服务器收到 GET 请求报文后对其进行解析就知道了这是一个 HTTP 的 GET 请求报文Web 服务器就在自身内部查找主机所请求的内容并将所找到的内容封装在 HTTP 的响应报文中发送给主机主机收到 HTTP 响应报文后对其进行解析和渲染显示。 这个例子就可以体现出通信双方收到数据包后应完成怎样的操作对于本例这是 HTTP协议的语义所定义的。 3. 同步 同步 用来定义通信双方的时序关系。 在本例中必须由主机首先发送 HTTP 的 GET 请求报文给 Web 服务器Web 服务器收到主机发来的 GET 请求报文后才可能给主机发送相应的 HTTP 响应报文这是 HTTP协议的同步所定义的。 3. 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。 如图所示 物理层对等实体在物理层协议的控制下进行逻辑通信进而向数据链路层提供服务 要实现本层协议还需要使用下面一层所提供的服务。 数据链路层对等实体享受物理层提供的服务并在数据链路层协议的控制下进行逻辑通信进而向网络层提供服务 网络层对等实体享受数据链路层提供的服务并在网络层协议的控制下进行逻辑通信进而向运输层提供服务 运输层对等实体享受网络层提供的服务并在运输层协议的控制下进行逻辑通信进而向应用层提供服务 应用层对等实体享受运输层提供的服务并在应用层协议的控制下进行逻辑通信给其上层也就是用户提供服务。 很显然协议是“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。换句话说下层的协议对上层的实体是“透明”的。 这就好比我们肯定看得见手机为我们提供的各种服务但是我们只是享受这些服务而没有必要每个人都弄懂手机的工作原理。 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如图所示白色圆点服务访问点用于区分不同的服务类型。 例如帧的类型字段、IP 数据报的协议字段、TCP 报文段或 UDP 用户数据报的“端口号”都是服务访问点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。 如图所示 在计算机网络体系结构中通信双方交互的数据包也有专门的术语。 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 UnitPDU。 例如 物理层对等实体间逻辑通信的数据包称为比特流bit stream、 数据链路层对等实体间逻辑通信的数据包称为帧frame、 网络层对等实体间逻辑通信的数据包称为分组packet如果使用 IP 协议也称为 IP 数据报、 运输层对等实体间逻辑通信的数据包一般根据协议而定若使用 TCP 协议则称为TCP 报文段segment若使用 UDP 协议则称为 UDP 用户数据报datagram、 应用层对等实体间逻辑通信的数据包一般称为应用报文message 上述各层数据包可以统称为协议数据单元 PDU。我们把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 UnitSDU如图所示。 4. 课后练习 【2010年 题33】 【答案】C 【解析】简单地说网络体系结构 层次模型 各层协议。体系结构是抽象的而实现是具体的所以体系结构中并未规定实现的细节。 【2020年 题33】 【答案】C 【解析】协议由语法、语义和时序又称同步三部分组成。语法规定了通信双方彼此“如何讲”即规定了传输数据的格式。语义规定了通信双方彼此“讲什么”即规定了所要完成的功能如通信双方要发出什么控制信息、执行的动作和返回的应答。时序规定了信息交流的次序。由图可知发送方与接收方依次交换信息体现了协议三要素中的时序要素。 5. 总结
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