一、概述

1、什么是计算机网络

• 三大类熟悉的网络，即电信网络，有线电视网络和计算机网络，它是一个以网络为核心的信息时代。
• 现在的计算机网络主要以Internet（互联网）为代表。起源于美国的互联网现以发展成世界上最大的覆盖全球的计算机网络。
• 仅在局部范围互连起来的计算机网络，称之为互联网。

2、概念

• **计算机网络(简称为网络)由若干节点(node)和连接这些节点的链路(link)组成。**网络中的节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等(在后续的两章我们将会介绍集线器、交换机和路由器等设备的作用)。
• 图 (a)给出了一个具有四个节点和三条链路的网络。我们看到，有三台计算机通过三条链路连接到一个集线器上。这是一个非常简单的计算机网络(可简称为网络)。
• 又如，在图1-1中，有多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。这样的网络称为互连网(intermetwork或internet)。
• 因此互连网是“网络的网络”(network ofnetworks)。用一朵云表示一个网络的好处，就是可以先不考虑每一个网络中的细节，而是集中精力讨论与这个互连网有关的一些问题。
  
• 总结：网络把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络通过一些路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。

3、多层次ISP结构互联网

• ISP：互联网服务提供者ISP(Interet ServiceProvider)。在许多情况下，互联网服务提供者ISP就是一个进行商业活动的公司，因此 ISF又常译为互联网服务提供商。例如，中国电信、中国联通和中国移动等公司都是我国最有名的ISP。
• 互联网服务提供者 ISP 可以从互联网管理机构申请到很多IP地址(互联网上的主机都必须有IP地址才能上网），同时拥有通信线路(大ISP 自己建造通信线路，小ISP则向电言公司租用通信线路)以及路由器等连网设备，因此任何机构和个人只要向某个 ISP交纳规定的费用，就可从该ISP获取所需IP地址的租用权，并可通过该ISP 接入互联网。所谓“上网”就是指“(通过某ISP获得的IP地址)接入互联网”。IP 地址的管理机构不会把单个的IP地址零星地分配给单个用户，而是把整块的IP地址有偿租赁给经审查合格的ISP。由此可见，现在的互联网已不是某个单个组织所拥有而是全世界无数大大小小的 ISP所共同拥有的，这就是互联网也称为“网络的网络”的原因。
• 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 也分为不同层次的 ISP:主干ISP、地区 ISP 和本地 ISP。目前已经覆盖全球的互联网，其主干 ISP 只有十几个，但本地 ISP有好几十万个。
• 主干ISP 由几个专门的公司创建和维护，服务面积最大(一般都能够覆盖国家范围),并且还拥有高速主干网(例如10Gbits或更高)。不同的网络运营商都有自己的主干ISP网络，并且可以彼此互通。
• 地区 ISP是一些较小的 ISP。这些地区 ISP 通过一个或多个主干ISP 连接起来。它们位于等级中的第二层，数据率也低一些。
• 本地 ISP给用户提供直接的服务(这些用户有时也称为端用户，强调是末端的用户)。本地ISP可以连接到地区ISP，也可直接连接到主干ISP。绝大多数的用户都是连接到本地ISP的。本地 ISP可以是一个仅仅提供互联网服务的公司，也可以是一个拥有网络并向自己的雇员提供服务的企业，或者是一个运行自己的网络的非营利机构(如学院或大学)。
• 图中给出了主机 A经过许多不同层次的 ISP 与主机 B通信的示意图。
  
• 随着互联网上数据流量的急剧增长，人们开始研究如何更快地转发分组，以及如何更加有效和更加经济地利用网络资源。于是，**互联网交换点IXP(Intermet eXchange Point)**就应运而生了。
• 互联网交换点IXP的主要作用就是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。
• 例如，上图右方的两个地区ISP通过一个IXP连接起来了这样，主机 A 和主机 B 交换分组时，就不必再经过最上层的主干ISP，而是直接在两个地区ISP之间用高速链路对等地交换分组。这样就使互联网上的数据流量分布更加合理，同时也减少了分组转发的迟延时间，降低了分组转发的费用。
• IXP的结构非常复杂。典型的IXP由一个或多个网络交换机组成，许多ISP再连接到这些网络交换机的相关端口上。IXP常采用工作在数据链路层的网络交换机，这些网络交换机都用局域网互连起来。

二、互联网组成

1、分类

互联网的拓扑结构虽然非常复杂，并且在地理上覆盖了全球，但从其工作方式上看，可以划分为以下两大块:

• 边缘部分由所有连接在互联网上的主机组成。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。
• 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)。
  

2、边缘部分

1）概念

• 处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。
• 这些主机又称为端系统(endsystem),“端”就是“末端”的意思(即互联网的末端)。
• 端系统在功能上可能有很大的差别，小的端系统可以是一台普通个人电脑(包括笔记本电脑或平板电脑)和具有上网功能的智能手机，甚至是一个很小的网络摄像头(可监视当地的天气或交通情况，并在互联网上实时发布)，而大的端系统则可以是一台非常昂贵的大型计算机(这样的计算机通常称为服务器 server)。
• 端系统的拥有者可以是个人，也可以是单位(如学校、企业、政府机关等)，当然也可以是某个ISP(即ISP不仅仅是向端系统提供服务，它也可以拥有一些端系统)。边缘部分利用核心部分所提供的服务，使众多主机之间能够互相通信并交换或共享信息。
• 在网络边缘的端系统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)和对等方式(P2P方式)。下面分别对这两种方式进行介绍。

2）端系统的通信方式

• 客户-服务器方式(C/S方式)
  • 客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
  • 服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务。
    
• 对等连接方式
  • peer to peer，简写为P2P方式
  • 是指两台主机在通信时，并不区分哪一个是服务请求方和哪一个是服务提供方。只要两台主机都运行了对等连接软件(P2P软件)，它们就可以进行平等的对等连接通信。
  • 这时，双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。
    

3、核心部分

1）概念

• 网络核心部分是互联网中最复杂的部分，因为网络中的核心部分要向网络边缘部分中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一台主机都能够与其他主机通信
• 在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)，它是一种专用计算机(但不叫作主机)。路由器是实现分组交换(packetswitching)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。为了弄清分组交换，下面先介绍电路交换的基本概念。

2）电路交换主要特点

• 当电话机的数量增多时，就要使用很多彼此连接起来的交换机来完成全网的交换任务用这样的方法，就构成了覆盖全世界的电信网。
  
• 从通信资源的分配角度来看，**交换(switching)**就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。在使用电路交换打电话之前，必须先拨号请求建立连接。
• 当被叫用户听到交换机送来的振铃音并摘机后，从主叫端到被叫端就建立了一条连接，也就是一条专用的物理通路。这条连接保证了双方通话时所需的通信资源，而这些资源在双方通信时不会被其他用户占用。此后主叫和被叫双方就能互相通电话。
• 通话完毕挂机后，交换机释放刚才使用的这条专用的物理通路(即把刚才占用的所有通信资源归还给电信网)。
• 这种必须经过“建立连接(占用通信资源)——通话(一直占用通信资源)一释放连接(归还通信资源)”三个步骤的交换方式称为电路交换。
• 如果用户在拨号呼叫时电信网的资源已不足以支持这次的呼叫，则主叫用户会听到忙音，表示电信网不接受用户的呼叫，用户必须挂机，等待一段时间后再重新拨异。
• 下图为电路交换的示意图。为简单起见，图中没有区分市话交换机和长途电话交换机。应当注意的是，用户线是电话用户到所连接的市话交换机的连接线路，是用户独占的传送模拟信号的专用线路，而交换机之间拥有大量话路的中继线(这些传输线路早已都数字化了)则是许多用户共享的，正在通话的用户只占用了中继线里面的一个话路。电路交换的一个重要特点就是在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。
  
• 当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的，因此线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%甚至 1%。已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的。例如，当用户阅读终端屏幕上的信息或用键盘输入和编辑一份文件时，或计算机正在进行处理而结果尚未返回时，宝贵的通信线路资源并未被利用而是被白白浪费了。

3）分组交换主要特点

• 分组交换则采用存储转发技术。
• 下图表示把一个报文划分为几个分组后再进行传送。
• 通常我们把要发送的整块数据称为一个报文(message)。
• 在发送报文之前，先把较长的报文划分为一个个更小的等长数据段，例如，每个数据段为1024bit。
• 在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的**首部(header)**后，就构成了一个分组(packet)。
• 分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”，分组是在互联网中传送的数据单元。
• 分组中的“首部”是非常重要的，正是由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径，并被正确地交付到分组传输的终点。
  
• 下图强调互联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的，而主机处在互联网的边缘部分。在互联网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘部分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。
• 位于网络边缘部分的主机和位于网络核心部分的路由器都是计算机，但它们的作用却很不一样。
• 主机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。
• 路由器则用来转发分组，即进行分组交换。
• 路由器收到一个分组，先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器这样一步一步地(有时会经过几十个不同的路由器)以存储转发的方式，把分组交付最终的目的主机。
• 各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息，以便创建和动态维护路由器中的转发表，使得转发表能够在整个网络拓扑发生变化时及时更新
  
• 当我们讨论互联网的核心部分中的路由器转发分组的过程时，往往把单个的网络简化成一条链路，而路由器成为核心部分的节点，如下图所示。这种简化图看起来可以更加突出重点，因为在转发分组时最重要的就是要知道路由器之间是怎样连接起来的。
• 现在假定下图中的主机 H1,向主机H5发送数据。主机H1 先将分组逐个地发往与它直接相连的路由器A。此时，除链路H1-A外，其他通信链路并不被目前通信的双方所占用需要注意的是，即使是链路H1-A，也只是当分组正在此链路上传送时才被占用。在各分组传送之间的空闲时间，链路 H1-A仍可为其他主机发送的分组使用。
• 路由器 A把主机H1 发来的分组放入缓存。假定从路由器A的转发表中查出应把该分组转发到链路 A-C。于是分组就传送到路由器C。当分组正在链路A-C传送时，该分组并不占用网络其他部分的资源。
• 路由器C续按上述方式查找转发表，假定查出应转发到路由器E。当分组到达路由器E后，路由器E就最后把分组直接交给主机H5。
• 假定在某一个分组的传送过程中，链路A℃的通信量太大，那么路由器A可以把分组沿另一个路由传送，即先转发到路由器B，再转发到路由器E，最后把分组送到主机H5。在网络中可同时有多台主机进行通信，如主机H2也可以经过路由器B和E与主机H6通信。
• 这里要注意，路由器暂时存储的是一个个短分组，而不是整个的长报文。短分组是暂存在路由器的存储器(即内存)中而不是存储在磁盘中的。这就保证了较高的交换速率。
• 在图中只画了一对主机H1和H5在进行通信。实际上，互联网可以容许非常多的主机同时进行通信，而一台主机中的多个进程(即正在运行中的多道程序)也可以各自和不同主机中的不同进程进行通信。
• 应当注意，分组交换在传送数据之前不必先占用一条端到端的通信资源。分组在哪段链路上传送才占用那段链路的通信资源。分组到达一个路由器后，先暂时存储下来，查找转发表，然后从另一条合适的链路转发出去。分组在传输时就这样逐段地断续占用通信资源，而且还省去了建立连接和释放连接的开销，因而数据的传输效率更高。
• 互联网采取了专门的措施，保证了数据的传送具有非常高的可靠性。当网络中的某些节点或链路突然出故障时，在各路由器中运行的路由选择协议(protocol)能够自动找到转发分组最合适的路径。
  
• 为了提高分组交换网的可靠性，互联网的核心部分常采用网状拓扑结构，使得当发生网络拥塞或少数节点、链路出现故障时，路由器可灵活地改变转发路由而不致引起通信的中断或全网的瘫痪。此外，通信网络的主干线路往往由一些高速链路构成，这样就可以较高数据率迅速地传送计算机数据。
• 如下是分组交换的优点：
  
• 分组交换也带来一些新的问题。例如，分组在各路由器存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。因此，必须尽量设法减少这种时延。此外，由于分组交换不像电路交换那样通过建立连接来保证通信时所需的各种资源，因而无法确保通信时端到端所需的带宽。
• 分组交换带来的另一个问题是各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销(overhead)。整个分组交换网还需要专门的管理和控制机制。

三、计算机网络的类别

1、按照网络的作用范围进行分类

• 广域网WAN(Wide Area Network)：广域网的作用范围通常为几十到几千公里，因而有时也称为远程网(long haul network)。广域网是互联网的核心部分，其任务是长距离(例如，跨越不同的国家)运送主机所发送的数据。连接广域网各节点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。本书不专门讨论广域网。
• 城域网MAN(Metropolitan Area Network)：城域网的作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，其作用距离约为5~50km。城域网可以为一个或几个单位所拥有，也可以是一种公用设施，用来将多个局域网进行互连。目前很多城域网采用的是以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围进行讨论。
• 局域网LAN(Local Area Network)：局域网一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连(速率通常在10 Mbits以上)，但地理上则局限在较小的范围(如1km 左右)在局域网发展的初期，一个学校或工厂往往只拥有一个局域网，但现在局域网已非常广泛地使用，学校或企业大都拥有许多个互连的局域网(这样的网络常称为校园网或企业网)。
• 个人区域网 PAN(Personal Area Network)：个人区域网就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备(如便携式电脑等)用无线技术连接起来的网络，因此也常称为无线个人区域网 WPAN (Wireless PAN)，其范围很小，大约在 10m左右。我们将在第9章 9.2节对这种网络进行简单的介绍。

2、按网络使用者分类

• 公用网(public network)：这是指电信公司(国有或私有)出资建造的大型网络。“公用”的意思就是所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都可以使用这种网络。因此公用网也可称为公众网。
• 专用网(private network)：这是某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人供服务。例如，军队、铁路、银行、电力等系统均有本系统的专用网。