第一章
一、计算机网络在信息时代的作用
21世纪的重要特征是什么？数字化，网络化，信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。说起计算机网络，不得不提它的另外两个“兄弟”，即电信网络和有线电视网络，电信网络向用户提供电话、电报及传真等服务，有线电视网络向用户传送各种电视节目，而计算机网络，则使用户能够在计算机之间传送数据文件。
自从20世纪90年代以后，以Internet为代表的计算机网络得到了飞速的发展，它从最初的仅供美国人使用的免费教育科研网络，逐步发展成为供全球使用的商业网络，成为全球最大的和最重要的计算机网络，将Internet译为“互联网”再恰当不过了，因为Internet是由数量极大的各种计算机网络互联起来的。注意是互联网，而不是互连网，后者只能描述一类在局部范围内连接起来的计算机网络。
互联网之所以能够向用户提供许多服务，是因为互联网具有两个重要基本特点，即连通性和共享。连通性是指：互联网使得用户之间，不管相距多远，都可以非常便捷、非常经济的交换各种信息，好像这些用户终端都彼此直接连通一样。共享是指：资源共享。用户可以很方便的获取文件（电子文档、音频和视频文件等）。人们的生活越是依赖于互联网，互联网的可靠性就越重要。
二、相关概念
① 计算机网络：（下面简称网络）由若干结点和连接这些结点的链路组成。网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。
② 互联网：网络之间还可以通过路由器互联起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。这样的网络称为互联网，所以称互联网为网络的网络。
网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络通过路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。
③ 多层次ISP结构互联网
它是互联网基础结构发展的第三个阶段。ISP：Interent Service Provider，互联网服务提供者（如我国的中国电信、中国联通、中国移动）。1993年，美国政府不再负责互联网的运营，由美国政府资助的NSFNET逐渐被若干个商用的互联网主干网替代。
ISP可以从互联网管理机构申请到很多IP地址，同时拥有通信线路（大ISP自己建造通信线路，小ISP则向电信公司租用通信线路）、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IP的使用权，并可通过该ISP接入到互联网。所谓上网，就是指通过某ISP提供的IP接入到互联网。而IP地址的管理机构不零售IP地址，而是把一批IP地址有偿租赁给经审查合格的ISP（只批发IP地址）。由此可见，现在的互联网已不是某个组织独有的，而是全世界无数大大小小的ISP所共同拥有的。
根据提供服务的覆盖面积以及所拥有的的IP地址数目的不同，ISP分为：主干ISP、地区ISP、本地ISP。主干ISP：由几个专门的公司创建和维持，服务面积最大（一般覆盖国家范围），并且拥有高速主干网。地区ISP：较小的ISP，他们通过一个或多个主干ISP连接起来。本地ISP：给用户提供直接的服务（端用户，强调末端用户）。绝大多数的用户都是连接到本地ISP。本地ISP可以是一个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员工提供服务的企业，或者是一个运行自己网络的非盈利机构。本地ISP可以与地区ISP或主干ISP连接。
从原理上讲，只要每一个本地ISP都安装了路由器连接到某个地区ISP，每一个地区ISP都有路由器连接到主干ISP，那么在这些相互连接的ISP的共同合作下，就可以完成互联网中的所有分组转发任务。但随着互联网上数据流量的激增，为了更快的转发分组，更加有效的利用网络资源，互联网交换点IXP（Internet exchange Point）应运而生。
IXP的主要作用是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要在通过第三个网络来转发分组。这样使得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。现在许多IXP在进行对等交换分组时，都互相不收费。但本地ISP或地区ISP通过IXP向高层的IXP转发分组时，则需要交纳一定费用。
三、互联网的组成
1、边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成
2、核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。它们为边缘部分提供服务（连通和交换）
在网络边缘的端系统之间的通信方式可划分为2类：客户端-服务器方式（C/S）、对等方式（P2P，即peer-to-peer）。
四、互联网的核心部分
网络核心部分是互联网中最复杂的部分，它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台主机都能够向其他主机通信。
在网络核心部分中起特殊作用的是路由器（router），它是一种专用计算机，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。
接下来，介绍几种交换方式。
① 电路交换
电话问世后不久，人们发现，两部电话只需要用一对电线就能够互相连接起来，5部电话就需要10对电线。但是当电话数量很大时，这种连接方法不再适用。于是人们使用电话交换机将这些电话连接起来，每一部电话都连接到交换机上。电话发明后的一百多年来，电话交换机虽然经过多次更新迭代，但交换的方式一直都是电路交换。
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的分配传输线路的资源。在使用电路交换通话之前，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，不会被其它用户占用。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）” -> “释放连接（归还通信资源）” 三个步骤的交换方式，被称为电路交换。电路交换的一个重要特点是通话的全部时间内，通话的双方始终占用端到端的通信资源。
② 分组交换
分组交换采用存储转发技术。通常把要发送的整块数据称为一个报文，在发送报文之前，先把较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段。在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部（header）后，就构成了一个分组（packet）。分组是互联网中传送的数据单元。
处于网络边缘的主机和位于网络核心部分的路由器都是计算机，但它们的作用不一样。主机：为用户进行信息处理，并且和其他主机通过网络交换信息。路由器：转发分组，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。各路由器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。
路由器暂时存储的是一个个短分组，而不是整个长报文。短分组是暂存在路由器的内存中，而不是磁盘中，这就保证了较高的交换速率。
分组交换在传送数据前，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这段链路的通信资源。分组到达一个路由器后，先暂时存储下来，查找转发表，然后从一条合适的链路转发出去。分组在传输时就这样一段一段的断续占用通信资源，而且还省去了建立连接和释放连接的开销，因此数据的传输效率更高，适合传送突发式的计算机数据。
但是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。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。
③ 报文交换
同样基于存储转发原理，与分组交换不同的是存储的是整个报文。
三种交换方式在传送阶段的主要特点：
1、电路交换
整个报文的比特流连续的从源点直达终点，就像在一个管道中传送。
2、报文交换
整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
3、分组交换
单个分组（报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
总结：
若要传送大量数据，且传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输效率更快。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。由于一个分组的长度往往小于整个报文的长度，因此，分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。
五、计算机网络的类别
按网络的作用范围分类：
1、广域网（WAN，Wide Area Network）
作用范围几十到几千公里。
2、城域网（MAN，Metropolitan Area Network）
作用范围一般是整个城市，作用距离为5-50km
3、局域网（LAN，Local Area Network）
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10Mbit/s），学校或企业大都拥有许多个互连的局域网（校园网或企业网）。
4、个人区域网（PAN，Personal Area Network）
个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络，也常称为无线个人区域网WPAN（Wireless PAN）。范围很小，10m左右。
按网络的使用者分类：
1、公用网（public network）
指电信公司出资建设的大型网络。所有愿意按规定缴纳费用的人都可以使用。
2、专用网（private network）
为满足特殊业务需要而建造的网络。如铁路、银行、电力等，都有其专用网。
六、计算机网络的性能
1、速率
计算机发出的信号都是数字形式的。一个比特（bit）是二进制中的一个1或0,。网络技术中的速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率。速率的单位是bit/s（比特每秒）。
2、带宽
有两个含义。
① 指某个信号具有的频带宽度，单位是赫兹。表示某信道允许通过的信号频带范围就称为该信道的带宽。
② 在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，单位是bit/s。
前者是频域称谓，后者是时域称谓。一条通信链路的带宽越宽，其所能传输的最高数据率也越高。
3、吞吐量
表示单位时间内通过某个网络的实际的数据量。
4、时延
时延是指数据（报文、分组、比特）从网络的一端传送到另一端所需的时间，它由4部分组成：
① 处理时延
主机或路由器在收到分组时需要花费一定的时间进行处理。如：分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验、查找适当路由等。
② 排队时延
分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后，要先在输入队列中排队等待处理。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，这就产生了排队时延。
③ 发送时延
指主机或路由器发送数据帧所需要的时间，从发送数据帧的第一个比特算起，到该数据帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
发送时延的计算公式是：发送时延 = 数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)
④ 传播时延
指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输速率(m/s)
所以，数据在网络中经历的总时延就是以上四种时延之和。一般来说，一个小时延的网络优于一个大时延的网络。
总时延 = 处理时延 + 排队时延 + 发送时延 + 传播时延
在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析。
5、时延带宽积
将传播时延与带宽相乘，变得到了一个度量：时延带宽积。
时延带宽积 = 传播时延 x 带宽。
如下图所示，管道的长度是链路的传播时延，管道的截面积是链路的带宽。因此时延带宽积表示的是这个管道的体积，即这样的链路可以容纳多少个比特。
6、往返时间RTT（Round-Trip Time）
在许多情况下，互联网上的信息不仅仅单方向传输而是双向交互的。因此，需要知道双向交互一次所需的时间。
7、利用率
分为信道利用率与网络利用率。信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的。网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。
信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延。
