1 計算機網絡的起源與發展

美蘇冷戰時期的產物:

• ¨美國防部領導的遠景研究規劃局DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) 提出研制一種生存性(survivability)很強的網絡

傳統得到電路交換生存性差，容錯性低。正在通信的電路中有一個交換機或有一條鏈路被炸毀，則整個通信電路就要中斷；如要改用其他迂回電路，必須重新撥號建立連接。

而新型網絡則需要：

• 用於計算機之間的數據傳送，而非傳統的語音電話
• 能連接不同類型的計算機
• 所有網絡結點都同等重要，提高網絡的生存性
• 計算機在進行通信時，必須有冗餘的路由
• 網絡的結構應當盡可能地簡單，同時還能夠非常可靠地傳送數據

1.1 從電話到分組

設想簡單的直連交換網絡：

很明顯，線的數量隨設備的平方增長。於是引入中介：

這就是交換機switch，主要負擔轉接和分配。

顯然，電路交換是面向連接為主的，必須要建立連接，通話占用，釋放。可能建立連接後，就有的沒的聊幾句天，但中間的沉默都是需要占用帶寬的。

而回顧計算機，計算機數據具有突發性，傳輸數據的時間不到10%，這對占用的線路是極大的浪費。

於是就有瞭分組交換：

• 把較長的報文劃分成較短的、固定長度的數據段
• 每一個數據段前面添加上首部(header)構成分組(Packet)
• 分組是互聯網中傳送的數據單元
• 每個首部都包含地址等控制信息
• 依次把各分組發送出去

一個分組經歷的一系列分組交換機和通信鏈路稱為通過該網絡的路徑。受到後，按照添加頭的順序反過來即可解碼得到信息。

但是還是有很多問題：丟失、亂序、重復、篡改、冒充…….

這些就待以後討論瞭。

1.2 Internet基本概念

接下來介紹計算機網絡的相關概念：

• 鏈路 (link)
• 物理直連介質：同軸電纜、雙絞線、光纖、無線電頻譜
• 網絡連通有不同的層次，最底層是一個或多個計算機通過物理介質直連
• 結點 (node)
• 被連接的計算機/其它硬件，分兩類
• 主機(端系統)：傳統PC、服務器、 智能手機、智能傢電、傳感設備等
• 網絡內部交換結點：二層交換機、AP、基站、路由器等
• 雲形圖
• 計算機網絡中重要的圖標，表示任意類型的網絡
• 將網絡的內部結點與使用網絡的外部結點分開

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發展第一階段：從專用網絡向互聯網發展

第二階段：建成三級結構的Internet（有序）

第三階段：逐漸形成多層次ISP結構的Internet（無序）

1.3 Internet的標準化工作

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2 Internet的組成

傳統上認為由網絡邊緣和網絡核心組成：

• 網絡核心：
• 分組交換機和鏈路構成的網狀網絡
• 向網絡邊緣的大量主機提供連通性
• 網絡邊緣
• 個人PC
• 接入網

如今為“端·網·雲”體系。

2.1 端系統

端系統（end system）為連接在因特網上的所有運行著某些應用程序的主機。端系統之間的通信實際上是以進程通信為基礎的。

端系統間的通信有多種：

• 客戶-服務器方式
• 對等方式

2.2 接入網

接入網（access network）將端系統連接到邊緣路由器(edge router)的物理鏈路，邊緣路由器是端系統到任何其它遠程系統的路徑上的第一臺路由器。

一般為傢庭或者企業接入。

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2.3 網絡核心

• 互聯端系統的分組交換機和鏈路構成的網狀網絡
• 向網絡邊緣中的大量主機提供連通性（非具體業務）
• 網絡核心部分起特殊作用的是分組交換機
• 主要兩類：路由器（三層交換機）、二層交換機
• 以存儲轉發傳輸模式對分組進行傳輸
• 如何傳輸？二層轉發、三層轉發

3 計算機網絡的性能

主要衡量因素有：速率 (data rate)，帶寬 (bandwidth)，吞吐量 (throughput)，時延/延遲 (latency/delay)，時延帶寬積 (delay*bandwidth product)，利用率。

3.1 數據率(data rate)/比特率(bit rate)

• 比特(bit)是計算機中數據量的單位
• 網絡技術中的數據率即數字信道上傳送數據的速率
• b/s (bit/s, bps)、kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s

3.2 帶寬

網絡的帶寬：在一段特定的時間內網絡所能傳送的比特數

3.3 吞吐量

單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量。

吞吐量表示系統的測量性能，即每秒實際傳輸的比特數。例如：一段帶寬為10Mbps的鏈路連接的一對節點可能隻達到2Mbps的吞吐量

3.4 時延/延遲

• 時延/延遲(latency/delay)
• 數據從網絡的一端傳送到另一端所需花費的時間
• 往返時間RTT (round-trip time)
• 數據從網絡的一端傳到另一端並返回所花費的時間
• 時延由四部分組成
• 總時延 = 發送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延

發送時延：發送數據時，數據塊從結點進入到傳輸介質所需要的時間，即從發送第一個比特起，到最後一個比特發送完畢所需的時間。

傳播時延：電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間

處理時延：主機或路由器在收到分組時進行一些必要的處理所花費的時間，比如分析分組首部、差錯檢驗、查找路由等。

排隊時延：結點緩存隊列中分組排隊所經歷的時延，排隊時延的長短往往取決於網絡中當時的通信量

此外，還有一些非性能特征。

比如：費用、標準化、可擴展性和可升級性等等。

4 計算機網絡體系結構

協議是計算機網絡的基本組成成分，RFC協議規范文檔在2021年已經達到9000件。