信息时代计算机网络的功能

目录

一、计算机网络在信息时代中的作用

二、互联网概述

  1.网路的网络

1.1  互联网基础发展的三个阶段

1.2互联网的标准化工作

1.3互联网的组成

1.4互联网的边缘部分

三、对等连接方式

1.对等连接（peer-to-peer,简写为p2p）

1.1互联网的核心部分

1.2   计算机网络在我国的发展

1.3  计算机网络的类别

四、计算机网络的性能

1.计算网络的性能指标

1.1七个指标

2.  计算机网络的非性能特征

3.计算机网络的机构体系

五、五层协议体系结构的各层功能

六、实体、协议、服务和服务访问点：

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一、计算机网络在信息时代中的作用

信息时代的特征：数字化、网络化和信息化、以网络为核心的信息时代。

三种常见的网络：电信网络，有线电视网络，计算机网络

互联网两个基本特点：连通性、共享性

所谓连通性（connectivity），就是互联网使上网络用户之间，不管相距多远，都可以非常便捷，非常经济地交换各种信息，好像这些用户终端都彼此直接连通一样。

所谓共享就是指共享资源，资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享、也可所以是硬件共享。

二、互联网概述

  1.网路的网络

计算机网络的组成：由若干个结点和链接这些结点和链路促成，这些结点可以是计算机，集线器或路由器等。

主机：网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把这许多网络通过由路由器连接在一起，与网络相连接的计算机常称为主机。

1.1  互联网基础发展的三个阶段

第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展的过程

Internet和Internet的区别：

以小写字母i开始的internet（互联网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。

以大写字母I开始的Internet（互联网，或因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的，最开放的，由众多网络相互连接而成的特定互联网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPAENT

第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网。

分为主干网，地区网和校园网

第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的互联网

1.2互联网的标准化工作

制定互联网的正式标准要经过三个阶段

（1）互联网草案（Internet Draft）——互联网草案的有效期只有六个月。在这个阶段还不能算是RFC文档。

（2）建议标准（Proposed Standard）——从这个文档阶段开始就称为RFC文档。

（3）互联网标准（Internet Standard）——达到正式标准后，每个标准就分配到一个编号STDxx。

1.3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，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）和共享资源。

（2）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（提供共享性和交换）。

1.4互联网的边缘部分

1.客户-服务器方式

这种方式在互联网上是最常用的，也是传统的方式。

客户和服务器都是指通信种所涉及的两个应用进程。客户-服务器方式所描述的是进程之间服务器和被服务的关系。

客户服务请求方，服务器是服务提供方

客户程序

(1)被用户调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信(请求服务)。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。

(2)不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器程序

(1)是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。

(2)系统启动后机自动调用并一直不断的运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。

(3)一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

优点

(1)有利于实现资源共享

在C/S方式中的资源也是分布的，用户不仅可存取在服务器和本地工作站上的资源，还可以享用其他工作站上的资源，实现了资源共享。

(2)有利于进程通信的同步

在客户一服务器方式中，每一次通信由客户端进程发起请求，而服务器进程一直处于等待状态，以保证及时响应客户端发出的请求。当客户端发出请求后，服务器端响应客户端请求，并以此实现进程间的同步。

(3)可快速进行信息处理

由于在C/S方式中是一种基于点对点的运行环境，当一项任务提出请求处理时，可以在所有可能的服务器间均衡地分布该项任务的负载。这样，在客户端发出的请求可由多个服务器来并行进行处理，为每一项请求提供了极快的响应速度和较高的事务吞吐量。

(4)具有更好的可扩展性

由于C/S是一种开放式的结构，因此可有效地保护原有的软、硬件资源。

缺点

(1)缺乏有效的安全性

由于客户端与服务器端直接相连，当在客户端存取一些敏感数据时，由于用户能够直接访问中心数据库，就可能造成敏感数据的修改或丢失。

(2)服务器端工作效率低

由于每个客户端都要直接连接到服务器以访问数据资源，这就使得服务器因为客户端的访问建立连接而消耗大量本就十分紧张的服务器资源，从而造成服务器工作效率不高。

(3)容易造成网络阻塞

客户端的每次访问都要连接服务器，使得网络流量剧增，容易造成网络的阻塞。

三、对等连接方式

1.对等连接（peer-to-peer,简写为p2p）

网络特点

对等网络是一种网络结构的思想。它与目前网络中占据主导地位的客户端/服务器（Client/Server）结构（也就是WWW所采用的结构方式）的一个本质区别是，整个网络结构中不存在中心节点（或中心服务器）。在P2P结构中，每一个节点（peer）大都同时具有信息消费者、信息提供者和信息通讯等三方面的功能。从计算模式上来说，P2P打破了传统的Client/Server (C/S)模式，在网络中的每个节点的地位都是对等的。每个节点既充当服务器，为其他节点提供服务，同时也享用其他节点提供的服务。[

简单的说，P2P就是直接将人们联系起来，让人们通过互联网直接交互。P2P使得网络上的沟通变得容易、更直接共享和交互，真正地消除中间商。

P2P另一个重要特点是改变互联网现在的以大网站为中心的状态、重返“非中心化”，并把权力交还给用户。

对等网络是对分布式概念的成功拓展，它将传统方式下的服务器负担分配到网络中的每一节点上，每一节点都将承担有限的存储与计算任务，加入到网络中的节点越多，节点贡献的资源也就越多，其服务质量也就越高。

对等网络可运用存在于 Internet 边缘的相对强大的计算机（个人计算机），执行较基于客户端的计算任务更高级的任务。现代的PC具有速度极快的处理器、海量内存以及超大的硬盘，而在执行常规计算任务（比如：浏览电子邮件和 Web）时，无法完全发挥这些设备的潜力。新式PC很容易就能同时充当许多类型的应用程序的客户端和服务器（对等方）

P2P网络技术的特点体现在以下几个方面 

非中心化：网络中的资源和服务分散在所有节点上，信息的传输和服务的实现都直接在节点之间进行，可以无需中间环节和服务器的介入，避免了可能的瓶颈。P2P的非中心化基本特点，带来了其在可扩展性、健壮性等方面的优势。

可扩展性：在P2P网络中，随着用户的加入，不仅服务的需求增加了，系统整体的资源和服务能力也在同步地扩充，始终能比较容易地满足用户的需要。理论上其可扩展性几乎可以认为是无限的。例如：在传统的通过FTP的文件下载方式中，当下载用户增加之后，下载速度会变得越来越慢，然而P2P网络正好相反，加入的用户越多，P2P网络中提供的资源就越多，下载的速度反而越快。

健壮性：P2P架构天生具有耐攻击、高容错的优点。由于服务是分散在各个节点之间进行的，部分节点或网络遭到破坏对其它部分的影响很小。P2P网络一般在部分节点失效时能够自动调整整体拓扑，保持其它节点的连通性。P2P网络通常都是以自组织的方式建立起来的，并允许节点自由地加入和离开。

高性价比：性能优势是P2P被广泛关注的一个重要原因。随着硬件技术的发展，个人计算机的计算和存储能力以及网络带宽等性能依照摩尔定理高速增长。采用P2P架构可以有效地利用互联网中散布的大量普通结点，将计算任务或存储资料分布到所有节点上。利用其中闲置的计算能力或存储空间，达到高性能计算和海量存储的目的。目前，P2P在这方面的应用多在学术研究方面，一旦技术成熟，能够在工业领域推广，则可以为许多企业节省购买大型服务器的成本。 

隐私保护：在P2P网络中，由于信息的传输分散在各节点之间进行而无需经过某个集中环节，用户的隐私信息被窃听和泄漏的可能性大大缩小。此外，目前解决Internet隐私问题主要采用中继转发的技术方法，从而将通信的参与者隐藏在众多的网络实体之中。在传统的一些匿名通信系统中，实现这一机制依赖于某些中继服务器节点。而在P2P中，所有参与者都可以提供中继转发的功能，因而大大提高了匿名通讯的灵活性和可靠性，能够为用户提供更好的隐私保护。

负载均衡：P2P网络环境下由于每个节点既是服务器又是客户机，减少了对传统C/S结构服务器计算能力、存储能力的要求，同时因为资源分布在多个节点，更好的实现了整个网络的负载均衡。

由于对等网络不需要专门的服务器来做网络支持，也不需要其他的组件来提高网络的性能，因而组网成本较低，适用于人员少、组网简单的场景，故常用于网络较小的中小型企业或家庭中。

与客户端/服务器网络相比，对等网络具有下列优势：

1、可在网络的中央及边缘区域共享内容和资源。在客户端/服务器网络中，通常只能在网络的中央区域共享内容和资源。

2、由对等方组成的网络易于扩展，而且比单台服务器更加可靠。单台服务器会受制于单点故障，或者会在网络使用率偏高时，形为瓶颈。

3、由对等方组成的网络可共享处理器，整合计算资源以执行分布式计算任务，而不只是单纯依赖一台计算机，如一台超级计算机。

4、用户可直接访问对等计算机上的共享资源。网络中的对等方可直接在本地存储器上共享文件，而不必在中央服务器上进行共享。

1.1互联网的核心部分

核心部分也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。

分组交换

1.优点

优点	所采用的手段
高效	在份组传输过程中动态分配传输宽带，对通信链路使逐段占用，
灵活	为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
迅速	以分组为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
可靠	保证可靠性的网络协议，分布式多路由的分组交换网络，使网络由很好的生存性。

交换方式在数据传送阶段的主要特点

电路交换——整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道红传送。

报文交换——整个报文交换传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

分组交换——单个分组，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。

1.2   计算机网络在我国的发展

1.3  计算机网络的类别

1.3.1   计算机网络的定义

1.3.2   几种不同类别的计算机网络

1.按照网络的作用范围进行分类

（1）广域网

（2）城域网

（3）局域网

（4）个人区域网

2.按照网络的使用这进行分类

（1）公用网

（2）专用网

3.用来把用户接入到互联网的网络

万维网

四、计算机网络的性能

1.计算网络的性能指标

1.1七个指标

（1）速率（bit）

计算机发送出的信号都是数字形式的，用比特（bit）来源于binary digit，意思是“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0.

（2）宽带（bandWidth）

宽带有两种不同的意义：

（1）宽带本来是指某个信号具有的频带宽度。信号的宽带是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。

（2）在计算机中，宽带用来表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络宽带表示在单位时间内网络中某信号通道能通过的“最高数据率”

“最高数据率“，这种意义的带宽的单位是”比特每秒“，即为b/s。子这种单位的前面也通常加上千(k)、兆(M)、吉(G)、太(T)这样的倍数。

（3）吞吐量（throughput）

表示在某单位时间内通过某个网络（或通信，接口）的实际的数据量。

吞吐量更是经常地用于对现实世界中的网络的一种测试，以便知道实际上到底有多少数据能够通过网络，

（4）时延（delay或latency）

是指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间，时延是由不同的部分组成：

（1）发送延时（transmission delay）是主机或由发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需要的时间

公式为：

发送延时=数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s）

（2）传播时延（propagation delay）是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间

公式

传播时延=信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速率（m/s）

（3）处理时延：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部，从分组中提取数据部分，进行差错检验或查找适当的路由等。

（4）排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多路由器，

以上四种时延之和：

总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

（5）时延带宽积

把以上两个网络性能的两个度量，传播时延和带宽相乘，就等到另外一个度量：传播时延带宽积，即

时延带宽积 = 传播时延 × 带宽

时延带宽积 = 20 × 10 × 10^3 /1000 = 2 × 10^5 bit。这就表示，若发送端连续发送数据，则在发送的第一个比特即将达到终点时，发送端就已经发送了20万个比特，而这20万个bit都在链路上向前移动。

（6）往返时间RTT

在计算机中往返时间RTT（Round－Trip　Time）也是一个重要的性能指标。

（7）利用率

信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延。

丢包率

2.  计算机网络的非性能特征

（1）费用

（2）质量

（3）标准化

（4）可靠性

（5）可扩展性和可升级性

（6）易于管理和维护

3.计算机网络的机构体系

协议与划分层次

网络协议的组成

（1）语法

（2）语义

（3）同步

TCP/IP体系结构

五、五层协议体系结构的各层功能

1.第五——应用层(application layer)

应用层(application layer)：是体系结构中的最高。直接为用户的应用进程提供服务。

在因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议，支持文件传送的FTP协议等等。

2. 第四层——运输层(transport layer)

运输层(transport layer)：负责向两个主机中进程之间的通信提供服务。由于一个主机可同时运行多个进程，因此运输层有复用和分用的功能。

复用，就是多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务。

分用，就是把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。

运输层主要使用以下两种协议：

(1) 传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol)：面向连接的，数据传输的单位是报文段，能够提供可靠的交付。

(2) 用户数据包协议UDP(User Datagram Protocol)：无连接的，数据传输的单位是用户数据报，不保证提供可靠的交付，只能提供“尽最大努力交付”。

3. 第三层——网络层(network layer)

网络层(network layer)主要包括以下两个任务：

(1) 负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把运输层残生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报，或简称为数据报。

(2) 选中合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组，能够通过网络中的路由器找到目的主机。

4. 第二层——数据链路层(data link layer)

数据链路层(data link layer)：常简称为链路层，我们知道，两个主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的，也就是说，在两个相邻结点之间传送数据是直接传送的(点对点)，这时就需要使用专门的链路层的协议。

在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧(framing)，在两个相邻结点之间的链路上“透明”地传送帧中的数据。

每一帧包括数据和必要的控制信息(如同步信息、地址信息、差错控制等)。典型的帧长是几百字节到一千多字节。

注：”透明”是一个很重要的术语。它表示，某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。”在数据链路层透明传送数据”表示无力什么样的比特组合的数据都能够通过这个数据链路层。因此，对所传送的数据来说，这些数据就“看不见”数据链路层。或者说，数据链路层对这些数据来说是透明的。

(1)在接收数据时，控制信息使接收端能知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束。这样，数据链路层在收到一个帧后，就可从中提取出数据部分，上交给网络层。

(2)控制信息还使接收端能检测到所收到的帧中有无差错。如发现有差错，数据链路层就简单地丢弃这个出了差错的帧，以免继续传送下去白白浪费网络资源。如需改正错误，就由运输层的TCP协议来完成。

5. 第一层——物理层(physical layer)

物理层(physical layer)：在物理层上所传数据的单位是比特。物理层的任务就是透明地传送比特流。

6. 数据在各层之间的传递过程

六、实体、协议、服务和服务访问点：

实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。 

协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。

要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。

本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。

下面的协议对上面的服务用户是透明的。 

协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。

服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。