目录 第3章计算机网络及其体系结构 3.1计算机网络与互联网 3.1.1计算机网络定义 3.1.2计算机网络性能参数 3.13计算机网络分类 3.14互联网及其组成 3.2互联网体系结构及设计 3.2.1计算机网络体系结构的定义 3.22协议分层 3.23边缘论 33OSI参考模型 3.31OSI参考模型结构 3.32 OSI/RM各层功能及其实现机制 34TCPP体系结构 34lTCP/P层次结构 342TCPP分层工作原理 3.5OSI参考模型与TCPP体系结构的比较 36互联网发展现状及其存在的问题 361互联网发展现状 362互联网存在的问题 3.7互联网体系结构研究进展 37.1互联网体系结构发展的三种思路 3.72基于改良式路线的互联网体系结构研究进展 3.7.3基于革命式路线的互联网体系结构研究进展
目 录 第 3 章 计算机网络及其体系结构 3.1 计算机网络与互联网 3.1.1 计算机网络定义 3.1.2 计算机网络性能参数 3.1.3 计算机网络分类 3.1.4 互联网及其组成 3.2 互联网体系结构及设计 3.2.1 计算机网络体系结构的定义 3.2.2 协议分层 3.2.3 边缘论 3.3 OSI 参考模型 3.3.1 OSI 参考模型结构 3.3.2 OSI/RM 各层功能及其实现机制 3.4 TCP/IP 体系结构 3.4.1 TCP/IP 层次结构 3.4.2 TCP/IP 分层工作原理 3.5 OSI 参考模型与 TCP/IP 体系结构的比较 3.6 互联网发展现状及其存在的问题 3.6.1 互联网发展现状 3.6.2 互联网存在的问题 3.7 互联网体系结构研究进展 3.7.1 互联网体系结构发展的三种思路 3.7.2 基于改良式路线的互联网体系结构研究进展 3.7.3 基于革命式路线的互联网体系结构研究进展
第3章计算机网络及其体系结构 3.1计算机网络与互联网 3.1.1计算机网络定义 1、定义 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。计算机网络是把分散在不同地 点且具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和传输介质连接起来,在功能完善的 网络软件和协议的管理下,以实现网络中资源共享和数据传输为目标的系统。连接介质 可以是电缆、双绞线、光纤、微波、载波或通信卫星。连接是指处于不同地理位置的多 台具有独立功能的计算机系统通过通信设备和通信介质互连起来。对两台通信的终端而 言,网络可以虛拟成连接它们的一根电缆。网络软件系统和网络硬件系统是计算机网络 赖以存在的基础。 上述计算机网络的定义中,涉及七个要点:计算机系统、通信设备、传输介质、通 信协议(软件)、资源共享、数据传输和不同地点(拓扑结构)。计算机网络原理和技术 围绕这七个方面展开,对计算机网络的学习和研究需要涵盖这七个方面的内容以及涉及 的关键技术。 2、特征 计算机网络的基本特征:资源共享、互连的计算机是“自治”的、连网的计算机必 须遵循统一的网络协议。自治计算机的含义是指网络中,每台计算机的地位是平等的, 没有谁受谁控制的问题。 3、功能 计算机网络具有共享硬件、软件和数据资源的功能,具有对共享数据资源集中处理 及管理和维护的能力。计算机网络向用户提供的最重要的功能有两个,即 ①连通性 连通性就是计算机网络使上网用户之间都可以交换信息,好像这些用户的计算机都 可以彼此直接连通一样。 ②共享 共享就是资源共享。可以是信息共享、软件共享,也可以是硬件共享。 计算机网络的具体功能,可以归结如下
100 第 3 章 计算机网络及其体系结构 3.1 计算机网络与互联网 3.1.1 计算机网络定义 1、定义 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合的产物。计算机网络是把分散在不同地 点且具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和传输介质连接起来，在功能完善的 网络软件和协议的管理下，以实现网络中资源共享和数据传输为目标的系统。连接介质 可以是电缆、双绞线、光纤、微波、载波或通信卫星。连接是指处于不同地理位置的多 台具有独立功能的计算机系统通过通信设备和通信介质互连起来。对两台通信的终端而 言，网络可以虚拟成连接它们的一根电缆。网络软件系统和网络硬件系统是计算机网络 赖以存在的基础。 上述计算机网络的定义中，涉及七个要点：计算机系统、通信设备、传输介质、通 信协议（软件）、资源共享、数据传输和不同地点（拓扑结构）。计算机网络原理和技术 围绕这七个方面展开，对计算机网络的学习和研究需要涵盖这七个方面的内容以及涉及 的关键技术。 2、特征 计算机网络的基本特征：资源共享、互连的计算机是“自治”的、连网的计算机必 须遵循统一的网络协议。自治计算机的含义是指网络中，每台计算机的地位是平等的， 没有谁受谁控制的问题。 3、功能 计算机网络具有共享硬件、软件和数据资源的功能，具有对共享数据资源集中处理 及管理和维护的能力。计算机网络向用户提供的最重要的功能有两个，即： ① 连通性 连通性就是计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都 可以彼此直接连通一样。 ② 共享 共享就是资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。 计算机网络的具体功能，可以归结如下：
通信功能:在计算机之间传递信息。 资源共享功能:在网络中互通有无,分工协作 提高可靠性和可用性功能:各计算机可以通过网络彼此互为备份,提高了可靠性; 网络可以平均分配计算机资源,提高了可用性 易于分布式计算功能:均衡的使用网络资源,实现分布式运算。 4、举例 当前实用的覆盖全国乃至全球的计算机网络中,通常由多种不同类型的网络互连互 通而构成。一个计算机网络的示意图如图3.1所示。它包括的网络(通常称为子网)有: AIM( Asynchronous Transfer Mode,异步转移模式)网络、帧中继网、PSTN( Public Switched Telephone Network,公用电话交换网)ISDN( Integrated Service Digital Network 综合业务数字网)、移动通信网/卫星通信网、FDDⅠ( Fiber distributed data Interface,光 纤分布式数据接口)环网、局域网及高速骨干网等。整个网络通过以WDM( Wavelength Division Multiplexing,波分复用)链路作为核心路由器的高速通道,形成高速信息传输 平台,将上述各子网络互连互通,可以形成一个无缝覆盖的网络。 ??h1?2ef? 篇 图3.1计算机网络举例 路由器是网络互连的核心设备,它负责分组(分组是由若干数据比特组成的可进行 独立传输的数据块,其长度为几十个字节到几千个字节)的转发和为各个分组选择适当
101 通信功能：在计算机之间传递信息。 资源共享功能：在网络中互通有无，分工协作。 提高可靠性和可用性功能：各计算机可以通过网络彼此互为备份，提高了可靠性； 网络可以平均分配计算机资源，提高了可用性。 易于分布式计算功能：均衡的使用网络资源，实现分布式运算。 4、举例 当前实用的覆盖全国乃至全球的计算机网络中，通常由多种不同类型的网络互连互 通而构成。一个计算机网络的示意图如图 3.1 所示。它包括的网络（通常称为子网）有： ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步转移模式）网络、帧中继网、PSTN（Public Switched Telephone Network，公用电话交换网）/ISDN（Integrated Service Digital Network， 综合业务数字网）、移动通信网/卫星通信网、FDDI（Fiber Distributed Data Interface，光 纤分布式数据接口）环网、局域网及高速骨干网等。整个网络通过以 WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用）链路作为核心路由器的高速通道，形成高速信息传输 平台，将上述各子网络互连互通，可以形成一个无缝覆盖的网络。 路由器 C2 路由器 C3 路由器 C1 X.25分组网 帧中继 路由器 E2 路由器 E1 PSTN ISDN ò??ˉí¨D?í? ?àD?í¨D?í? 路由器 E3 ATMí??? 路由器 E4 ???ù1??éí? 卫星 用户C 用户D FDDI环网 以太网 用户B 用户A 用户F 用户E 用户G 服务器S3 服务器S1 移动 服务器S2 基站 局域网B 局域网A SDH WDM WDM WDM WDM SDH SDH SDH SDH 图 3.1 计算机网络举例 路由器是网络互连的核心设备，它负责分组（分组是由若干数据比特组成的可进行 独立传输的数据块，其长度为几十个字节到几千个字节）的转发和为各个分组选择适当
的传输路径。正是由于路由器的存在,我们可以将任一用户(用户A)的分组,通过一 个最优的路由(用户A→路由器E3→路由器Cl→路由器C3→ATM网络→路由器E4 用户G)转发给任一目的用户(用户G)。 在上述网络中,以分组作为载体来运载不同类型的业务。这些业务可以是语音、图 像、视频,也可以是电子邮件、Web业务。为了向用户提供不同的服务,除通信网络本 身以外,网络中还拥有不同类型的服务器。 3.1.2计算机网络性能参数 计算机网络性能一般是指它的几个重要的性能参数。但除了这些重要的性能参数 外,还有一些非性能特征也对计算机网络的性能有很大的影响。 、计算机网络的性能参数 (1)速率 网络技术中的速率指的是连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速 率,它也称为数据率或比特率。速率是计算机网络中最重要的一个性能参数。它往往是 指额定速率或标称速率。速率的单位是b/s(比特每秒)(或bits,有时也可写为bps)。 当数据率较高是时,可用kb/s(k=103=千)、Mb/s(M=106=兆)、Gbs(G=10° 吉)、Tb(T=102=太)。现在人们常用更简单的并且是很不严格的记法来描述网络 的速率,如100M以太网,而省略了单位中的b/s,它的意思是速率为100Mb/s的以太 网 (2)带宽 在计算机网络中,带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力,因此网络带 宽表示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”。带宽的单 位是“比特每秒”,记为b/s。还有千比特每秒(kb/s)、兆比特每秒(Mb/s)、吉比特 每秒(Gb/s)、太比特每秒(Tb/s)等 (3)吞吐量 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。吞吐量更经常 地用于对现实世界中的网络的一种测量,以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网 络。显然,吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。例如,对于一个100Mbs 的以太网,其额定速率是100Mbs,那么这个数值也是该以太网的吞吐量的绝对上限值
102 的传输路径。正是由于路由器的存在，我们可以将任一用户（用户 A）的分组，通过一 个最优的路由（用户 A→路由器 E3→路由器 C1→路由器 C3→ATM 网络→路由器 E4→ 用户 G）转发给任一目的用户（用户 G）。 在上述网络中，以分组作为载体来运载不同类型的业务。这些业务可以是语音、图 像、视频，也可以是电子邮件、Web 业务。为了向用户提供不同的服务，除通信网络本 身以外，网络中还拥有不同类型的服务器。 3.1.2 计算机网络性能参数 计算机网络性能一般是指它的几个重要的性能参数。但除了这些重要的性能参数 外，还有一些非性能特征也对计算机网络的性能有很大的影响。 1、计算机网络的性能参数 （1）速率 网络技术中的速率指的是连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速 率，它也称为数据率或比特率。速率是计算机网络中最重要的一个性能参数。它往往是 指额定速率或标称速率。速率的单位是 b/s（比特每秒）（或 bit/s，有时也可写为 bps）。 当数据率较高是时，可用 kb/s（ 3 k 10 千）、Mb/s（ 6 M 10 兆）、Gb/s（ 9 G 10 吉）、Tb/s（ 12 T 10 太）。现在人们常用更简单的并且是很不严格的记法来描述网络 的速率，如 100M 以太网，而省略了单位中的 b/s，它的意思是速率为 100Mb/s 的以太 网。 （2）带宽 在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带 宽表示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”。带宽的单 位是“比特每秒”，记为 b/s。还有千比特每秒（kb/s）、兆比特每秒（Mb/s）、吉比特 每秒（Gb/s）、太比特每秒（Tb/s）等。 （3）吞吐量 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量更经常 地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网 络。显然，吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。例如，对于一个 100 Mb/s 的以太网，其额定速率是 100 Mb/s，那么这个数值也是该以太网的吞吐量的绝对上限值
因此,对100Mb/s的以太网,其典型的吞吐量可能也只有70Mb/s。有时吞吐量还可以 用每秒传送的字节数或帧数来表示。 (4)时延 时延是指数据(一个报文或分组,甚至比特)从网络(或链路)的一端传送到另一 端所需的时间。时延是个很重要的性能指标。网络中的时延是由发送时延、传播时延 处理时延和排队时延等四个不同部分组成的。 发送时延(传输时延):发送时延是主机或路由器发送数据帧所需的时间,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的时间。因此发 送时延也叫做传输时延。发送时延的计算公式是: 发送时延≈数据帧长度() 信道带宽(bs) 由此可见,对于一定的网络,发送时延并非固定不变,而是与发送的帧长(单位是 比特)成正比,与信道带宽成反比。 传播时延:传播时延是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 的计算公式是 传播时延 信道长度(m) 电磁波在信道上的传播速率(m 电磁波在自由空间的传播速率是光速,即30×105km。电磁波在网络传输介质中 的传播速率比在自由空间要略低一些:在铜线电缆中的传播速率约为23×105km/s,在 光纤中的传播速率约为20×105km/s。例如,1000km长的光纤线路产生的传播时延大约 为5ms。不要把发送时延与传播时延弄混。但只要理解这两种时延发生的地方就不会把 它们弄混:发送时延发生在机器的内部的发送器中(一般就是发生在网络适配器中), 而传播时延则发生在机器外部的传输信道介质上 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等,这就产生了处 理时延。 排队时延:分组在经过网络传输时,要经过许多的路由器。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。排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量。当网 络的通信量很大时会发生队列溢出,使分组丢失,这相当于排队时延为无穷大
103 因此，对 100 Mb/s 的以太网，其典型的吞吐量可能也只有 70 Mb/s。有时吞吐量还可以 用每秒传送的字节数或帧数来表示。 （4）时延 时延是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一 端所需的时间。时延是个很重要的性能指标。网络中的时延是由发送时延、传播时延、 处理时延和排队时延等四个不同部分组成的。 发送时延（传输时延）：发送时延是主机或路由器发送数据帧所需的时间，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的时间。因此发 送时延也叫做传输时延。发送时延的计算公式是： b/s b 信道带宽 数据帧长度 发送时延 由此可见，对于一定的网络，发送时延并非固定不变，而是与发送的帧长（单位是 比特）成正比，与信道带宽成反比。 传播时延：传播时延是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 的计算公式是： m/s m 电磁波在信道上的传播速率 信道长度 传播时延 电磁波在自由空间的传播速率是光速，即 5 3.0 10 km/s。电磁波在网络传输介质中 的传播速率比在自由空间要略低一些：在铜线电缆中的传播速率约为 5 2.310 km/s，在 光纤中的传播速率约为 5 2.0 10 km/s。例如，1000km 长的光纤线路产生的传播时延大约 为 5ms。不要把发送时延与传播时延弄混。但只要理解这两种时延发生的地方就不会把 它们弄混：发送时延发生在机器的内部的发送器中（一般就是发生在网络适配器中）， 而传播时延则发生在机器外部的传输信道介质上。 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等，这就产生了处 理时延。 排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多的路由器。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。排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量。当网 络的通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大