因特網(wǎng)概述
因特網(wǎng)(Internet)是全球最大的計算機網(wǎng)絡,連接了數(shù)以億計的計算設備,如計算機、智能手機、服務器等。它通過一套通用的協(xié)議(主要是TCP/IP協(xié)議族)實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的信息交換與資源共享。因特網(wǎng)的核心是分布式的網(wǎng)絡結構,由眾多互聯(lián)網(wǎng)服務提供商(ISP)的網(wǎng)絡相互連接而成,沒有單一的中心控制點。其應用已滲透到社會生活的方方面面,如萬維網(wǎng)(WWW)、電子郵件、流媒體和云計算等。
三種交換方式
在計算機網(wǎng)絡中,數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡從源點傳送到終點主要采用三種交換技術:
- 電路交換:在通信開始前,需要在通信雙方之間建立一條專用的物理通路,并在整個通信期間獨占該線路,直到通信結束才釋放。傳統(tǒng)電話網(wǎng)絡是典型代表。其優(yōu)點是傳輸時延小、實時性強;缺點是線路利用率低,建立連接耗時。
- 報文交換:以整個報文(要發(fā)送的完整數(shù)據(jù)塊)為交換單位。每個報文都帶有源地址和目的地址,網(wǎng)絡節(jié)點(如路由器)接收整個報文后暫存,再根據(jù)地址轉發(fā)到下一個節(jié)點,直至目的地。這種方式無需建立專用通路,線路利用率高,但報文在節(jié)點存儲轉發(fā)時延較大,且對節(jié)點緩存要求高。
- 分組交換:將報文分割成更小的、長度固定的數(shù)據(jù)塊,稱為“分組”或“包”。每個分組獨立路由,通過網(wǎng)絡傳輸,在目的地重新組裝成原始報文。這是現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡(包括因特網(wǎng))采用的核心技術。它兼具了電路交換和報文交換的優(yōu)點:無需建立連接、線路利用率高、傳輸更靈活可靠(不同分組可走不同路徑),是支持大規(guī)模、異構網(wǎng)絡互聯(lián)的關鍵。
計算機網(wǎng)絡定義和分類
定義:計算機網(wǎng)絡是指將地理位置不同的、具有獨立功能的多個計算機系統(tǒng)及其外部設備,通過通信線路和通信設備連接起來,在網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡管理軟件及網(wǎng)絡通信協(xié)議的管理和協(xié)調(diào)下,實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的系統(tǒng)。
分類(按地理范圍劃分):
- 個域網(wǎng):覆蓋范圍最小,通常在個人工作區(qū),如藍牙連接。
- 局域網(wǎng):覆蓋有限的地理區(qū)域,如一個辦公室、一棟樓或一個校園,具有高數(shù)據(jù)傳輸率、低誤碼率的特點。以太網(wǎng)和Wi-Fi是常見技術。
- 城域網(wǎng):覆蓋一個城市,通常作為多個局域網(wǎng)的骨干網(wǎng)。
- 廣域網(wǎng):覆蓋范圍最廣,可以是一個國家、地區(qū)甚至全球。因特網(wǎng)是最大的廣域網(wǎng)。其技術復雜,通常利用公用電信網(wǎng)絡。
計算機網(wǎng)絡的性能指標
用于評估計算機網(wǎng)絡性能的主要指標包括:
- 速率:指數(shù)據(jù)的傳送速率,即比特率,單位是比特/秒(b/s)。常用單位有kb/s, Mb/s, Gb/s等。注意與表示存儲容量的字節(jié)(Byte)區(qū)分。
- 帶寬:在計算機網(wǎng)絡中,帶寬指數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”,單位同速率。它表示網(wǎng)絡的通信能力。
- 吞吐量:單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡(或信道、接口)的實際數(shù)據(jù)量。受帶寬、網(wǎng)絡擁堵程度等因素影響。
- 時延:數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡的一端傳送到另一端所需的時間。由以下幾部分構成:
- 發(fā)送時延:節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀所需時間。
- 傳播時延:電磁波在信道中傳播一定距離所需時間。
- 處理時延:節(jié)點對數(shù)據(jù)進行存儲轉發(fā)處理所需時間。
- 排隊時延:數(shù)據(jù)在節(jié)點中排隊等待處理的時間。
- 時延帶寬積:傳播時延與帶寬的乘積,表示鏈路上可容納的比特數(shù)量,即“以比特為單位的鏈路長度”。
- 往返時間:從發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)開始,到發(fā)送方收到接收方的確認所經(jīng)歷的總時間。
- 利用率:包括信道利用率和網(wǎng)絡利用率。過高利用率會導致時延急劇增加。
計算機網(wǎng)絡體系結構
為了降低網(wǎng)絡設計的復雜性,計算機網(wǎng)絡采用分層結構,每一層都建立在下一層的基礎上,并為上一層提供服務。這種分層模型和協(xié)議的集合稱為網(wǎng)絡體系結構。最著名的模型是OSI七層參考模型(理論標準)和實際廣泛應用的TCP/IP四層模型。
- TCP/IP四層模型(從下至上):
- 網(wǎng)絡接口層:負責在物理網(wǎng)絡上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)幀。
- 網(wǎng)際層:核心協(xié)議是IP,負責將數(shù)據(jù)包從源主機路由到目的主機。
- 傳輸層:主要協(xié)議有TCP(面向連接、可靠)和UDP(無連接、高效),負責端到端的通信。
- 應用層:包含各種高層協(xié)議,如HTTP、FTP、DNS、SMTP等,為用戶應用程序提供網(wǎng)絡服務。
- 五層協(xié)議學習模型(折中方案,便于教學):物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、應用層。
分層結構的關鍵概念是協(xié)議(對等層規(guī)則)、接口(相鄰層服務訪問點)和服務(下層為上層提供的功能)。
計算機系統(tǒng)服務
這里的“計算機系統(tǒng)服務”在計算機網(wǎng)絡語境下,通常指網(wǎng)絡為連接在其上的主機(端系統(tǒng))提供的核心服務。這些服務由網(wǎng)絡體系結構中的各層協(xié)議共同實現(xiàn),主要包括:
- 連通性服務:最基本服務,使端系統(tǒng)之間能夠互相發(fā)送和接收數(shù)據(jù),實現(xiàn)互聯(lián)互通。IP層提供了主機到主機的邏輯通信能力。
- 資源共享服務:允許多個用戶共享網(wǎng)絡中的硬件(如打印機、存儲設備)、軟件和數(shù)據(jù)資源。這是組建網(wǎng)絡的主要目的之一。
- 信息服務:提供各種形式的信息傳遞與訪問,如網(wǎng)頁瀏覽(WWW)、文件傳輸(FTP)、電子郵件(E-mail)等。
- 可靠數(shù)據(jù)傳輸服務:確保數(shù)據(jù)能準確、有序、無差錯地從發(fā)送方傳送到接收方。這主要由傳輸層的TCP協(xié)議等提供。
- 效率與性能保障服務:包括流量控制(防止發(fā)送方淹沒接收方)、擁塞控制(防止網(wǎng)絡過載),以及一定的服務質(zhì)量保證。
- 安全服務:通過加密、認證、訪問控制等手段,保護數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C密性、完整性和可用性,防止未授權訪問和攻擊。
這些服務共同構成了現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡強大功能的基礎,支撐著豐富多彩的互聯(lián)網(wǎng)應用。