目錄
四、網絡性能
1、速率和帶寬 2、延遲/時延（delay/latency） 3、時延帶寬積 4、丢包（loss） 5、吞吐量/率（throughput）
五、網絡體系結構
1、概述 2、OSI參考模型 3、TCP/IP參考模型 4、5層參考模型
六、計算機網絡與Internet發展曆史
四、網絡性能
1、速率和帶寬
（1）速率
速率即資料率（data rate）或稱資料傳輸速率或比特率（bit rate），機關時間（秒）傳輸資訊（比特）量，是計算機網絡中最重要的一個性能名額。
機關b/s（或bps）、kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s，其中k=103、M=106、G=109、T=1012。
速率往往是指額定速率或标稱速率，理想或最大速率。
（2）帶寬
“帶寬”（bandwidth）原本指信号具有的頻帶寬度，即最高頻率與最低頻率之差，機關是赫茲（Hz）。
網絡的“帶寬”通常是數字信道所能傳送的“最高資料率”，即速率。
2、延遲/時延（delay/latency）
在分組交換網絡中，分組到達路由器暫存，确定要轉發的鍊路，如果該鍊路正忙要等待，閑時轉發，之後傳播至下一節點。
分組從到達一個路由器開始到分組被成功轉發到下一個路由器所消耗的時間主要有四種。
dproc：結點處理延遲（nodal processing delay），差錯檢測、确定輸對外連結路，通常<msec。
dqueue：排隊延遲（queueing delay），等待輸對外連結路可用，取決于路由器擁塞程度。
dtrans：傳輸延遲（transmission delay），L/R，取決于分組長度L（bits）、鍊路帶寬R（bps）。
dprop：傳播延遲（propagation delay），d/s，取決于實體鍊路長度d、信号傳播速度s。一個分組發出後，通過信号（電信号、光信号、無線信号）發送到下一節點，信号在節點上的傳播也需要時間稱為傳播延遲。在銅纜中電信号傳播速度為~2×108m/sec（0.7倍光速）。
dtrans與dprop完全不同！傳輸延遲是發送一個分組需要的時間，傳播延遲是信号從這一點經過鍊路傳播到下一點需要的時間。
排隊延遲的不确定性：鍊路帶寬R（bps）、分組長度L（bits）、平均分組到達速率a。流量強度（traffic intensity）= La/R。
La/R ~ 0：平均排隊延遲很小；La/R -> 1：平均排隊延遲很大；La/R > 1：超出服務能力，平均排隊延遲無限大！
3、時延帶寬積
時延帶寬積=傳播時延×帶寬= dprop×R（bits）
當第一個bit到達鍊路目的地時，一共發出的bits。或鍊路上能容納的bits，鍊路的時延帶寬積又稱為以bit為機關的鍊路長度。
4、丢包（loss）
隊列緩存容量有限，分組到達已滿隊列将被丢棄，丢棄分組可能由前序結點或源重發，也可能不重發。
丢包率=丢包數/已發分組總數
5、吞吐量/率（throughput）
表示在發送端與接收端之間傳送資料速率（b/s）。即時吞吐量，給定時刻的速率。平均吞吐量，一段時間的平均速率。
吞吐量取決于端到端路徑上的瓶頸鍊路（bottleneck link）。
10條“連接配接”共享主幹網瓶頸鍊路Rbits/sec，每條“連接配接”的端到端吞吐量理論值：min(Rc,Rs,R/10)，實際網絡中瓶頸通常是Rc或 Rs。
五、網絡體系結構
1、概述
計算機網絡是一個非常複雜的系統，涉及通信技術和計算機技術，涉及許多組成部分： 主機、路由器、各種鍊路、應用、協定、硬體、軟體等。是否存在一種系統結構有效描述網絡？利用什麼樣的結構？至少用于讨論網絡？分層結構。
計算機網絡體系結構簡稱網絡體系結構（network architecture），是從功能上描述計算機網絡結構，是分層結構。每層遵循某個/些網絡協定完成本層特定功能，計算機網絡體系結構是計算機網絡的各層及其協定的集合，是一個計算機網絡的功能層次及其關系的定義。體系結構是抽象的，不關心功能的具體實作。
為什麼使用分層結構？結構清晰，有利于識别複雜系統的部件及其關系，分層的參考模型（reference model）。子產品化的分層易于系統更新、維護，任何一層服務實作的改變對于系統其它層都是透明的，例如登機過程的改變并不影響航空系統的其它層。有利于标準化。
分層是否有不利之處？分層多會導緻效率低。
實體（entity）表示任何可發送或接收資訊的硬體或軟體程序。
協定是控制兩個對等實體（同層）進行通信的規則的集合，協定是“水準的”。
任一層實體需要使用下層服務，遵循本層協定，實作本層功能，向上層提供服務，服務是“垂直的”。
下層協定的實作對上層的服務使用者是透明的。
同系統的相鄰層實體間通過接口進行互動，通過服務通路點 SAP（Service Access Point），交換原語，指定請求的特定服務。
2、OSI參考模型
開放系統互連（OSI）參考模型是由國際标準化組織（ISO）于1984年提出的分層網絡體系結構模型，目的是支援異構網絡系統的互聯互通。雖然是理論模型，市場失敗，但是了解網絡通信的最佳學習工具。
将體系結構在功能上分為7層，每層完成特定的網絡功能。
兩個主機通過中間系統互聯，主機完成7層功能，中間系統完成3層功能。A主機應用層最先處理資料，交給表示層…實體層把信号傳給中間系統；中間系統實體層把資料還原，…
假設隻看源主機到目的主機之間的通信，二者均要實作7層的功能。主機A的資料交給應用層，應用層根據網絡應用及協定不同，加上應用層頭（控制資訊），構成這個協定的資料包，稱為應用層協定資料單元（A-PDU），交給表示層…每一層加上該層協定規定的頭部資訊，構成協定資料單元，傳給下一層，最終到達實體層轉換為比特流。在實體媒體上傳播到目的地，向上處理得到使用者資料。
為什麼需要資料封裝？增加控制資訊，構造協定資料單元（PDU）。
控制資訊主要包括：位址（Address），辨別發送端/接收端；差錯檢測編碼（Error-detecting code），用于差錯檢測 或糾正；協定控制（Protocol control），實作協定功能的附加資訊，如優先級（priority）、服務品質（QoS）和安全控制等。
（1）實體層
實作每一個bit的傳輸。
① 接口特性：定義和規範接口特性，主機和發送裝置之間的接口，發送裝置和實體媒體間的接口，接口特性包括：機械特性（接口形狀等）、電氣特性（電平電壓等）、功能特性（引腳功能：接地、發送控制信号資料信号）、規程特性（接口的工作過程）。
② 比特編碼：用信号的什麼特征表示0和1。
③ 資料率：發送資料的速率。
④ 比特同步：時鐘同步
⑤ 傳輸模式：單工（Simplex），單向發送資料，如傳統電視；半雙工（half-duplex），交替雙向，二者不能同時發資料，如對講機；全雙工（full-duplex），發送和接收資料可以同時進行，通常采用獨立的兩個信道。
（2）資料鍊路層
解決實體鍊路直接相連的兩個相鄰結點間的資料傳輸（node-to-node）資料傳輸，結點可能是主機或其它網絡裝置，以幀作為資料機關。
① 組幀（Framing）：加頭加尾構成幀，通常頭部加位址等資訊，尾部加差錯檢測等資訊。讓接收一端從實體層收到一系列比特流後能切分出每個幀，且區分出頭部、尾部和資料資訊，根據頭部尾部資訊完成資料鍊路層協定規定的相關功能。
② 實體尋址（Physical addressing）：在幀頭中增加發送端和/或接收端的實體位址辨別資料幀的發送端和/或接收端。廣播通信，即所有通信主機連接配接在同一個實體鍊路上，實體層發出的資料其它任何一方都能收到，在這樣的網絡中，位址是必須的。
③ 流量控制（Flow control）：比對發送端和接收端的發送速度和接收速度，避免淹沒接收端。
④ 差錯控制（Error control）：檢測并重傳損壞或丢失幀，并避免重複幀。
⑤ 通路（接入）控制（Access control）：在任一給定時刻決定哪個裝置擁有鍊路（實體媒體）控制使用權。
（3）網絡層
負責源主機到目的主機資料分組（packet）傳遞，可能穿越多個網絡。
① 邏輯尋址（Logical addressing）：全局唯一邏輯位址，確定資料分組被送達目的主機，如IP位址。
② 路由（Routing）：路徑選擇，路由器（或網關）互連網絡，并路由分組至最終目的主機。
分組轉發：紅色字母辨別網絡層唯一的邏輯位址，綠色數字代表實體位址。構造網絡層協定資料單元（T-PDU），用源和目的網絡層位址（S和D）辨別分組，封裝到鍊路層資料幀；到路由器後，取出T-PDU後，重新封裝資料幀；下一個路由器再取出T-PDU後，重新封裝資料幀...該過程中，源和目的的網絡層位址不變，保證跨越多個鍊路，把資料送到目的地。
（4）傳輸層
傳輸層的協定資料單元叫段（segments），把來自會話層的完整封包分割成資料段，構造協定資料單元，交給網絡層進行傳輸。負責源-目的（端-端）（程序間）完整封包傳輸。
① 封包的分段與重組。
② SAP尋址：確定将完整封包送出給正确程序，如端口号。會話層協定資料單元交給傳輸層，傳輸層對其進行分割，構造一個個傳輸層的段，包括源和目的的SAP位址x、y；進一步交給網絡層，構造網絡層資料單元，S和D是邏輯位址；交給資料鍊路層，構造資料幀，包含實體位址；傳輸到目的地後層層剝離。
③ 連接配接控制：從下向上第一個端到端的層次，可以實作端到端的連接配接控制（邏輯連接配接），包括建立、維護和拆除。
④ 流量控制：端到端。
⑤ 差錯控制：從端系統的角度引入差錯編碼、差錯糾正機制等。
（5）會話層
接收表示層協定資料單元，最多插入一些控制資訊。
① 對話控制（dialog controlling）：建立、維護、拆除。
② 同步（synchronization）：在資料流中插入“同步點”，一旦資料傳輸在某個控制點附近中斷，下次恢複隻需恢複到最近一個控制點。
會話層是功能最單薄的一層，實際網絡中不存在這層。
（6）表示層
處理兩個系統間交換資訊的文法與語義（syntax and semantics）問題。
① 資料表示轉化：如大端數和小端數位元組順序不同，轉換為主機獨立的編碼。
② 加密/解密、壓縮/解壓縮。
表示層功能也不複雜，實際網絡不存在這層。
（7）應用層
最豐富的一層，多個應用通訊功能對應應用層，有不同的應用層協定。應用層支援使用者通過使用者代理（如浏覽器）或網絡接口，使用網絡（服務）。
典型應用層服務：檔案傳輸（FTP）、電子郵件（SMTP）、Web（HTTP）、……
3、TCP/IP參考模型
網絡接口層沒有定義具體相關協定，僅要求能封裝網際層的IP分組；傳輸層定義TCP/UDP協定；應用層一系列網絡應用基于TCP/UDP協定。
所有的應用都架構在IP之上，IP over Everything，IP可應用到各式各樣的網絡上。這個特點是Internet網絡快速發展的主要因素，底層網絡沒有限制，隻要能封裝IP分組，就可以作為網際網路的一部分。
4、5層參考模型
綜合OSI 和TCP/IP的優點，清晰的概念、結構和實用。從理論到實踐應用最多。
應用層：支援各種網絡應用，FTP, SMTP, HTTP；
傳輸層：程序-程序的資料傳輸，TCP, UDP；
網絡層：源主機到目的主機的資料分組路由與轉發，IP協定、路由協定等；
鍊路層：相鄰網絡元素（主機、交換機、路由器等）的資料傳輸，以太網（Ethernet）、802.11（WiFi）、PPP；
實體層：比特傳輸。
5層模型解釋的資料封裝和傳輸過程：源主機通過交換機連接配接到路由器，再連接配接到目的主機。應用層是使用者發送的資料，稱為封包（message）；傳輸層把封包拆分加上頭，構成段（segment）；網絡層加上頭，構成資料報（datagram）；鍊路層加頭加尾，構成幀（frame）；實體層，一個個bit。
六、計算機網絡與Internet發展曆史
（1）1961-1972：早期分組交換原理的提出與應用
1961：Kleinrock排隊論證明分組交換的有效性
1964：Baran分組交換應用于軍事網絡
1967：ARPA（Advanced Research Projects Agency）提出ARPAnet構想
1969：第一個ARPAnet 結點運作，共四個結點
1972：ARPAnet公開示範；第一個主機-主機協定NCP（Network Control Protocol）；第一個e-mail程式；ARPAnet擁有15個結點。
（2）1972-1980：網絡互連，大量新型、私有網絡的湧現
1970：在夏威夷建構了ALOHAnet衛星網絡
1974：Cerf與Kahn提出網絡互連體系結構
Cerf與Kahn網絡互連基本原則：極簡（minimalism）、自治（autonomy）無需改變内部網絡實作網絡互連、盡力服務（best effort service）模型、無狀态路由器、分散控制。——當今Internet體系結構。
1976：Xerox設計了以太網
70’s後期：私有網絡體系結構DECnet, SNA, XNA；固定長度分組交換（ATM 先驅）
1975：ARPAnet移交給美國國防部通信局管理
1979：ARPAnet擁有200結點
（3）1980-1990：新型網絡協定與網絡的激增:
1983：部署TCP/IP
1982：定義了smtp電子郵件協定
1983：定義了DNS
1985：定義了FTP協定
1988：TCP擁塞控制；新型國家級網絡CSnet, BITnet, NSFnet, Minitel（法國）
1986：NSFnet初步形成了一個由骨幹網、區域網和校園網組成的三級網絡
100,000台主機連接配接公共網絡
（4）1990-2000’s：商業化、Web、新應用
① 1990’s早期：ARPAnet退役
1991：NSF解除NSFnet的商業應用限制（1995年退役），由私營企業經營
1992：網際網路協會ISOC成立
② 1990s後期：Web應用
超文本（hypertext）[Bush 1945, Nelson 1960’s]
HTML, HTTP：Berners-Lee
1994：Mosaic、Netscape浏覽器
1990’s後期：Web開始商業應用
③ 1990’s後期-2000’s
更多極受歡迎的網絡應用：即時消息系統（如QQ），P2P檔案共享
網絡安全引起重視
網絡主機約達50000，網絡使用者達1億以上
網絡主幹鍊路帶寬達到Gbps
（5）2005-
~7.5億主機，智能手機和平闆電腦
寬帶接入的快速部署
無處不在的高速無線接入快速增長
出現線上社交網絡：Facebook很快擁有10億使用者
服務提供商（如Google, Microsoft）建立其自己的專用網絡，繞開Internet，提供“即時”接入搜尋、email等服務
電子商務、大學、企業等開始在“雲”中運作自己的服務（如Amazon EC2）