初識計算機網絡||概述

本文參考謝希仁《計算機網絡（第6版）》，電子工業出版社出版。
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初識計算機網絡||概述

1、計算機網絡的定義及相關概念

計算機網絡的精確定義並未統一。較好的定義：計算機網絡主要是由一些通用的、可編程的硬件互連而成的，而這些硬件並非專門用來實現某一特定目的（例如，傳送數據或視頻信號）。這些可編程的硬件能夠用來傳送多種不同類型的數據，並能支持廣泛的和日益增長的應用。

1.1 網絡

“網絡”是一個統稱，泛指把人或物互連在一起而形成的系統。

網絡(network)由若干結點(node)和連接這些結點的鏈路(link)組成。網絡中的結點可以是計算機、集線器、交換機或路由器等。

1.2 網絡的網絡

網絡和網絡還可以通過路由器互連起來，這樣就構成了一個覆蓋範圍更大的網絡，即互聯網（或互連網），因此互聯網是“網絡的網絡”(network ofnetworks)。

1.3 因特網

因特網(Internet)是世界上最大的互連網絡（用戶數以億計，互連的網絡數以百萬計）。習慣上，大家把連接在因特網上的計算機都稱爲主機(host)。網絡把許多計算機連接在一起，而因特網則把許多網絡連接在一起。

注意：網絡互連並不是把計算機僅僅簡單地在物理上連接起來，因爲這樣做並不能達到計算機之間能夠相互交換信息的目的。我們還必須在計算機上安裝許多使計算機能夠交換信息的軟件纔行。因此當我們談到網絡互連時，就隱含地表示在這些計算機上已經安裝了適當的軟件，因而在計算機之間可以通過網絡交換信息。

1.4 internet和Internet的區別

internet（互聯網或互連網）是一個通用名詞，它泛指由多個計算機網絡互連而成的網絡。在這些網絡之間的通信協議（即通信規則）可以是任意的。

Internet（因特網）則是一個專用名詞，它指當前全球最大的、開放的、由衆多網絡相互連接而成的特定計算機網絡，它採用TCP/IP協議族作爲通信的規則，且其前身是美國的ARPANET。

1.5 ISP

因特網服務提供者ISP (Internet Service Provider)就是一個進行商業活動的公司，因此ISP又常譯爲因特網服務提供商。例如，中國電信、中國聯通和中國移動就是我國最有名的ISP。

ISP可以從因特網管理機構申請到很多IP地址（因特網上的主機都必須有IP地址才能上網），同時擁有通信線路（大的ISP自己建造通信線路，小的ISP則向電信公司租用通信線路）以及路由器等連網設備，因此任何機構和個人只要向某個ISP交納規定的費用，就可從該ISP獲取所需IP地址的使用權，並可通過該ISP接入到因特網。所謂“上網”就是指“（通過某個ISP獲得的IP地址）接入到因特網”。IP地址的管理機構不會把一個單個的IP地址分配給單個用戶（不“零售”IP地址），而是把一批IP地址有償租賃給經審查合格的ISP（只“批發”IP地址）。由此可見，現在的因特網已不是某個單個組織所擁有而是全世界無數大大小小的ISP所共同擁有的，這就是因特網也稱爲“網絡的網絡”的原因。下圖說明了用戶通過ISP上網（有線接入或無線接入）。

下是具有三層ISP結構的因特網的概念示意圖，但這種示意圖並不表示各ISP的地理位置關係。圖中給出了主機A經過許多不同層次的ISP與主機B通信的示意圖。

1.6 因特網交換點 IXP(Internet eXchange Point)

因特網交換點IXP的主要作用就是允許兩個網絡直接相連並交換分組，而不需要再通過第三個網絡來轉發分組。例如，在上圖中右方的兩個地區ISP通過一個IXP連接起來了。這樣，主機A和主機B交換分組時，就不必再經過最上層的主幹ISP，而是直接在兩個地區ISP之間用高速鏈路對等地交換分組。這樣就使因特網上的數據流量分佈更加合理，同時也減少了分組轉發的遲延時間，降低了分組轉發的費用。現在許多IXP在進行對等交換分組時，都互相不收費。但本地ISP或地區ISP通過IXP向高層的IXP轉發分組時，則需要交納一定的費用。IXP的結構非常複雜。典型的IXP由一個或多個網絡交換機組成，許多ISP再連接到這些網絡交換機的相關端口上。IXP常採用工作在數據鏈路層的網絡交換機，這些網絡交換機都用局域網互連起來。

1.7 萬維網WWW (World Wide Web)

因特網已經成爲世界上規模最大和增長速率最快的計算機網絡，沒有人能夠準確說出因特網究竟有多大。因特網的迅猛發展始於20世紀90年代，由歐洲原子核研究組織CERN開發的萬維網WWW (World Wide Web)被廣泛使用在因特網上，大大方便了廣大非網絡專業人員對網絡的使用，成爲因特網的這種指數級增長的主要驅動力。

2、因特網的組成

因特網的拓撲結構雖然非常複雜，並且在地理上覆蓋了全球，但從其工作方式上看，可以劃分爲以下的兩大塊：

邊緣部分 由所有連接在因特網上的主機組成。這部分是用戶直接使用的，用來進行通信（傳送數據、音頻或視頻）和資源共享。
核心部分 由大量網絡和連接這些網絡的路由器組成。這部分是爲邊緣部分提供服務的（提供連通性和交換）。

2.1 因特網的邊緣部分

處在因特網邊緣的部分就是連接在因特網上的所有的主機，這些主機又稱爲端系統(endsystem)。端系統在功能上可能有很大的差別，小的端系統可以是一臺普通個人電腦（包括筆記本電腦或平板電腦）和具有上網功能的手機，甚至是一個很小的網絡攝像頭（可監視當地的天氣或交通情況，並在因特網上實時發佈），而大的端系統則可以是一臺非常複雜和昂貴的大型計算機。端系統的擁有者可以是個人，也可以是單位（如學校、企業、政府機關等），當然也可以是某個ISP（即ISP不僅僅是向端系統提供服務，它也可以擁有一些端系統）。邊緣部分利用核心部分所提供的服務，使衆多主機之間能夠互相通信並交換或共享信息。

在網絡邊緣的端系統之間的通信方式通常可劃分爲兩大類：客戶-服務器方式（C/S方式）和對等方式（P2P方式）。

1.客戶-服務器方式

客戶(client)和服務器(server)都是指通信中所涉及的兩個應用進程。客戶-服務器方式所描述的是進程之間服務和被服務的關係。在下圖中，主機A運行客戶程序而主機B運行服務器程序。在這種情況下，A是客戶而B是服務器。客戶A向服務器B發出請求服務，而服務器B向客戶A提供服務。這裏最主要的特徵就是：客戶是服務請求方，服務器是服務提供方。

客戶程序：

被用戶調用後運行，在通信時主動向遠地服務器發起通信（請求服務）。因此，客戶程序必須知道服務器程序的地址。
不需要特殊的硬件和很複雜的操作系統。

服務器程序：

是一種專門用來提供某種服務的程序，可同時處理多個遠地或本地客戶的請求。
系統啓動後即自動調用並一直不斷地運行着，被動地等待並接受來自各地的客戶的通信請求。因此，服務器程序不需要知道客戶程序的地址。
一般需要有強大的硬件和高級的操作系統支持。

2.對等連接方式

對等連接(peer-to-peer，簡寫爲P2P)是指兩個主機在通信時並不區分哪一個是服務請求方還是服務提供方。只要兩個主機都運行了對等連接軟件（P2P軟件），它們就可以進行平等的、對等連接通信。這時，雙方都可以下載對方已經存儲在硬盤中的共享文檔。因此這種工作方式也稱爲P2P文件共享。對等連接工作方式可支持大量對等用戶（如上百萬個）同時工作。

2.2 因特網的核心部分

網絡核心部分是因特網中最複雜的部分，因爲網絡中的核心部分要向網絡邊緣中的大量主機提供連通性，使邊緣部分中的任何一臺主機都能夠向其他主機通信。在網絡核心部分起特殊作用的是路由器（router），它是一種專用計算機（但不是主機）。路由器是實現分組交換（packet switching）的關鍵構件，其任務是轉發收到的分組，這是網絡核心部分最重要的功能。

1.電路交換的主要特點

在電話問世後不久，人們就發現要讓所有的電話機都兩兩相連接是不現實的。兩部電話只需要用一對電線就能夠互相連接起來。但若有5部電話要兩兩相連，則需要10對電線，見下圖所示。顯然，若N部電話要兩兩相連，就需要N(N - 1)/2對電線。當電話機的數量很大時，這種連接方法需要的電線數量就太大了（與電話機的數量的平方成正比）。於是人們認識到，要使得每一部電話能夠很方便地和另一部電話進行通信，就應當使用電話交換機將這些電話連接起來，如下圖所示。每一部電話都連接到交換機上，而交換機使用交換的方法，讓電話用戶彼此之間可以很方便地通信。一百多年來，電話交換機雖然經過多次更新換代，但交換的方式一直都是電路交換(circuit switching)。

當電話機的數量增多時，就要使用很多彼此連接起來的交換機來完成全網的交換任務。用這樣的方法，就構成了覆蓋全世界的電信網。從通信資源的分配角度來看，交換（switching）就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。在使用電路交換打電話之前，必須先撥號請求建立連接。當被叫用戶聽到交換機送來的撥號音並摘機後，從主叫端到被叫端就建立了一條連接，也就是一條專用的物理通路。這條連接保證了雙方通話時所需的通信資源，而這些資源在雙方通信時不會被其他用戶佔用。此後主叫和被叫雙方就能互相通電話。通話完畢掛機後，交換機釋放剛纔使用的這條專用的物理通路（即把剛纔佔用的所有通信資源歸還給電信網）。這種必須經過“建立連接（佔用通信資源）→通話（一直佔用通信資源）→釋放連接（歸還通信資源）”三個步驟的交換方式稱爲電路交換。如果用戶在撥號呼叫時電信網的資源已不足以支持這次的呼叫，則主叫用戶會聽到忙音，表示電信網不接受用戶的呼叫，用戶必須掛機，等待一段時間後再重新撥號。

電路交換的一個重要特點就是在通話的全部時間內，通話的兩個用戶始終佔用端到端的通信資源。

當使用電路交換來傳送計算機數據時，其線路的傳輸效率往往很低。這是因爲計算機數據是突發式地出現在傳輸線路上的，因此線路上真正用來傳送數據的時間往往不到10%甚至低到1%。已被用戶佔用的通信線路資源在絕大部分時間裏都是空閒的。例如，當用戶閱讀終端屏幕上的信息或用鍵盤輸入和編輯一份文件時，或計算機正在進行處理而結果尚未返回時，寶貴的通信線路資源並未被利用而是白白被浪費了。

2.分組交換的主要特點

分組交換則採用存儲轉發技術。下圖畫的是把一個報文劃分爲幾個分組的概念。通常我們把要發送的整塊數據稱爲一個報文(message)。在發送報文之前，先把較長的報文劃分成爲一個個更小的等長數據段，例如，每個數據段爲1024bit。在每一個數據段前面，加上一些必要的控制信息組成的首部(header)後，就構成了一個分組(packet)。分組又稱爲“包”，而分組的首部也可稱爲“包頭”。分組是在因特網中傳送的數據單元。分組中的“首部”是非常重要的，正是由於分組的首部包含了諸如目的地址和源地址等重要控制信息，每一個分組才能在因特網中獨立地選擇傳輸路徑，並被正確地交付到分組傳輸的終點。

下圖強調因特網的核心部分是由許多網絡和把它們互連起來的路由器組成的，而主機處在因特網的邊緣部分。在因特網核心部分的路由器之間一般都用高速鏈路相連接，而在網絡邊緣的主機接入到核心部分則通常以相對較低速率的鏈路相連接。

位於網絡邊緣的主機和位於網絡核心部分的路由器都是計算機，但它們的作用卻很不一樣。主機是爲用戶進行信息處理的，並且可以和其他主機通過網絡交換信息。路由器則是用來轉發分組的，即進行分組交換的。路由器收到一個分組，先暫時存儲一下，檢查其首部，查找轉發表，按照首部中的目的地址，找到合適的接口轉發出去，把分組交給下一個路由器。這樣一步一步地（有時會經過幾十個不同的路由器）以存儲轉發的方式，把分組交付最終的目的主機。各路由器之間必須經常交換彼此掌握的路由信息，以便創建和維持在路由器中的轉發表，使得轉發表能夠在整個網絡拓撲發生變化時及時更新。

因特網採取了專門的措施，保證了數據的傳送具有非常高的可靠性。當網絡中的某些結點或鏈路突然出故障時，在各路由器中運行的路由選擇協議（protocol）能夠自動找到其他路徑轉發分組。

分組交換的優點：

優點	所採用的手段
高速	在分組的傳輸過程中動態分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段佔用。
靈活	爲每一個分組獨立地選擇轉發路由。
迅速	以分組作爲傳輸單位，可以不先建立連接就能向其他主機發送分組。
可靠	保證可靠性的網絡協議，分佈式多路由的分組交換網，使網絡有很好的生存性。

分組交換也帶來一些新的問題。例如，分組在各路由器存儲轉發時需要排隊，這就會造成一定的時延。因此，必須儘量設法減少這種時延。此外，由於分組交換不像電路交換那樣通過建立連接來保證通信時所需的各種資源，因而無法確保通信時端到端所需的帶寬。分組交換網帶來的另一個問題是各分組必須攜帶的控制信息也造成了一定的開銷(overhead)。整個分組交換網還需要專門的管理和控制機制。

3.報文交換

從本質上講，分組交換這種斷續分配傳輸帶寬的存儲轉發原理並非是完全新的概念。自古代就有的郵政通信，就其本質來說也屬於存儲轉發方式。而在20世紀40年代，電報通信也採用了基於存儲轉發原理的報文交換(message switching) 。在報文交換中心，一份份電報被接收下來，並穿成紙帶。操作員以每份報文爲單位，撕下紙帶，根據報文的目的站地址，拿到相應的發報機轉發出去。這種報文交換的時延較長，從幾分鐘到幾小時不等。現在報文交換已經很少有人使用了。分組交換雖然也採用存儲轉發原理，但由於使用了計算機進行處理，這就使分組的轉發非常迅速。例如ARPANET建網初期的經驗表明，在正常的網絡負荷下，當時橫跨美國東西海岸的端到端平均時延小於0.1秒。這樣，分組交換雖然採用了某些古老的交換原理，但實際上已變成了一種嶄新的交換技術。

4.三種交換方式的特點及區別

電路交換——整個報文的比特流連續地從源點直達終點，好像在一個管道中傳送。
報文交換——整個報文先傳送到相鄰結點，全部存儲下來後查找轉發表，轉發到下一個結點。
分組交換——單個分組（這只是整個報文的一部分）傳送到相鄰結點，存儲下來後查找轉發表，轉發到下一個結點。

下圖表示電路交換、報文交換和分組交換的主要區別。

若要連續傳送大量的數據，且其傳送時間遠大於連接建立時間，則電路交換的傳輸速率較快。報文交換和分組交換不需要預先分配傳輸帶寬，在傳送突發數據時可提高整個網絡的信道利用率。由於一個分組的長度往往遠小於整個報文的長度，因此分組交換比報文交換的時延小，同時也具有更好的靈活性。

3、計算機網絡的類別

3.1 按網絡的作用範圍進行分類

廣域網WAN (Wide Area Network) 廣域網的作用範圍通常爲幾十到幾千公里，因而有時也稱爲遠程網(long haul network)。廣域網是因特網的核心部分，其任務是通過長距離（例如，跨越不同的國家）運送主機所發送的數據。連接廣域網各結點交換機的鏈路一般都是高速鏈路，具有較大的通信容量。
城域網MAN (Metropolitan Area Network) 城域網的作用範圍一般是一個城市，可跨越幾個街區甚至整個的城市，其作用距離約爲5～50km。城域網可以爲一個或幾個單位所擁有，但也可以是一種公用設施，用來將多個局域網進行互連。目前，很多城域網採用的是以太網技術，因此城域網有時也常納入局域網的範圍進行討論。
局域網LAN (Local Area Network) 局域網一般用微型計算機或工作站通過高速通信線路相連（速率通常在10Mb/s以上），但地理上則侷限在較小的範圍（如1km左右）。在局域網發展的初期，一個學校或工廠往往只擁有一個局域網，但現在局域網已非常廣泛地使用，一個學校或企業大都擁有許多個互連的局域網（這樣的網絡常稱爲校園網或企業網）。
個人區域網 PAN (Personal Area Network) 個人區域網就是在個人工作的地方把屬於個人使用的電子設備（如便攜式電腦等）用無線技術連接起來的網絡，因此也常稱爲無線個人區域網WPAN (Wireless PAN)，其範圍大約在10 m左右。

3.2 按網絡的使用者進行分類

公用網(public network) 這是指電信公司（國有或私有）出資建造的大型網絡。“公用”的意思就是所有願意按電信公司的規定交納費用的人都可以使用這種網絡。因此公用網也可稱爲公衆網，如CHINANET。
專用網(private network) 這是某個部門、某個行業爲各自的特殊業務工作需要而建造的網絡。這種網絡不對外人提供服務。例如，政府、軍隊、銀行、鐵路、電力、公安等系統均有本系統的專用網。

3.3 用來把用戶接入到因特網的網絡

接入網 AN (Access Network) ，又稱爲本地接入網或居民接入網。這是一類比較特殊的計算機網絡。由於從用戶家中接入到因特網可以使用的技術有許多種，因此就出現了可以使用多種接入網技術連接到因特網的情況。接入網本身既不屬於因特網的核心部分，也不屬於因特網的邊緣部分。接入網是從某個端系統到另一個端系統的路徑中，由這個端系統到第一個路由器（也稱爲邊緣路由器）之間的一些物理鏈路所組成。從覆蓋的範圍看，很多接入網還是屬於局域網。從作用上看，接入網只是起到讓用戶能夠與因特網連接的“橋樑”作用。在因特網發展初期，用戶多用電話線撥號接入因特網，速率很低（每秒幾千比特到幾十千比特），因此那時並沒有使用接入網這個名詞。直到最近，由於出現了多種寬帶接入技術，寬帶接入網才成爲因特網領域中的一個熱門課題。

4、計算機網絡的性能

計算機網絡的性能一般是指它的幾個重要的性能指標。但除了這些重要的性能指標外，還有一些非性能特徵（nonperformance characteristics）也對計算機網絡的性能有很大的影響。

4.1 計算機網絡的性能指標

1.速率

比特（bit）是計算機中數據量的單位，也是信息論中使用的信息量的單位。英文單詞bit來源於binary digit，意思是一個“二進制數字”，因此一個比特就是二進制數字中的一個1或0。網絡技術中的速率指的是連接在計算機網絡上的主機在數字信道上傳送數據的速率，它也稱爲數據率(datarate)或比特率(bit rate)。速率是計算機網絡中最重要的一個性能指標。速率的單位是b/s（比特每秒）(或bit/s，有時也寫爲bps，即bit per second)。當數據率較高時，就可以用kb/s（k = 10³ =千）、Mb/s（M = 10⁶ = 兆）、Gb/s（G = 10⁹ = 吉）或Tb/s（T = 10¹² = 太）。現在人們常用更簡單的但很不嚴格的記法來描述網絡的速率，如100M以太網，而省略了單位中的b/s，它的意思是速率爲100Mb/s的以太網。順便指出，上面所說的速率往往是指額定速率或標稱速率。

2.帶寬

“帶寬”(bandwidth)有以下兩種不同的意義：

帶寬本來是指某個信號具有的頻帶寬度。信號的帶寬是指該信號所包含的各種不同頻率成份所佔據的頻率範圍。例如，在傳統的通信線路上傳送的電話信號的標準帶寬是3.1kHz （從300 Hz到3.4kHz，即話音的主要成分的頻率範圍）。這種意義的帶寬的單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。在過去很長的一段時間，通信的主幹線路傳送的是模擬信號（即連續變化的信號）。因此，表示通信線路允許通過的信號頻帶範圍就稱爲線路的帶寬（或通頻帶）。
在計算機網絡中，帶寬用來表示網絡的通信線路傳送數據的能力，因此網絡帶寬表示在單位時間內從網絡中的某一點到另一點所能通過的“最高數據率”。在本書中在提到“帶寬”時，主要是指這個意思。這種意義的帶寬的單位是“比特每秒”，記爲b/s。在這種單位的前面也常常加上千（k）、兆（M）、吉（G）或太（T）這樣的倍數。

在“帶寬”的兩種表述中，前者爲頻域稱謂，而後者爲時域稱謂，其本質是相同的。也就是說，一條通信鏈路的“帶寬”越寬，其所能傳輸的“最高數據率”也越高。

3.吞吐量

吞吐量(throughput)表示在單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量。吞吐量更經常地用於對現實世界中的網絡的一種測量，以便知道實際上到底有多少數據量能夠通過網絡。顯然，吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制。例如，對於一個100Mb/s的以太網，其額定速率是100Mb/s，那麼這個數值也是該以太網吞吐量的絕對上限值。因此，對於100Mb/s的以太網，其典型的吞吐量可能只有70Mb/s。請注意，有時吞吐量還可用每秒傳送的字節數或幀數來表示。

4.時延

時延(delay或latency)是指數據（一個報文或分組，甚至比特）從網絡（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。時延是個很重要的性能指標，它有時也稱爲延遲或遲延。需要注意的是，網絡中的時延是由以下幾個不同的部分組成的：

(1)發送時延 發送時延(transmission delay)是主機或路由器發送數據幀所需要的時間，也就是從發送數據幀的第一個比特算起，到該幀的最後一個比特發送完畢所需的時間。因此發送時延也叫做“傳輸時延”。發送時延的計算公式是：
$發送時延=\frac{發送幀長度(b)}{發送速率(b/s)}$
由此可見，對於一定的網絡，發送時延並非固定不變，而是與發送的幀長（單位是比特）成正比，與發送速率成反比。

(2)傳播時延 傳播時延(propagation delay)是電磁波在信道中傳播一定的距離需要花費的時間。傳播時延的計算公式是：
$傳播時延=\frac{信道長度(m)}{電磁波在信道上的傳播速率(m/s)}$
電磁波在自由空間的傳播速率是光速，即3.0×105km/s。電磁波在網絡傳輸媒體中的傳播速率比在自由空間要略低一些：在銅線電纜中的傳播速率約爲2.3×10⁵km/s，在光纖中的傳播速率約爲2.0×10⁵km/s。例如，1000km長的光纖線路產生的傳播時延大約爲5ms。

(3)處理時延 主機或路由器在收到分組時要花費一定的時間進行處理，例如分析分組的首部、從分組中提取數據部分、進行差錯檢驗或查找適當的路由等等，這就產生了處理時延。

(4)排隊時延 分組在經過網絡傳輸時，要經過許多路由器。但分組在進入路由器後要先在輸入隊列中排隊等待處理。在路由器確定了轉發接口後，還要在輸出隊列中排隊等待轉發。這就產生了排隊時延。排隊時延的長短往往取決於網絡當時的通信量。當網絡的通信量很大時會發生隊列溢出，使分組丟失，這相當於排隊時延爲無窮大。

數據在網絡中經歷的總時延就是以上四種時延之和：
$總時延 = 發送時延 + 傳播時延 + 處理時延 + 排隊時延$
下圖畫出了這幾種時延所產生的地方

5.時延帶寬積

把傳播時延和帶寬相乘，就得到另一個很有用的度量：傳播時延帶寬積，又稱以比特爲單位的鏈路長度，即
$時延帶寬積 = 傳播時延 \times 帶寬$

6.往返時間RTT

在計算機網絡中，往返時間RTT (Round-Trip Time)也是一個重要的性能指標，它表示從發送方發送數據開始，到發送方收到來自接收方的確認（接收方收到數據後便立即發送確認），總共經歷的時間。在互聯網中，往返時間還包括各中間結點的處理時延、排隊時延以及轉發數據時的發送時延。

7.利用率

利用率有信道利用率和網絡利用率兩種。信道利用率指出某信道有百分之幾的時間是被利用的（有數據通過）。完全空閒的信道的利用率是零。網絡利用率則是全網絡的信道利用率的加權平均值。信道利用率並非越高越好。這是因爲，根據排隊論的理論，當某信道的利用率增大時，該信道引起的時延也就迅速增加。這和高速公路的情況有些相似。當高速公路上的車流量很大時，由於在公路上的某些地方會出現堵塞，因此行車所需的時間就會增長。網絡也有類似的情況。當網絡的通信量很少時，網絡產生的時延並不大。但在網絡通信量不斷增大的情況下，由於分組在網絡結點（路由器或結點交換機）進行處理時需要排隊等候，因此網絡引起的時延就會增大。如果令 D₀表示網絡空閒時的時延，D 表示網絡當前的時延，那麼在適當的假定條件下，可以用下面的簡單公式來表示D和D₀及網絡利用率U之間的關係：
$D = \frac{D_0}{1-U}$

4.2 計算機網絡的非性能特徵

1.費用

網絡的價格（包括設計和實現的費用）總是必須考慮的，因爲網絡的性能與其價格密切相關。一般說來，網絡的速率越高，其價格也越高。

2.質量

網絡的質量取決於網絡中所有構件的質量，以及這些構件是怎樣組成網絡的。網絡的質量影響到很多方面，如網絡的可靠性、網絡管理的簡易性，以及網絡的一些性能。但網絡的性能與網絡的質量並不是一回事。例如，有些性能也還可以的網絡，運行一段時間後就出現了故障，變得無法再繼續工作，說明其質量不好。高質量的網絡往往價格也較高。

3.標準化

網絡的硬件和軟件的設計既可以按照通用的國際標準，也可以遵循特定的專用網絡標準。最好採用國際標準的設計，這樣可以得到更好的互操作性，更易於升級換代和維修，也更容易得到技術上的支持。

4.可靠性

可靠性與網絡的質量和性能都有密切關係。速率更高的網絡的可靠性不一定會更差。但速率更高的網絡要可靠地運行，則往往更加困難，同時所需的費用也會較高。

5.可擴展性和可升級性

在構造網絡時就應當考慮到今後可能會需要擴展（即規模擴大）和升級（即性能和版本的提高）。網絡的性能越高，其擴展費用往往也越高，難度也會相應增加。

6.易於管理和維護網絡

如果沒有良好的管理和維護，就很難達到和保持所設計的性能。

5、計算機網絡協議與體系結構

5.1 協議與劃分層次

1.網絡協議的三要素

語法，即數據與控制信息的結構或格式；
語義，即需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應；
同步，即事件實現順序的詳細說明。

2.劃分層次

分層可以帶來的好處：

各層之間是獨立的。某一層並不需要知道它的下一層是如何實現的，而僅僅需要知道該層通過層間的接口（即界面）所提供的服務。由於每一層只實現一種相對獨立的功能，因而可將一個難以處理的複雜問題分解爲若干個較容易處理的更小一些的問題。這樣，整個問題的複雜程度就下降了。
靈活性好。當任何一層發生變化時（例如由於技術的變化），只要層間接口關係保持不變，則在這層以上或以下各層均不受影響。此外，對某一層提供的服務還可進行修改。當某層提供的服務不再需要時，也可以將這層取消。
結構上可分割開。各層都可以採用最合適的技術來實現。
易於實現和維護。這種結構使得實現和調試一個龐大而又複雜的系統變得易於處理，因爲整個的系統已被分解爲若干個相對獨立的子系統。
能促進標準化工作。因爲每一層的功能及其所提供的服務都已有了精確的說明。

分層時應注意使每一層的功能非常明確。若層數太少，就會使每一層的協議太複雜。但層數太多又會在描述和綜合各層功能的系統工程任務時遇到較多的困難。通常各層所要完成的功能主要有以下一些（可以只包括一種，也可以包括多種）：

① 差錯控制使得和網絡對等端的相應層次的通信更加可靠。
② 流量控制使得發送端的發送速率不要太快，要使接收端來得及接收。
③ 分段和重裝發送端把要發送的數據塊劃分爲更小的單位，在接收端將其還原。
④ 複用和分用發送端幾個高層會話複用一條低層的連接，在接收端再進行分用。
⑤ 連接建立和釋放交換數據前先建立一條邏輯連接。數據傳送結束後釋放連接。

分層當然也有一些缺點，例如，有些功能會在不同的層次中重複出現，因而產生了額外開銷。

我們把計算機網絡的各層及其協議的集合，稱爲網絡的體系結構(architecture)。換種說法，計算機網絡的體系結構就是這個計算機網絡及其構件所應完成的功能的精確定義[GREE82]。這些功能究竟是用何種硬件或軟件完成的，則是一個遵循這種體系結構的實現(implementation)的問題。總之，體系結構是抽象的，而實現則是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件。

5.2 計算機網絡體系結構

OSI的七層協議體系結構的概念清楚，理論也較完整，但它既複雜又不實用。
TCP/IP體系結構則不同，它現在已經得到了非常廣泛的應用。TCP/IP是一個四層的體系結構，它包含應用層、運輸層、網際層和網絡接口層（用網際層這個名字是強調這一層是爲了解決不同網絡的互連問題）。不過從實質上講，TCP/IP只有最上面的三層，因爲最下面的網絡接口層基本上和一般的通信鏈路在功能上沒有多大差別，對於計算機網絡來說，這一層並沒有什麼特別新的具體內容。
五層協議的體系結構綜合了OSI和TCP/IP的優點，這樣既簡潔又能將概念闡述清楚。五層協議的體系結構只是爲了介紹網絡原理而設計的，實際應用還是TCP/IP四層體系結構。

1.五層協議的體系結構

應用層(application layer) ：應用層是體系結構中的最高層。應用層的任務是通過應用進程間的交互來完成特定網絡應用。應用層協議定義的是應用進程間通信和交互的規則。這裏的進程(process)就是指主機中正在運行的程序。對於不同的網絡應用需要有不同的應用層協議。在因特網中的應用層協議很多，如支持萬維網應用的HTTP協議，支持電子郵件的SMTP協議，支持文件傳送的FTP協議，等等。我們將應用層交互的數據單元稱爲報文(message)。
運輸層(transport layer) ：提供的是進程間的通用數據傳輸服務。由於應用層協議很多，定義通用的運輸層協議就可以支持不斷增多的應用層協議。運輸層主要包括兩種協議：
- 傳輸控制協議TCP (Transmission Control Protocol)——提供面向連接的、可靠的數據傳輸服務，其數據傳輸的單位是報文段(segment)。
- 用戶數據報協議 UDP (User Datagram Protocol)——提供無連接的、盡最大努力(best-effort)的數據傳輸服務（不保證數據傳輸的可靠性），其數據傳輸的單位是用戶數據報。
TCP 主要提供完整性服務，UDP 主要提供及時性服務。
網絡層(network layer) ：爲主機間提供數據傳輸服務，而運輸層協議是爲主機中的進程提供服務。網絡層把運輸層傳遞下來的報文段或者用戶數據報封裝成分組。（負責選擇最佳路徑規劃IP地址）
- 路由器查看數據包目標IP地址，根據路由表爲數據包選擇路徑。路由表中的類目可以人工添加（靜態路由）也可以動態生成（動態路由）。
數據鏈路層(data link layer) ：不同的網絡類型，發送數據的機制不同，數據鏈路層就是將數據包封裝成能夠在不同的網絡傳輸的幀。能夠進行差錯檢驗，但不糾錯，監測處錯誤丟掉該幀。
- 幀的開始和結束，透明傳輸，差錯校驗
物理層(physical layer) ：物理層解決如何在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。物理層的主要任務描述爲：確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：
- 機械特性：例接口形狀，大小，引線數目
- 電氣特性：例規定電壓範圍 ( -5V 到 +5V )
- 功能特性：例規定 -5V 表示 0，＋5V 表示 1
- 過程特性：也稱規程特性，規定建立連接時各個相關部件的工作步驟

2.數據在各層之間的傳遞過程

在向下的過程中，需要添加下層協議所需要的首部或者尾部，而在向上的過程中不斷拆開首部和尾部。

路由器只有下面三層協議，因爲路由器位於網絡核心中，不需要爲進程或者應用程序提供服務，因此也就不需要運輸層和應用層。
交換機只有下面兩層協議

3.TCP/IP的體系結構

TCP/IP的體系結構比較簡單，它只有四層。相當於五層協議中數據鏈路層和物理層合併爲網絡接口層

現在的 TCP/IP 體系結構不嚴格遵循 OSI 分層概念，應用層可能會直接使用 IP 層或者網絡接口層。實際上現在的因特網使用的TCP/IP體系結構有時已經演變成爲下圖所示的那樣。

還有一種表示方法，就是分層次畫出具體的協議來表示TCP/IP協議族，它的特點是上下兩頭大而中間小：應用層和網絡接口層都有多種協議，而中間的IP層很小，上層的各種協議都向下匯聚到一個IP協議中。這種很像沙漏計時器形狀的TCP/IP協議族表明：TCP/IP協議可以爲各式各樣的應用提供服務（所謂的everything over IP），同時TCP/IP協議也允許IP協議在各式各樣的網絡構成的互聯網上運行（所謂的IP overeverything）。正因爲如此，因特網纔會發展到今天的這種全球規模。從圖中不難看出IP協議在因特網中的核心作用。