计算机网络基础概述

1 因特网概述

1.1 网络、互联网、因特网

网络：

• 网络是由若干结点和连接这些结点的链路所组成

结点：计算机、打印机等联网设备
链路：光纤、双绞线等

互联网：

• 多个网络通过路由器互连起来，构成覆盖范围很广的网络，即互联网。

因特网：

• 因特网是世界上最大的互连网络

internet：互联网，是一个通用名词，泛指多个网络互连形成的网络
Internet：因特网，采用TCP/IP协议族的一个互联网，因特网是互联网的一种。

普通用户如何接入互联网：

1.2 因特网服务提供者（ISP）

• ISP从因特网管理机构申请成块的IP地址，同时ISP拥有通信线路和路由器等设备。
• 普通用户向ISP缴纳费用，就能从ISP得到联网所需的IP地址。
• 我国主要的ISP有移动、联通、电信三大运营商

基于ISP的三层结构的因特网
第一层
主干网，能覆盖国际性区域，拥有高速链路和交互设备，第一层ISP之间直接互连。

第二层
第二层ISP和一些大公司都是第一层ISP的用户，通常具有区域性和国家性的覆盖规模，与少数第一层ISP相连。

第三层
第三层ISP又称为本地ISP，是第二层ISP的用户，且只拥有本地范围的网络，一般的校园网、企业网、个人用户等。

1.3 因特网的组成

因特网由边缘部分和核心部分组成。

边缘部分

• 边缘部分由所有连接在因特网上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享。
• 如：台式电脑、服务器、笔记本电脑、手机、物联网智能设备、空气检测仪等。

核心部分

• 核心部分由大量网络和连接这些网络所需要的路由器组成，这部分是为边缘部分提供服务的。
• 在核心部分起主要作用的是路由器，路由器是实现分组交换的构件，任务是转发收到的分组。

1.4 计算机数据的三种交换方式

交换方式有电路交换、分组交换和报文交换。
电路交换

• 过去使用的拨号电话采用的就是电路交换
• 可以使用电路交换的方式发送计算机数据，但是效率很低

分组交换

• 是目前计算机数据主要采用的交换方式
• TCP协议将较大的计算机数据（报文）分割成多个较小的数据包（分组），然后进行传输。

分组交换步骤

1. 先把较长的报文分割成等长的较小的数据段
2. 在每个数据段前面，加上由一些必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组，简称为包。
3. 首部包含分组的目的地址。
4. 分组交换机（路由器）收到分组后，将其存储起来，检查其首部，根据首部的目的地址进行查表转发，通过接口将分组交给下一个交换机。
5. 分组到达目的地后，接收方使用TCP协议去掉分组的首部，然后将各数据段进行组合，组合成一个完整的原始报文。

分组交换中各角色的作用

发送方

• 构造分组（将数据报文切割成多个小数据段组成分组）和发送分组

路由器

• 缓存分组、转发分组

接收方

• 接收分组、还原报文

报文交换

• 与分组交换类似，报文交换中的交换结点（路由器）也采用存储转发的方式
• 但是报文交换对报文大小没有限制，当传输较大的报文数据时，就需要路由器有较大的存储空间。
• 报文交换通常用于早期的电报数据发送。

三种交互方式的优缺点

1.5 计算机网络的分类

按交换技术分类

• 电路交换网络
• 分组交换网络
• 报文交换网络

按使用者分类

• 公用网
• 专用网

按传输介质分类

• 有线网络
• 无限网络

按覆盖范围分类

• 广域网WAN
• 城域网MAN
• 局域网LAN
• 个域网PAN

按拓扑结构分类

• 总线型网络
• 星型网络
• 环形网络
• 网状型网络
  

1.6 计算机网络的性能指标

性能指标可以从不同的方面度量计算机网络的性能

主要有：速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、利用率。

速率

为什么我们买的硬盘或内存往往达不到实际的空间大小。

• 厂家使用的单位：1GB=10的9次方
• 计算机中的单位：1GB=2的30次方
• 相除结果约为计算机单位中的0.93132GB

速率的定义：

• 连接在计算机网络上的主机在数字信道上传输比特(bit)的速率，也称为比特率或数据率。
• 速率单位：bit/s 速率使用的单位是 1kb/s=10的3次方b/s
• 数据量单位：1KB=2的10次方B

带宽

带宽在计算机网络中的意义：

• 用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力
• 表示单位时间内从网络的某一点到另一点 所能通过的最高速率
• 单位：b/s
• 家庭带宽：200M（表示出口带宽最高数据率为200Mb/s）

吞吐量

吞吐量表示单位时间内通过某个网络的数据量

注意：

• 吞吐量表示的是单位时间内通过网络的数据量
• 带宽表示的是单位时间内通过网络的最高速率

时延
网络时延包括：发送时延、传播时延、处理时延。

发送时延在发送方发送数据时产生，与数据大小和带宽有关系。
传播时延和传播介质（铜线还是光纤）有一定的关系。
处理时延和路由器有关。

丢包率
丢包率即分组丢失率，是指在一定时间范围内，传输过程中丢失的分组数量和总分组数量的比率。

丢包产生的两种情况

• 分组在传输过程中出现误码，被结点丢弃。
• 分组在到达一台队列已满的交换机（路由器）时被丢弃。

1.7 计算机网络体系结构

常见的计算机网络体系结构

OSI体系结构

• 法律上的国际标准

TCP/IP体系结构

• 事实中的国际标准

路由器一般只包含网际层和网络接口层。

网络接口层

• 该层并没有规定实际的内容
• 目的是能够连接各种网络接口，如以太网接口、WiFi接口。
• 因此，本质上TCP/IP协议只包含上面的三层结构

IP协议

• IP协议是网际层的核心协议
• IP协议可以将不同的网络接口进行互连，并向上TCP/UDP协议提供服务。

计算机网络体系结构分层的必要性

IP地址：如192.168.1.1,前三个数字用来表示网络（互联网是由多个网络连接而成）。
最后一个数字表示主机。

每一层用来解决的问题

• 为了便于理解体系结构，将计算机网络体系结构分为5层来看

计算机网络体系结构分层思想

应用进程间基于网络的通信步骤
通过浏览器输入url访问web服务器上到的资源步骤

主机端

1. 应用层按HTTP协议的规定，构建一个HTTP请求报文(请求方式GET，能够接收的文件种类，连接状态等信息)
2. 应用层将HTTP报文交付给运输层，TCP协议将报文分成多个适当长度的报文段，在每个报文段前面都加上一个TCP首部,形成分组，该首部的作用是为了区分应用进程和实现可靠传输。
3. 运输层将分组交给网络层处理，网络层在分组前面加上IP首部,该首部的作用是为了使该数据报可以被路由器存储转发。
4. 网络层将IP报文交给数据链路层处理，数据链路层给IP报文加一个首部ETH和一个尾部ETH，使其成为一个帧,首部的作用是为了使帧能够在一个网络上传输，被相应的主机接收。尾部的作用是为了让目的主机检查所收到的帧是否有误码。
5. 数据链路层将帧交互给物理层，物理层将帧看做比特流，物理层在帧首部添加前导码，作用是让目的主机做好接收帧的准备。
6. 物理层将添加前导码的比特率，变换成相应的信号发送到传输媒体（双绞线，光纤等）

路由器端

1. 信号到达路由器的物理层，物理层将信号转换为为比特流，去掉前导码后交付给数据链路层，实际上交互的是帧。
2. 数据链路层将帧的首部和尾部去掉后交给网络层，实际上交互的是IP数据报。
3. 网络层解析数据报的首部，从中提取出目的网络地址，然后查找自身的路由表，确定转发接口。
4. 然后将IP数据报交给数据链路层，数据链路层给IP数据报添加一个首部变为帧，然后依次传输给接收端。

计算机网络体系结构专业术语

实体

• 任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
• 对等实体：收发双方相同层次中的实体，如发送方应用层对应接收方应用层。

协议

• 控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合
• 协议的三要素：语法（定义交换信息的格式），语义（定义收发双方要完成的操作），同步（定义收发双方的时序关系）。

服务

• 在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务。
• 要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务