6.4

第一章：概述

计算机网络

计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

计算机网络向用户提供的两个最重要的功能：

• 数据通信（连通性）：计算机网络最基本最重要的功能。
• 资源共享

网络：若干个节点（node）以及连接节点的链路（linker）组成，节点可以为计算机，集线器，交换机，路由器等

因特网概述

因特网发展的三个阶段：

• 第一阶段：从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。

• 第二阶段：建成三级结构的因特网：主干网、地区网和校园网（或企业网）。

• 第三阶段：形成多层次的ISP（Internet Service Provider 因特网服务提供者）结构的因特网。

  分为主干 ISP，地区 ISP，本地 ISP

正常位于不同主干ISP的计算机通过ISP过程：

ISP 过程图

 

书上没怎么提及的知识点：

IXP（Internet eXchange Point 因特网交换点） 允许两个网络直接连接并交换分组，不在需要通过第三个网络来交换；

典型的IXP有多个网络交换机组成；工作在数据链路层的网络交换机，局域网连接交换机;更快转发分组

Internet 和 Internet 的区别

• internet：通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。
• Internet：专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET。

制定Internet的正式标准经历过程：

• 1）因特网草案（Internet Draft）
• 2）建议标准（Proposed Stardard） ---成为RFC（Request For Comments)
• 3）草案标准（Draft Stardard）
• 4）因特网标准（Internet Stardard）

互联网的组成 P8

• 边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成。这部分由用户直接使用，用来进行通信和资源共享。
• 核心部分 : 由大量的网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

计算机之间通信：不同主机之间的进程相互通信

处于边缘部分的用户通信方式 P9-P10

• 客户服务器方式（C/S方式）：即 Client/Server 方式。（客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方）

  

  CS

   

• 对等方式（P2P方式）：即 Peer-to-Peer 方式。（对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器）

  

  P2P

   

Internet的核心部分：路由器（router），它是一种专用计算机，是实现分组交换的关键构件，作用是按存储转发方式进行分组交换。其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

核心部分的交换技术 P11-15

• 电路交换 的三个阶段：建立连接——通话——释放连接 (一定要释放连接！)
  在通话时，两用户之间始终占用端到端的资源，而由于绝大部分时间线路都是空闲的，所以线路的传输速率往往很低。

• 分组交换 的组成：报文、首部、分组。采用存储转发技术，即收到分组——存储分组——查询路由（路由选择协议）——转发分组。

  优点：高效、灵活、迅速、可靠。缺点：时延、开销。关键构件：路由器。

• 报文交换 整个报文传送到相邻结点，全部存储下来之后查询转发表，转发到下一个结点。

交换方式

 

计算机网络的类别 P17

按照作用范围划分：

1. 广域网（wide area net，wan）：范围几十到几千公里。
2. 城域网（metropolitan area net，man）：范围5-50公里。
3. 局域网 LAN LocalAreaNetworkLocalAreaNetwork ：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。
4. 个人区域网 PAN PersonalAreaNetworkPersonalAreaNetwork ：范围很小，大约在 10 米左右。

按照网络使用者划分：

1. 公用网：所有人都能用。
2. 专用网：只有单位内部人员能用。

计算机网络的性能指标：

速率：单位时间内的数据传送速率，也叫数据率或比特率（单位：bit/s)。速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

带宽：“带宽” 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑤𝑖𝑑𝑡ℎ​ 本来是指信号具有的频带宽度（频域称谓），其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位是 bit/s ，即 “比特每秒”。 （时域称谓）

1. PS：速率VS.带宽：速率指的是信道传输的标准速率，而带宽指的是最高速率。例如，电信公司安装的宽带，通常会说带宽为100兆，但实际上速率只有10兆左右。

吞吐率：单位时间内通过某个网络（信道、接口）的实际数据量。

时延：数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络的一端传到另一端所需要的时间，又称延迟或者迟延。它由四个部分组成：

1. 发送时延：主机或路由器发送数据帧所需要的时间。计算方式为：数据帧长度（bit）除以发送速率（bit/s）

2. 传播时延：电磁波在信道中传输所需的时间。计算方式为：信道长度（m）除以电磁波在信道上的传输速度（m/s）

3. 排队时延：分组在路由器中需要先排队等待处理，再排队等待发送。

4. 处理时延：主机或路由器收到数据帧处理所需要的时间。

   

   时延

    

时延带宽积：时延乘以带宽。又称以比特为单位的链路长度。

往返时间 RTT：双向交互一次所需要的时间。

利用率：利用率并非越高越好，高利用率会导致高时延（排队理论）。

1. 信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。
2. 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。

计算机网络的体系结构 P25

1. 1974年，美国IBM公司宣布了系统网络体系结构SNA。
2. 1977年，国际标准化组织ISO提出了开放系统互连基本参考模型OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference Model)**，1983年出台了正式文件，即ISO7498国际标准，将通信协议划分为7层。**
3. 由于OSI模型过于复杂，难以市场化，目前主要的国际标准为：TCP/IP。他将计算机网络的通信协议划分为4层。
4. 网络协议：为实现网络中的数据交换而建立的规则标准或约定。
   1. 三要素：
      1. 语法：数据与控制信息的格式。
      2. 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作，做出何种响应。
      3. 同步：事件实现顺序的详细说明。
5. 分层的优势：
   1. 各层独立。
   2. 灵活性好。
   3. 结构上可分割开。
   4. 易于实现与维护。
   5. 能促进标准化工作。
6. 各层的主要功能：
   1. 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。
   2. 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。
   3. 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。
   4. 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。
   5. 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。
7. 主要概念：
   1. 实体：任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。
   2. 协议：控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合。是水平的。
   3. 服务：本层服务的实体只能向上一层提供服务，使用下一层的服务。是垂直的。
8. OSI 的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。TCP/IP 是四层体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。但最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。

体系结构

 

osi

 

9. 五层协议内容（自顶向下）：
   1. 应用层：
      1. 功能：通过应用进程之间的交互来完成特定的网络应用。
      2. 交换的数据单元：报文。
      3. 协议：域名系统DNS、支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP等。
   2. 运输层：
      1. 功能：负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。具有复用和分用的功能。
      2. 协议：
         1. 传输控制协议TCP：提供面向连接的、可靠的数据传输服务。交换的数据单元是：TCP报文段。
         2. 用户数据报协议UDP：提供无连接的尽最大努力的数据传输服务（不确保数据的可靠性）。交换的数据单元是：用户数据报。
         3. 不同的应用层协议基于不同的传输层协议。例如：HTTP协议、SMTP协议基于TCP协议，DNS协议、RTP协议基于UDP协议。
   3. 网络层：
      1. 功能：为互联网内任意两台主机提供分组交换的通信服务。（路由器是网络层设备）
      2. 交换数据单元：分组（IP数据报）。
      3. 协议：网际协议IP。
   4. 数据链路层：
      1. 功能：为局域网内任意两台主机提供数据帧传输。
      2. 交换的数据单元：数据帧。
   5. 物理层：
      1. 功能；提供原始的比特流传输。
   6. 从上至下的每一层的协议数据单元PDU，都在上一层的基础上，加上自己的控制信息。

首部变化

 

10. TCP/IP协议族：沙漏型，有很多协议，其中最主要的是运输层的TCP协议，网络层的IP协议。

TCP/IP

 

11. 两军对垒问题：无法实现100%确保报文正确收到的协议。