1.概述

1.1计算机网络在信息时代中的作用

• 21世纪一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，他是一个以网络为核心的信息时代。
• 3大网络：电信网络、有线电视网络、计算机网络。
• 互联网两个重要基本特点：连通性和共享。

1.2互联网概述

1.2.1网络的网络

• 计算机网络由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。

• 用一朵云表示一个网络。

• 网络之间可以通过路由器互连起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络，称为互联网。互联网是“网络的网络”。

• 网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络通过路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。

1.2.2互联网基础结构发展的三个阶段

• 第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。
  • internet（互连网）泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络
  • Internet（互联网、因特网）是专用名词，它指全球最大的，开放的，由众多网络相互连接而成的特定互联网，采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。
• 第二阶段：特点是建成了三级结构的互联网。
  • 三级计算机网络分为：主干网、地区网、校园网（企业网）。
• 第三阶段：特点是形成了多层次ISP结构的互联网。
  • ISP：互联网服务提供商。
    

1.2.3互联网的标准化工作

• 指定互联网正式标准经历以下3个阶段
  • 互联网草案（Internet Draft）
  • 建议标准（Proposed Standard）
  • 互联网标准（Internet Standard）

1.3互联网的组成（拓扑结构）

• 边缘部分（资源子网）：由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享。
• 核心部分（通信子网）：由大量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）。
  

1.3.1互联网的边缘部分

• 处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机，这些主机又称为端系统（end System）。
• 端系统在功能上可能有很大的差别
  • 小的端系统可能是个人电脑、智能手机、网络摄像头。
  • 大的端系统可以使昂贵的计算机。
  • 端系统的拥有者可能是个人、单位、ISP。
• 客户-服务器方式
  • 客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
  • 客户和服务器本来都指的是计算机进程（软件）。
• 对等连接方式（peer-to-peer/P2P）
  • 指两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方，主要两台主机都运行了对等连接软件（P2P软件）。
  • 对等连接中的每一台主机既是客户又是服务器。
    

1.3.2 互联网的核心部分

• 网络核心部分是互联网最复杂的部分。因为核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一台主机都能够向其他主机通信。

• 在网络核心部分起特殊作用的是路由器（router）。

• 路由器是实现分组交换（packet switching）的关键构件，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。

• 1.电路交换（电话线）

  • 实现两两连接是不可能的，所以出现了交换机，“交换”就是转接。
  • 过程：建立连接–>通话–>释放连接。
  • 电路交换的一个重要特点就是在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。
  • 通信时延小。通信双方通过专用线路进行通信，数据可以直达。当数据传输量较大时，优点将十分显著。
  • 线路的传输效率很低。

• 2.分组转发（分组交换）

  • 分组交换采用存储转发技术。
  • 通常将要发送的整块数据称为一个报文，把报文划分为几个分组后再进行传送。
  • 在每个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组。
  • 路由器收到一个分组，先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的借口转发出去，把分组交给下一个路由器。
  • 主机是为用户进行信息处理的，路由器则是用来分组转发的，即进行分组交换。
  • 优点：高效、灵活、迅速、可靠。
    

• 报文交换

  • 报文交换以报文作为数据传输单位，携带有源地址和目的地址等信息。
  • 优点:无需建立连接、动态分配线路、线路利用率高。
  • 缺点：报文交换对报文的大小没有限制，需要网络节点有足够的缓存空间。报文交换在节点处要经历存储、转发等操作，从而引起一定时延。

• 三种方式的对比：

  • 电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一点管道中传送。
  • 报文交换：整个报文先传送到相邻接点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
  • 分组交换：单个分组（报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

1.5计算机网络的类别

1.5.1计算机网络的定义

1.5.2几种不同类别的计算机网络

• 按照网络的作用范围进行分类

  • 广域网（Wide Area Network）：作用范围几十到几千公里，有时称为远程网（long haul network）。广域网是互联网的核心部分。
  • 城域网（Metropolitan Area Network）
  • 局域网（Local Area Network）：校园网，企业网等等。
  • 个人区域网PAN（Personal Area Network）：范围很小。

• 按照网络的使用者分类

  • 公用网
  • 专用网

1.6计算机网络的性能

1.6.1 计算机网络的性能指标

• 速率
  • 指数据的传送速率，也被称为数据率或者比特率
  • 是计算机网络的重要的性能指标
• 带宽
  • 表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内网络中某信道所能通过的“最高数据率”。
  • 单位：bit/s
• 吞吐量
  • 单位时间内通过某个网络的实际数据量。
• 时延
  • 指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间，有时被称为延迟或者迟延。
  • 发送时延：主机或者路由器发送数据帧所需要的时间，也发送的第一个数据帧算起，到最后一个比特发送完毕所需的时间。 -------发送时延=数据帧长度（bit）/发送速率（bit/s)
  • 传播时延：电磁波在信道中传播一定距离所需要花费的时间。--------传播时延=信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速率（m/s)。信号传送到的越远，传播时延就越大。
  • 处理时延：主机或路由器在收到分组时要花一定的时间进行处理。
  • 排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多路由器，但分组在进入路由器后要先在输入队列等待处理，在路由器确定转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。
• 总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延
• 我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。
• 时延带宽积
  • 时延带宽积 = 传播时延 x 带宽
• 往返时间RTT
  • A发数据给B，B收到后给A发确认，A等待的时间。
• 利用率
  • 分信道和网络利用率
  • D0v表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，U为利用率，那么：D = D0 / (1-U)。
  • 信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延。
    

1.7 计算机网络体系结构

1.7.1 计算机网络体系结构的形成

1.7.2协议与划分层次

• 为网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议（Network protocol），简称协议。

• 协议由三要素组成

  • 语法：数据与控制信息的结构或形式。
  • 语义：需要发出的控制信息，完成何种动作以及做出何种相应。
  • 同步：时间实现顺序的详细说明。

• 分层带来的好处

  • 各层之间独立
  • 灵活性好
  • 结构上可分隔开
  • 易于实现和维护
  • 能促进标准化工作

• 计算机网络的各层及其协议的结合就是计算机网络的体系结构。

• 总之，体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

1.7.3 具有五层协议的体系结构 P31

• OSI七层协议体系结构
• 应用层
  • 通过应用进程间的交互来完成特定网络应用
  • 应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。
• 运输层
  • 向两台主机中的进程之间的通信提供通用的数据传输服务。
  • 运输层主要使用以下2中协议：传输控制协议TCP、用户数据报协议UDP。
• 网络层
  • 为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
• 数据链路层（链路层）
• 物理层
  • 物理层传输数据的单位是比特。
• 数据在各层之间的传递过程
• 数据的整条发送链是：

1、某进程(也就是在应用层)准备好待传输数据，若目的地址是域名则要先通过DNS解析成IP地址

2、交付到运输层(TCP/UDP层)，运输层对数据进行适当的分组等操作，后对每一个分组数组加上首部形成报文段(或用户数据报)首部包括源地址、源端口、目的地址、目的端口和一些其他的诸如校验和等数据

3、交付到网际层(IP层)，对分组数据加上首部形成IP数据报，首部包括源地址、目的地址(跟运输层的目的地址不同，运输层的目的地址是数据要传送的最终地址，而该目的地址是通过路由表信息得出，是该数据下一步该转移的目的计算机)和校验和等数据

4、交付到数据链路层(mac层)，先是对把数据封装成帧(也就是添加首部[SOH]和尾部[EOT])，然后进行透明传输(也就是封装的数据里面，如果出现首部SOH和尾部EOT这样的数据，对其进行转义，也就是加上ESC转义字符，这种方法称为字节/字符填充)

5、交付到物理层，根据数据链路层的mac知道要传输到目的计算机，通过特定的传输介质传送到下一个地址

6、若源主机与最终目的主机在同一个网段，则该地址是最终的目的主机，开始接收数据，进入第7步骤，若源主机和最终目的主机不在同一个网段，进入第11步骤

7、交付到数据链路层，对数据进行卸装，该层会对接收的数据进行差错检测，有差错的数据都会被丢弃

8、交付到IP层，解帧校验

9、交付到运输层，在该主机上，根据端口找到对应的应用，当使用的TCP协议时，提供一种面向连接的可靠的传输服务，可以说是建立了一个虚拟通道，源主机的数据通过该虚拟通道进行传输；若是使用的UDP协议时，提供一种面向的非连接的尽最大努力的不可靠的传输服务，数据传输快，但是无法保证数据100%传输。

10、建立了传输连接后，应用开始接收数据，发送方数据和接收方都必须满足相同的标准应用层协议，如http、ftp、smtp等，通过标准协议应用即可正确的接收源主机发送过来的数据。

11、该计算机不是最终主机，那该计算机就是路由器也就是用于转发分组数据的中转站，首先接收数据的处理同步骤7和8一样，然后接下来的流程又是如同步骤3,

12、如此循环直至找到最终主机，将数据传送到目的应用

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

• 当研究开放系统中的信息交换时，往往使用实体(entity)这一较为抽象的名词表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。在许多情况下，实体就是一个特定的软件模块。
• 协议是控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合。
• 协议和服务的概念
  • 协议的实现保证了能够向上一层提供服务。
  • 使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。
  • 下面的协议对上面的实体是透明的。
• 协议是水平的，服务是透明的。
• 在协议的控制下，两个对等实体间的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。
• 看一台计算机网络协议是否正确，不能只看正常情况下是否正确，而且还必须非常仔细地检查这个协议能否应付各种异常情况。

1.7.5 TCP/IP的体系结构