第一章 计算机网络概述
大众熟悉的三大类网络有：（发展最快的并起到核心作用的是计算机网络）
- 电信网络：提供电话、电报及传真等服务；
- 有线电视网络：向用户传送各种电视节目；
- 计算机网络：使用户能在计算机之间传送数据文件
互连网：指在局部范围互连起来的计算机网络。
互联网：指当今世界上最大的计算机网络。 Internet。
互联网是由数量极大的各种计算机网络互连起来而形成的网络。因此互联网是网络的网络。
互联网具有两个重要基本特点：
- 连通性 (connectivity)：使上网用户之间都可以交换信息（数据，以及各种音频视频） ，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样
- 共享 (Sharing)：指资源共享。资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样，方便使用
互联网+：指“互联网 + 各个传统行业”。利用信息通信技术以及互联网平台，让互联网与传统行业进行深度融合，创造新的发展生态。
互联网 (Internet)：特指Internet（注意大写），起源于美国，现已发展成为世界上最大的、覆盖全球的计算机网络。它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET。
计算机网络 (简称为网络)：由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成
互连网 (internetwork 或 internet)：可以通过路由器把网络互连起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络，称之为互连网。
网络把许多计算机连接在一起。互连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。
互联网基础结构发展的三个阶段
- 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，使得所有使用 TCP/IP 协议的计算机都能利用互连网相互通信。
- 建成了三级结构的互联网。 它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。
- 逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。 出现了互联网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的 IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同层次的 ISP：主干 ISP、地区 ISP 和 本地 ISP。
互联网交换点 IXP 主要作用就是允许两个网络直接相连并交换分组，不需要通过第三个网络来转发分组。
互联网的组成
- 边缘部分： 由所有连接在互联网上的主机组成。这些主机又称为端系统 (end system)。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。
- 核心部分：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）。
端系统之间的两种通信方式
- 客户-服务器方式（C/S 方式）即 Client/Server 方式，简称为 C/S 方式。客户 (client) 和服务器 (server) 都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。 客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据
- 对等方式（P2P 方式）即 Peer-to-Peer 方式 ，简称为 P2P 方式。 P2P是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件 (P2P 软件) ，它们就可以进行平等的、对等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。
互联网的核心部分：
网络核心部分是互联网中最复杂的部分。网络中的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个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。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。
电路交换特点：电路交换必定是面向连接的。
电路交换分为三个阶段：
- 建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用；
- 通信：主叫和被叫双方就能互相通电话；
- 释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路（释放刚才占用的所有通信资源）。
分组交换的特点
- 分组交换则采用存储转发技术。在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 每一个数据段前面添加上首部构成分组(packet)。分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端
- 每一个分组的首部都含有地址（诸如目的地址和源地址）等控制信息。分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。每个分组在互联网中独立地选择传输路径。
用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。 - 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。（这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。
分组交换的优点
- 高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
- 灵活：为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
- 迅速：以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组。
- 可靠：保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性。
分组交换带来的问题
- 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
- 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。
报文交换：
- 在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换 (message switching)。
- 报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。
路由器
- 在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。
- 路由器处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。
- 主机和路由器的作用不同：主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。
三种交换的比较
电路交换：整个报文的比特流连续的从源点直达终点，好像在一个管道中传送。
报文交换：整个报文先传送到相邻节点，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（整个报文的一部分）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。
若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。
几种不同类别的网络
- 网络的作用范围进行分类
广域网 WAN (Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里。
城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：作用距离约为 5 ~ 50 公里。
局域网 LAN (Local Area Network) ：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。
个人区域网 PAN (Personal Area Network) ：范围很小，大约在 10 米左右。
- 网络的使用者进行分类
公用网 (public network) ：按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。
专用网 (private network) ：为特殊业务工作的需要而建造的网络。
- 用来把用户接入到互联网的网络
接入网 AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。接入网是一类比较特殊的计算机网络，用于将用户接入互联网。接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络。
计算机网络的性能指标
计算机网络的性能一般是指它的几个重要的性能指标，主要包括：
- 速率：速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率 (data rate)或比特率 (bit rate)。
- 带宽：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”
- 吞吐量：吞吐量 (throughput) 表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
- 时延：时延 (delay 或 latency) 是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。网络中的时延由以下几个不同的部分组成：
发送时延 = 数据帧长度（bit）/ 发送速率（bit/s）
(2) 传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
传播时延 = 信道长度（米）/ 信号在信道上的传播速率（米/秒）
(3) 处理时延:主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。
(4) 排队时延:分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。- 时延带宽积:链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。时延带宽积 = 传播时延 *带宽
- 往返时间 RTT:往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。
- 利用率:分为信道利用率和网络利用率。信道利用率指出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。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0之间的关系： D=D0/(1-U)
网络协议 (network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
网络协议的三个组成要素 :
语法：数据与控制信息的结构或格式 。
语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
同步：事件实现顺序的详细说明。
计算机网络的体系结构 (architecture) 是计算机网络的各层及其协议的集合
五层协议的体系结构: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 。
五层协议
- 应用层：为特定应用程序提供数据传输服务，例如 HTTP、DNS 等。数据单位为报文。
- 运输层：提供的是进程间的通用数据传输服务。由于应用层协议很多，定义通用的运输层协议就可以支持不断增多的应用层协议。运输层包括两种协议：传输控制协议 TCP，提供面向连接、可靠的数据传输服务，数据单位为报文段；用户数据报协议 UDP，提供无连接、尽最大努力的数据传输服务，数据单位为用户数据报。TCP 主要提供完整性服务，UDP 主要提供及时性服务。
- 网络层：为主机之间提供数据传输服务，而运输层协议是为主机中的进程提供服务。网络层把运输层传递下来的报文段或者用户数据报封装成分组。
- 数据链路层：网络层针对的还是主机之间的数据传输服务，而主机之间可以有很多链路，链路层协议就是为同一链路的结点提供服务。数据链路层把网络层传来的分组封装成帧。每一帧有必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制信息等）
- 物理层：考虑的是怎样在传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是尽可能屏蔽传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到这些差异。
七层协议
其中表示层和会话层用途如下：
- 表示层：数据压缩、加密以及数据描述。这使得应用程序不必担心在各台主机中表示/存储的内部格式不同的问题。
- 会话层：建立及管理会话。
OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元 PDU (Protocol Data Unit)。
TCP/IP 的体系结构
TCP/IP 体系结构的另一种表示方法：实际上，现在的互联网使用的 TCP/IP 体系结构有时已经发生了演变，即某些应用程序可以直接使用 IP 层，或甚至直接使用最下面的网络接口层。
