计算机网络个人笔记：第一章-概述

一、概述

（一）计算机网络定义

1.计算机网络是通过（通信设备）与（线路）将分散的（计算机系统）连接起来，由软件实现（资源共享）和（信息传递）的系统。

2.网络={计算机（即主机），结点（集线器、交换机、路由器、计算机等），链路}。网络的网络=互联网={网络，路由器（即结点），链路}。计算机通过链路和结点连接成网络，网络再被链路和路由器连接成互联网。

3.演变从ARPAnet到Internet（大写，小写指泛指的互连网。因特网核心层是网络层，核心技术TCP/IP，无协议不网络）。

计算机网络组成结构

第一种分法：按工作方式分为边缘部分、核心部分。

1.边缘部分（由所有连接在互联网上的主机组成），是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享。主机A和B通信实际上是指运行在主机A上的某个程序（进程）和主机B上的某个程序（进程）通信。则主机间的方式分以下两种

（1）C/S方式，即客户-服务器方式，客户和服务器指两个主机上的进程，其中客户向服务器发出服务请求，服务器可同时提供服务给多个客户（启动后就一直被动等待接受来自各客户的请求），客户程序需知道服务器程序的地址。

（2）P2P方式，即对等连接，不区分两台主机的服务与被服务，平等、对等通信。

第二种分法：按功能组成分为资源子网（实现数据通信）、通信子网（实现资源共享）。

这种分法对应计算机网络分层模型，有三种，7层OSI参考模型、4层TCP/IP参考模型（市场选择、如今使用）和考研的5层参考模型。资源子网对应OSI模型的前三层，通信子网对应后三层。中间的传输层两边都不属于。

不同模型为不同互联网标准，互联网标准制定的几个阶段：（1）互联网草案（还不是RFC文档）（2）建议标准（称为RFC文档）（3）互联网标准

1.OSI模型：（ISO组织提出、仅理论，前四层端到端，因为只有发送和接收端有，后三层点到点，中间结点也有，除ISO以外的重要组织有ITU（制定通信规则）、IEEE（IEEE802）、IETF（RFC））

（1）应用层：产生网络流量的程序（FTP、HTTP、SMTP）。

（2）表示层：用于处理交换信息的表示方式，一是数据格式变换、二是数据加密解密、三是数据压缩和恢复（协议：JPEG、ASCII）。

（3）会话层：帮进程建立连接、在连接上有序地传输数据、建立同步。一是建立、管理、终止会话，二是在通信失效时总校验点/同步点恢复通信，实现数据同步（协议：ADSP、ASP）。

（4）传输层：负责两个进程端到端的报文段（或数据报）通信，一是可靠（不可靠）传输（确认机制）、二是差错控制（报文段失序、丢失）、三是流量控制（发送端太快，接收端让他慢点儿）、四是复用（多个应用层进程同时使用下面运输层的服务）分用（运输层把收到的信息分别交付给各进程，每个报文段用端口号表明属于的进程）、五是拥塞控制，（协议：TCP、UDP）。传输层进程间逻辑通信

（5）网络层：把分组从源端传到目的端，为分组交换网络上的不同主机提供通信服务，网络层传输单位是数据报（分组就是数据报划分而成的·）。一是路由选择（选择最佳路线）、二是流量控制（让发送端慢点）、三是差错控制（按约定规则检错，能纠就纠，不然就扔）、四是拥塞控制（所有节点都来不及收分组而要大量丢弃，此时需采取措施）。网络层主机间逻辑通信

（6）数据链路层：把网络层传下来的数据报组装成帧。本层传输单位为帧。一是成帧（通过加控制位定义比特流开始和结束的位置）、二是差错控制（帧错+位错，检错+纠错）、三是流量控制、四是访问（接入）控制（控制对共享信道的访问）、五是物理寻址，六是链路管理（非考纲），以及提供服务给网络层（有无确认/连接）（协议：SDLC\HDLC\PPP\STP）。

（7）物理层：在物理媒体上实现比特流的透明传输（仿佛看不到传的是什么，不管是啥都能在链路上传送），单位是比特。把比特流传化成电信号放在链路上传送。一是定义接口特性、二是定义传输模式（单工、半双工、双工）、三是定义传输速率、四是比特同步、五是比特编码（什么电压表示0或1），（协议：Rj45、802.3）。

2.TCP/IP模型：

（1）四层：应用（HTTP/FTP/DNS）、传输(TCP/UDP)、网际(IP)、网络接口(Ethernet/ATM/Frame Relay)。

（2）与OSI相同点：都分层、基于独立协议栈、实现异构网络互联。

（3）与OSI区别：

一是OSI定义服务、协议、接口，模型先于协议发明，不偏向特定协议。

二是TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联，将IP作为重要层次。

三是OSI网络层无连接+面向连接，传输层面向，TCP/IP网络层无连接（不可靠），传输层无+面向（可靠）。面向连接分三阶段：发送建立连接请求、成功后传输数据、传完释放。无连接直接传数据。

3.考研5层模型：

（1）五层：应用（FTP、SMTP、HTTP）、传输层（TCP、UDP）、网络层（IP、ICMP、OSPF）、数据链路层（Ethernet以太网、PPP）、物理层。

（2）总结就是，应用层中的进程需要通过网络通信时，应用层将要发送的数据加控制信息成报文，切分成段后给传输层加上控制信息成报文段，传输层将多个进程的通信需求汇总执行，将报文段放到网络层封装成数据报（太长就分成分组），网络层负责传输选择路线等工作，数据链路层将数据封装成帧，物理层将拿到的数据比特流化为电信号传出去。

4.层次模型中每层之间的协同：

（1）上层通过接口（即访问服务点SAP）单向使用（调用）下层提供的服务。

（2）对等层间通过协议协同，协议为对等实体（对等层，水平作用）数据交换而建立的规则，包括：语法（传输数据格式）、语义（所要完成的功能）、同步（各种操作的顺序）。

所谓网络体系结构是指计算机网络各层及其协议的集合（抽象的），内部实现细节是由设备厂家确定的（具体的）。

（3）上层将本层PDU（协议数据单元）传到下一层，变成下层SDU（服务数据单元），下层加上PCI（协议控制信息）组合成本层的PDU。

（4）协议和服务的概念区分：（1）协议的实现保证了向上一层提供服务，本层协议的实现需要使用下层提供的服务。本层用户只能看见服务看不见下面的协议（透明的）。（2）协议是水平的，服务是垂直的。

（5）五层模型的SAP：应用-用户界面，传输-端口号，网络-IP地址，数据链路-MAC地址，物理-网卡接口。

计算机网络分类

1.按分布范围：广域网（因特网，点对点，由路由器将局域网连起来组成，交换技术）、城域网、局域网（以太网，广播技术为半双工，交换机连接主机组成，与广域网的技术和协议不同）、个人区域网。

2.按交换技术：电路交换、报文交换、分组交换、混合交换。

（1）电路交换：共三步，通话前请求建立连接（一条专用的物理通路，通信资源不可被其他用户占用，资源不足则用户需等待后重试），通话完释放连接，归还资源。

特点：-1-由于计算机数据突发式出现，线路建立后常处于空闲，传输效率低。-2-只有在通信线路中每个链路都空闲时才能接通。

（2）分组交换：先把报文划分为几个等长数据段并加上控制信息组成的首部后就形成了分组（又称包，其首部又称包头），发送分组时采用存储转发技术，路由器收到一个分组后暂时存储在内存中（非磁盘故更快），检查其首部包含的目的地址等信息，并查找转发表（通过路由器通信进行更新），找到合适的接口发出去，把分组交给下一个路由器。每次转发只占用路由间的链路。分组交换也可使用面向连接的方式，分组交换只是强调对信道资源的占用是断续的。

-1-优点：高效（动态分配带宽、链路逐段占用）、灵活（为每个分组独立选择最合适的转发路由）、迅速（无需先建连接）、可靠（分布式多路由保证网络生存性）。

-2-问题：1.分组在路由前排队造成时延、由于非事先建立连接，不能保证端到端通信所需的带宽（实时性）。2.分组的控制信息造成开销。交换网需要专门的管理和控制机制。分组交换中发送方发送和接收方接收可同时进行（计算题中使用）。

-3-分组交换又分为虚电路（属于同一虚电路的分组按照同一路由转发）和数据报（网络为每个分组独立选择路由，传输不保证可靠性，也不保证分组按序到达）两种方式。

-3.1-数据报方式：为网络层提供无连接服务，不事先为分组确定传输路径，不同分组传输路径可能不同。每个分组携带源和目的地址，路由器根据分组的目的地址转发分组，基于路由协议、算法构建转发表；检索转发表；每个分组独立选路（见4章）。

-3.2-虚电路方式：为网络层提供连接服务，事先为分组确定传输路径（建立连接），系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接。结合了数据报方式和电路交换方式。

源主机发送呼叫请求分组并收到呼叫应答分组才算建立连接成功，之后进行全双工通信，路径上每个结点都要维持一张虚电路表，每个虚电路号对应一个输出接口。

（3）报文交换：过去电报的方式，不进行分组的存储转发。 相对来说，报文大小不定且长，需缓存空间大；分组大小固定且短，需缓存空间小。

（4）方式选择：

-1-大量数据、传送时间远大于连接建立时间，电路交换更快。

-2-报文交换和分组交换无需事先分配带宽，在突发性数据传输中能提高网络信道利用率。-3-分组交换比报文交换时延小，具有更好的灵活性。

-4-若将文件截成分组，逐个确认分组，出错后仅重传分组即可，但速度慢需要分割拼接，适合大文件、网络可靠度低；若文件收到对整个文件确认，出错后得传整个文件，但不用分割拼接速度快，适合小文件、网络可靠度高。

计算题：电路交换与分组交换的总时延计算，请看书练习题1-10、1-11。

3.按拓扑结构：总线型、星型、环型、网状型（常用于广域网），取决于通信子网。

4.按传输技术：广播式网络（常局域，工作在数据链路层的一种通信方式，不需要网络层则无路由选择问题，共享公共通信信道）、点对点网络（常广域，使用【分组存储转发】和【路由选择】机制）。

计算机网络性能指标

1.速率（又称数据率、数据传输率、比特率，即实际速率）

2.带宽（理想最高速率）

3.吞吐量（信道实际速率加一块儿）。

4.时延：

（1）发送时延（传输时延）=数据长度/信道带宽，对应传输速率，将数据放上链路的时间，用高速线路仅降低发送时延；

（2）传播时延=信道长度/电磁波速度，对应传播速率，数据传化电磁波后在信道上传播的速度

（3）排队时延、处理时延对应路由器对数据的处理过程。

5.时延带宽积=传播时延*带宽（单位：bit），以比特为单位的链路长度。

6.往返时延RTT：发送方发送数据开始，到发送方收收到接收方确认总共经历的时延。RTT越大，收到确认之前可发送的数据越多。RTT包括两倍传播时延和末端处理时间。

7.利用率：信道利用率=有数据通过时间/总时间，网络利用率（信道利用率加权）。利用率越大，时延越大，且增大速度递增。网络时延=空闲时延（最小时延）/(1-利用率)。