计算机网络，第一章
第一章
21世纪三个重要特征：数字化，信息化，网络化。三者以网络为核心。
三网：电信网络，有线电视网络，计算机网络。现在的趋势是三网融合。
网络 ：多台计算机连接在一起形成网络。
互连网：通用名词，internet，多个计算机网络互连而形成的网络，即网络的网络。
互联网：专用名词，又叫因特网，Internet，指目前全球最大的、特定的互连网。
互联网的两个特点：连通性和共享（即资源共享，如信息，软硬件共享）。
“互联网+”：将互联网（信息通信技术）和各个传统行业相结合。
计算机网络由结点和链路组成。
结点：如计算机，路由器，交换机，集线器等。
集线器：对接收到的信号进行再生，整形，放大，以扩大网络的传输距离。
主机：与网络相连的计算机（边缘部分）或者手机。
谈到网络互连时。默认主机上已经装有通信的软件/程序，通信实质上就是程序/进程的通信。
计算机网络中的计算机***：
主机：信息处理，通过网络交换信息。
路由器：用来转发分组，进行分组交换。路由器收到一个分组，暂存，检查首部/包头，查找转发表*，根据首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，交给下一个路由器，直到最终的目的主机。
**转发表作用：该把路由器中暂存的分组发到哪一条链路。需要路由器之间不断交换信息来维持，更新。正确反映网络拓补的实时情况。
互联网发展的三个阶段：
1、美国国防部先创建第一个分组交换网ARPANET，它是单个的分组交换网。后来又创建了以TCP/IP协议为标准的多组网络互连技术。
因此TCP/IP早期未考虑安全问题，如今的IPV6已经考虑了安全问题。
2、三级结构的互联网。主干网，地区网，校园/企业网。91年商用，由私人管理，有偿使用。
3、多层次ISP结构的互联网。互联网管理机构——>主干ISP——>地区ISP——>本地ISP。两个主机通过ISP进行通信。一般选择本地下载快一些。（ISP 叫网络服务提供者。可以是盈利机构如运营商，也可以是某个大学，非盈利）
IXP：互联网交换点，允许两个网络直接相连并交换分组。一般由一个或多个网络交换机组成。
互联网工程部：研究短期中期的工程问题。
互联网研究部：研究长期需要考虑的问题。
互联网的组成：边缘部分和核心部分
边缘部分：由所有接入互联网的主机组成，用户使用其进行通信和共享。通信方式有客户——服务器方式，P2P方式两种
核心部分：由大量网络和连接网络的路由器组成，服务边缘部分。通信方式有电路交换，报文交换，分组交换。
核心部分的路由器一般用高速链路连接，边缘主机接入到核心部分通常以低速链路连接。
客户——服务器方式：是最常用，最传统的方式。计算机通信的对象是主机中的进程。服务请求方主机运行客户程序，服务提供方主机运行服务程序。双方都要使用互联网核心部分提供的服务。
客户程序：主动向服务器发起通信，需要知道服务器地址，不需要复杂的硬件和操作系统。
服务器程序：专门用来提供某种服务，可同时处理多个请求。不断运行，并被动接受各个客户的请求，不需要值到客户地址。需要复杂的硬件和操作系统。
P2P/对等连接方式：只要各台主机都运行**对等连接软件（P2P软件）**就可以对等连接并通信。各方可以互相下载对方的资源。如迅雷软件，可以从多个对等源下载资源，下的人越多，速度越快。
电路交换：建立连接——>通话——>释放连接。在通话的全部时间中始终占用端到端的通信资源。传送突发式数据效率低，绝大部分时间被占用的线路是空闲的。如早期的电线连接的电话。
报文交换：基于存储转发原理，整个报文在某个结点被全部存储，再发往下一个结点。
分组交换：基于存储转发原理，把一个报文分成几个分组，分组又叫做包，是传送的数据单元，每个分组由首部/包头和后面的数据部分。
首部/包头：包含了目的地址和源地址等控制信息。
报文的某个分组正在某个链路上传送时，该链路才被占用。在其他的空闲时间，该链路可以给其他主机的分组使用。
同一个报文的各个短分组可以沿不同的链路传送。
某个节点故障，按照路由器中运行的路由选择协议，可自动重新选择最佳路径。
一台主机的多个进程可以和不同主机的不同进程同时通信。
分组通信实质：断续/动态分配传输带宽，提高利用率和效率。
分组通信的缺点：利用率过高，分组输入输出路由器都要排队，有时延。各个分组所携带的控制信息也会造成开销。
核心部分三种交换的比较：
电路交换：整个报文的比特流连续的从源点到终点，好像在一个管道中传送。
报文交换：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
分组交换：单个分组传送到相邻结点，转存后发往下一个结点。
信道：以传输媒体为基础的信号通路，作用是传输信号。
可编程的硬件 一定是含有CPU的，路由器就是。
按作用范围来分类计算机网络：
1、广域网：WAN，又叫远程网，是互联网的核心，连接广域网个结点交换机的链路都是高速链路，长距离通信，跨国。
2、城域网：MAN，目前很多MAN采用以太网技术，连接几个局域网，城市。
3、局域网：LAN，小范围的计算机或者工作站通过高速通信线路连接，如学校或者企业均有多个互连的局域网。局域网内部必须采用同种通信协议，以太网是局域网最常用的一种，所以局域网最常用的通信协议标准是以太网标准。
4、个人区域网：PAN，将个人使用的几个设备通过无线技术连接形成网络。
接入网：用户端系统到互联网中的第一个路由器（边缘路由器）之间的一种网络。是用户与互联网桥接的桥梁。
计算机网络的性能：
1、速率：数据的传送速率。单位是bps，每秒几个二进制位。网络的速率一般指额定速率或标称速率，而非实际运行的速率。指一个信道的速率。
2、带宽：原指信号各成分所占据的频率范围。
在计算机网络中，带宽表示某通道传送数据的能力。某个信道单位时间内通过的数据率。单位是bps。
3、吞吐量：单位时间内通过某个网络所有信道的数据量。单位为bps，也可以用每秒的字节数，帧数来衡量。
4、时延：a.发送时延：主机或者路由器发送数据帧所花的时间，从发第一个bit开始算起，到发完最后一个。
b.传播时延：电磁波在信道中传播一定距离所花的时间。电磁的速度从在自由空间，铜线，光纤依次减小。
c.**处理时延：主机/路由器在收到分组要花费时间对其进行处理**，如分析首部/包头，提取数据部分，校验错误等。
d.排队时延：分组进出路由都有可能要排队。排队时间的长短取决与网络的通信量。
5、时延带宽积：传播时延*带宽。表示在第一个bit到达终点时，该链路上有多少个bit。
6、往返时间：有信道利用率和网络利用率两种。
D = D0 / ( 1 - U )
D：网络当前的时延
D0：网络空闲时的时延
U：网络的利用率
OSI/RM：名义上的互联网国际标准
TCP/IP：实际上的互联网国际标准
网络协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则和标准。
网络协议三要素：
- 语法：控制信息，数据的格式。
- 语义：控制信息的意义，完成何种操作。
- 同步：什么时候该做什么操作。
协议的两种形式：文字描述和程序代码。
***网络的体系结构：***计算机网络的各层及其协议的集合。
五层网络体系结构介绍：（除第一层每层都加入本层的控制信息）
- 5、应用层：通过进程间交互来完成特定网络应用。应用层协议是进程间通信和交互的规则。应用层协议很多，如DNS，HTTP，SMTP。应用层交互的数据单元叫做报文。
- 4、运输层：向两台主机中的进程通信提供数据传输的服务。进程利用该服务传输报文。有分用和复用两种功能。该层有两种主要协议：传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP。TCP：面向连接，可靠，传输单位为报文段。UDP：无连接，不保证可靠，传输单位为用户数据报。二者在报文的基础上加入了协议信息。
- 3、网络层：负责为分组交换网上个的不同主机提供通信服务。任务是在发数据时，网络层把上一层产生的报文段或者用户数据报封装成分组或包进行传送，加入了IP信息。分组又叫做（IP）数据报。另一个任务就是选择合适的路由，将运输层传下来的并生成的分组能通过路由找到目的主机。
网络层的协议包括无连接的网际协议IP和众多路由选择协议。该层又叫网际层和IP层。 - 2、数据链路层：将网际层交下来的IP数据报组装成帧，加入了物理层地址MAC，帧头帧尾。数据一段一段的在链路上传输，使用专门的链路控制协议。
- 1、物理层：比特流发送。不再加入控制信息。从首部开始传送。
协议栈：将几个层次画在一起很像一个栈的结构。
实体：任何可以发送或接收信息的硬件或者进程。
协议是对等实体通信的规则，是水平的。
服务是通过层间接口来提供或者使用，是垂直的。
TCP/IP一般指整个TCP/IP协议族。它的层次结构是四层，数据链路层和物理层在这里合并为网络接口层。沙漏状结构。IP协议是它们的核心。
现在的技术发展不需要严格遵循分层概念，如某些进程可以直接使用IP层或者网络接口层。P36。
问答题。
- 1.2 internet和Internet一个通用一个特指，美国人强调区分。
internet上网络的通信协议是随意的，但是Internet必须要以TCP/IP作为通信的规则。 - 1.3 互联网本来就是国际性的，没有国际互联网，本国互联网的说法。
- 1.6 网络中的主机强调的是计算机系统，小到PC，手机，大到巨型机都可以是主机。
- 1.7 ISP分盈利和非盈利之分。所以叫网络服务提供者，不叫商。
盈利如各运营商。
非盈利如某个大学，负责分配大学内部的IP地址。 - 1.8 C/S通信方式中，
客户和服务器一般都是指软件/进程。
客户端/服务器一般指运行对应软件的机器。 - 1.9 电路交换一定是面向连接的。
分组交换可以是面向连接，也可以是不连接。
面向连接三个阶段：建立连接——〉传送数据——〉释放连接。持续占用资源。
不连接只有一个阶段：传送数据。断续占用资源。
分组交换各个层可以采用连接也可以采用不连接，可以自由搭配。
如应用层的文件传输协议是连接、可靠的，运输层的TCP是连接的，UDP无连接，网络层的IP无连接，数据链路层又运行连接的ppp协议。 - 1.11 一个主机可以有两个不同的接口，可以一个接面向连接的分组交换网，一个接IP协议（不连接）的互联网。这种主机叫做多归属主机。
- 1.12 面向连接其实就是基于连接。翻译问题而已。
- 1.13 早期的电话通信，双方之间确实存在一条用导线的连接。
现在的通信是由 A到交换机，经过数个交换机，再到B
移动通信是手机到基站，基站到基站，再到手机。
后两种既包含有线连接，也包含无线连接。 - 1.14 传统电话通信将通信网络设置的很好，来保证数据传输的可靠性。
计算机网络通信采取的策略是端到端的可靠传输***，如运输层的TCP协议，若发现传输的数据错误，就通知主机重传错误部分*，直到正确接收。
若不把主机在内的网络算入互联网（即只有下三层），那么互联网是不可靠的。若把互联网的范围扩大到运输层，则有可以认为他的传输是可靠的。 - 1.16 当应用层传输文件时，使用FTP协议，要求可靠，所以在运输层必须使用TCP。
当传送话音或者视频点播信息时，优先保证实时性，则选择无连接的UDP。 - 1.18 TCP/IP最核心的部分是上面三层：应用层，运输层，网络层。TCP/IP没有为下面的网络接口层制定标准。
TCP/IP的思路就是，形成IP数据报后，交给下面的网络去发送就行。 - 1.19 分组/包笼统来说就是控制部分加上数据部分构成的传输单元，每一层的传输单元都可以用分组/包。
比如运输层叫报文段/用户数据报。
网络层叫IP数据报/分组/包。
链路层叫帧/以太网帧。 - 1.24 传播速率：一个bit数据在传输媒体上传输的速率。
传输/发送速率：计算机向所连接的传输媒体或者网络注入bit的速率。
发送时延=传输时延 ！= 传播时延。
发送速率提高，表现为单位时间内发送到链路/信道上的bit数量变多了，而不是bit跑得更快了。
带宽提高，表示主机单位时间内能向链路发送更多的数据，似乎是以带宽为上限。传输速率和带宽的关系就好比水龙头出水量和水管粗细的关系。 - 1.29 网络协议三要素，语法，语义，同步。语义不包括同步，语义没有说明什么时候做出它本身所指的动作/信息/响应。
- 1-31 互联网的摩尔定律：互联网通信量每年翻一番左右。
集成电路芯片上的元器件密度平均每18个月翻一番。
习题
- 1-2 分组交换的步骤
应用层把要发送的整块数据作为一个报文，交付下一层。
运输层把报文分成一个个等长数据段，加入协议信息，形成报文段。交给下一层。
网络层把收到的一个报文段加入IP信息和控制信息，生成一个分组/包，传给下一层。
网络接口层把收到的一个分组加入帧头和帧尾，控制信息（如同步信息，地址信息MAC，差错控制等），形成一帧，发送出去。
转发表的产生，作用：
各路由器需要经常交换彼此的路由信息，用来维持和更新路由器中的转发表。从而实时反映网络拓补结构。
转发表用来寻找合适的链路发送数据。
***路由器***的作用：
- 转发通信的分组
- 和网络中的其他路由交换信息，维持、更新转发表。
往返时间：发送方开始发送数据计时，到发送方得到到来自接收方的确认所花的时间。包括各种时延除去传播时延。
everything over IP——tcp/ip可以为各式各样的应用提供服务。
IP over everything——ip协议可以在各种网络构成的互联网上运行。
TCP连接的建立需要消耗时间，与RTT有关。传输数据也需要对方的确认。
当运输层采用TCP协议时，数据链路层会检测收到的帧有无差错，有错则丢弃这个帧，由TCP来重发错误帧。