计算机网络之基本概念、电路/分组交换、几种时延、五层结构

1. Internet和internet

① 互联网

• 计算机网络是由多台独立自主的计算机互联而成的系统的总称。比如分布式集群，通过配置静态ip而互联，即使外网服务中断，整个集群仍然能进行通信。
• 网络把主机连接起来，而互联网（又叫Internet，因特网）是把多种不同的网络连接起来，因此互联网是网络的网络。
• Intranet （内联网）： 以TCP/IP协议集为基础的企、事业专用网，在内外部间通过防火墙（Firewall）实施隔离，通过代理服务器（Proxy Server）、加密等措施保证内部信息的通信与访问安全。
• Extranet (内联外延网）： 为增加企业与合作伙伴、提供商、客户和咨询者的业务交往而将Intranet的互联范围扩大到内部以外的伙伴。Extranet 特点：通过Internet将自身的Intranet与其他Intranet实现互联。

② ISP

• ISP(Internet Service Provider)，互联网服务提供商，即向广大用户综合提供互联网接入业务、信息业务和增值业务的电信运营商。
• ISP可以从互联网管理机构获得许多 IP 地址，同时拥有通信线路以及路由器等联网设备，个人或机构向 ISP 缴纳一定的费用就可以接入互联网。
  

③ 计算机网络中主机间的通信方式

客户-服务器方式（Client/Server， 简写为C/S）

• 客户-服务器（C/S）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。

对等连接方式(peer-to-peer，简写为 P2P)

• P2P是指连个主机之间不区分客户和服务器，从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。
• 只要两个主机都运行了P2P软件，它们就可以进行平等的、对等连接通信。
• 目前P2P方式在文件共享中应用很多（P2P文件共享），双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。
  

2. 电路交换、报文交换、分组交换

① 存储转发

• 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。
• 路由器采用存储转发：

1. 路由器收到一个分组后，先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表。
2. 按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去。

② 电路交换（面向连接）

• 电路交换用于电话通信系统，两个用户要通信之前需要建立一条专用的物理链路，并且在整个通信过程中始终占用该链路。

1. 两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。
2. N 部电话机两两相连，需$N(N–1)/2$ 对电线。
3. 当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。
   

• 交换(switching)的含义就是转接: 把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。
• 电路交换（circuit switching）： 整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。
• 电路交换的特点：

1. 电路交换必定是面向连接的：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。
2. 电路交换需要经过三个阶段： 建立连接（占用通信资源）、通话（一直占用通信资源）、释放连接（归还通信资源
3. 由于通信的过程中不可能一直在使用传输线路，因此电路交换对线路的利用率很低，往往不到 10%。

② 报文交换

• 在20世纪40年代，电报通信采用了基于存储转发的报文交换（message switching）。在报文交换中心，一份份报文被接受下来，并穿成纸袋。操作员以每份报文为单位，撕下纸袋，根据报文的目的站地址，拿到相应的发报机转发出去。
• 报文（message）： 通常把要发送的整块数据称为一份报文。
• 分组（packet） 在发送报文之前，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。分组又叫包。
  
• 报文交换（message switching）： 整个报文先传送到到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。

③ 分组交换

• 分组交换（packet switching）： 单个分组（只是整个报文的一部分）传送到相邻接点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
• 分组的首部包含了源地址和目的地址等控制信息，在同一个传输线路上同时传输多个分组互相不会影响。因此在同一条传输线路上允许同时传输多个分组，也就是说分组交换不需要占用传输线路。
• 分组交换的特点：

1. 高效： 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
2. 灵活： 为每一个分组独立地选择转发路由。
3. 迅速： 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。
4. 可靠: 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。

• 分组交换带来的问题：

1. 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。
2. 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。

④ 三者的比较

• 由于计算机数据具有突发性，如果使用电路交换将导致通信线路的利用率很低。但是如果需要传送大量的数据，其传送时间的时间远大于建立连接的时间，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。
• 报文交换时延较长，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。

3. 时延

• 时延（delay或latency）是指数据（一个报文或分组、甚至bit）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要的时间。
• 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

① 发送时延（传输时延）

• 发送时延（transmission delay）： 主机或路由器发送数据帧所需要的时间，具体来说就是主机或路由器将数据帧发送到信道所需要的时间。
• 方便记忆：快递公司将快递装车所需要的时间。
• 发送时延的计算公式：
  $$发送时延=\frac{数据帧长度(b)}{发送速率（b/s)}$$
• 注意： 发送速率又叫数据率或者信道带宽，信道带宽影响的是发送时延而非传播时延。比如我们常说的千兆路由器、高速网络链路都是指发送速率，而不是传播速率。

② 传播时延

• 传播时延（propagation delay）： 电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间。
• 方便记忆：快递在路上运输的时间。
• 传播时延的计算公式：
  $$传播时延=\frac{信道长度(m)}{电磁波在信道上传播的速率（m/s)}$$
• 电磁波在电缆、真空的传播速度：光速；光纤：2/3光速。注： $光速c=3\ast 10^{8}m/s$
• 对于传播时延，由于我们无法改变电磁波在介质中的传播速率，只要信道长度一定，传播时延便确定了。

③ 处理时延

• 处理时延： 路由器或主机在收到数据包时，要花费一定时间进行处理，例如分析数据包的首部、进行首部差错检验，查找适当路由等等，这就产生了处理时延。
• 方便记忆：快递到达中转站时进行分拣所需要的时间。

④ 排队时延

• 排队时延： 分组在经过网络传输时，要经过很多的路由。分组在路由器的输入队列和输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。
• 排队时延的创段取决于网络当前的通信量，当网络的通信量很大时会发生排队溢出，使分组丢失。
• 输入队列和输出队列排队等待分别指什么？

1. 分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。
2. 在路由器确定了转发接口后，还要在输出队列中排队等待转发。
   
   参考链接：动画：什么是计算机网络时延

4. 计算机网络的五层结构

① 计算机网络体系结构

计算机网络发展的三个里程碑：

• 第一个里程碑：存储转发和分组（报文）交换。
• 第2个里程碑：开放式系统互联/参考模型（OSI/RM – Open System Interconnection/Reference Model)。
• 第3里程碑：浏览器的出现和B/S网络应用模式。
  
• 三种网络体系结构：

1. OSI的七层体系结构
2. TCP/IP的四层体系结构
3. 学习时使用的五层体系结构

② 五层体系结构

物理层：

• 为数据端设备提供原始比特流的传输通路，确定与传输媒体的接口特性：机械特性、电气特性、功能特性、规程特性共四大特性。

数据链路层：

• 链路(link)是从一个结点到相邻结点一段物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。
• 数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
• 数据链路层将数据封装成帧（frame），进行透明传输和差错控制。
  
• 数据链路层又分为2个子层：逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。

网络层：

• 本层通过IP寻址来建立两个节点之间的连接，它包括通过互连网络来路由和中继数据。
• 与传输层的区别： 网络层为主机提供端到端（源、目的主机间物理上）的数据传输服务，而传输层协议是为主机中的进程提供端到端（直接传输）的数据传输服务。
• 网络层把传输层传递下来的数据段（segment）报封装成数据包（packet，又叫数据报，datagram）。
• OSI主张： 在网络层采用面向连接的通信方式，建立一条虚电路（virtual circuit）。
  
• TCP/IP主张： 网络层向上只提供简单灵活的、无连接的、尽最大努力交付的数据报（Datagram, DG）服务。

1. 网络在发送分组时不需要先建立连接。每一个分组（即 IP 数据报）独立发送，与其前后的分组无关（不进行编号）。
2. 网络层不提供服务质量的承诺。即所传送的分组可能出错、丢失、重复和失序（不按序到达终点），当然也不保证分组传送的时限。

• 采用数据报服务的优势： 网络的造价大大降低，运行方式灵活，能够使用多种应用。
• 网络层的常用协议：

1. IP（internet protocol）
2. ARP：地址解析协议，Address Resolution Protocol，是根据IP地址获取物理地址的一个TCP/IP协议
3. RARP：反向地址转换协议，Reverse Address Resolution Protocol ，允许局域网的物理机器从网关服务器的 ARP 表或者缓存上请求其 IP 地址
4. ICMP：Internet控制报文协议，Internet Control Message Protocol，它是TCP/IP协议簇的一个子协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息
5. IGMP：Internet 组管理协议，Internet Group Management Protocol，是因特网协议家族中的一个组播协议。

传输层：

• 传输层为相互通信的应用进程提供了端到端（End-to-End)的逻辑通信机制，即它为进程提供通用数据传输服务。
• 由于应用层协议很多，定义通用的传输层协议就可以支持不断增多的应用层协议。
• 传输层包括两种协议：

1. 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；
2. 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。
3. TCP 主要提供完整性服务，UDP 主要提供及时性服务。

应用层：

• 为特定应用程序提供数据传输服务，例如 HTTP、HTTPS、FTP、POP3、SMTP、DNS 等协议，数据单位为报文。

③ OSI多出的两层

• 会话层 ： 建立及管理会话。
• 表示层 ： 数据压缩、加密以及数据描述，这使得应用程序不必关心在各台主机中数据内部格式不同的问题。
• 五层协议没有会话层和表示层，而是将这些功能留给应用程序开发者处理。

④ OSI和TCP/IP模型的比较

• OSI模型的优点：结构严谨、科学、完备，是计算机网络的国际标准。
• OSI模型的缺点：

1. 过分追求完美性使协议体系过于复杂，难以尽快投入应用 。
2. 标准制订周期太长，不适应市场需求的迅速变化和技术的发展 。

• TCP/IP的优点：

1. 从体系结构上看, Internet的4层结构比OSI/RM的7层结构简单, 也没有OSI/RM中复杂的服务定义。
2. 制订的时机合适, 在实践中它明显地占了上风，既成事实的网络标准。

• TCP/IP的缺点：

1. 结构不严谨、不科学、不完备。
2. 在实践中不断发现问题，不断完善——打补丁。

⑤ 每层的数据单元称谓

层次	数据单元
物理层	bit，比特
数据链路层	帧（frame）
网络层	分组或包（packet）、IP数据报（简称数据报，datagram）
传输层	TCP：报文段（segment）、UDP：用户数据报
应用层	报文（message）