计算机网络

计算机网络 = 通信技术 + 计算机技术

1.计算机网络定义

定义：计算机网络就是互联的、自治的计算机集合
    （1）自治：无主从关系（某一个计算机不能控制另外一个计算机）
    （2）互联：互联互通（计算机之间要互联互通）
        通信链路（光线|同轴电缆|双角线|无线信号|卫星等）|（不可能直连所有的网络设备）
    *距离远，数量大如何保证互联
        通过交换网络（重要的是：交换节点（路由器|交换机））

*计算机网络是通信技术与计算机技术紧密结合的产物
*通信系统的模型：
信源——>发送设备——>信道（可能会受到噪声源的干扰）——>接受设备——>信宿
*计算机网络就是一种特殊的通信网络（特殊之处在于，信源和信宿就是我们通常说的计算机，发出的信息通常就是一些数字化信息）

2.什么是 Internet

（1）组成细节
*全球最大的互联网络
    ISP（Internet Service Provider）网络互联的"网络之网络"
*概念：数以百万计的互联的计算设备的集合
    主机 = 端系统
    运行各种网络应用 
*通过通信链路相连
*实现数据的分组交换：转发分组（数据包）
    实现其最重要的设备：路由器和交换机

（2）服务角度
*为网络基础提供服务的通信基础设施
    web|网络游戏等
*为网络应用提供编程接口（API）
    支持程序"链接" Internet，发送/接受数据
    类似于邮政系统的数据传输服务

（3）问题
仅由硬件（主机、链路、路由器 . . .）链接，Internet 能否顺畅运行？能保证数据交付吗？......
答案：NO
    需要网络协议

3.什么是网络协议

概念：网络协议简称为协议，是为了进行网络中的数据交换而建立起来的规则、标准或约定
    协议规定了通信实体之间所交换信息的格式、意义、顺序及针对收到信息或发生事件所采取的动作

协议是计算机网络有序运行的重要保证

*硬件（主机、路由器、通信链路等）是计算机网络的基础
*计算机网络中的数据交换必须遵守事先约好的规则 
*如交通系统

任何通信或信息交换过程都需要规则

4.协议

*协议的三要素：
（1）语法
    数据与控制信息的结构或格式
    信号电平
（2）语义
    需要发出何种控制信息
    完成何种动作以及作出何种响应
    差错控制
（3）时序
    事件顺序
*协议规范了网络中所有信息发送和接收过程
*学习网络的重要内容之一
*网络创新的表现形式之一
*Internet协议标准

5.计算机网络结

（1）网络边缘
    主机（端系统）
        位于网络边缘，运行程序如：web|email
        工作模型：
            *客户—服务器应用模型（web应用|文件ftp传输等）
            *对等（P2P）应用模型：无专用服务器，通信在对等的实体之间直接进行（QQ|Skype|BT|Gnutella）
    网络应用
        *接入网络：数字用户线路（DSL）|电缆网络
                都使用的是频分多路复用技术

（2）接入网络，物理介质
    有线或无线通信链路

（3）网络核心（核心网络）
    *解决的问题是：将数据从源主机通过网络核心送达目的主机（利用数交换）
    关键功能：路由 + 转发
    互联的路由器（或分组转发设备）
        发送时根据本：地转发表（由路由算法组成）

6.Internet 结构

*端系统通过 ISP（access ISPs）连接到 Interne
    家庭、公司和大学ISPs
*接入ISP进一步互相连接
    这样任意两个主机才可以互相发送分组
*构成复杂的网络互联网络

7.数据交换—电路交换

交换：动态转接 |动态分配传输资源

数据交换类型：
（1）电路交换
    典型：电话网络最典型
    电路交换的三个阶段：
        建立连接（呼叫/电路建立）—通信—释放连接（拆除电路）
    *最显著的特点：资源独占（两个人在通话个过程中所占用的链路资源不能被第三方所共享）
    *多路复用：中继线被共享

（2）报文交换
    *源（应用）发送信息的整体

（3）分组交换：统计多路复用
    *特点：A&B分组序列不确定，按需共享链路
    *存储——转发 的过程
    *报文拆分出来的一系小的数据包
    *分组交换需要报文的拆分与重组
    *产生额外开销
#报文交换和分组交换均采用存储——转发交换方式
    *区别：报文交换以完整的报文进行，分组交换需要将报文进行拆分



Question：存储——转发模式交换，哪种交换方式更好呢？

报文交换 VS 分组交换
（1）分组交换（并行的）更省时，并且所需存储空间小
分组交换 VS 电路交换
（1）分组交换允许更多用户同时使用网络（资源共享率更高）

分组交换：
*更适用于突发数据传输网络
    资源充分共享
    简单，无需呼叫建立
*可能产生拥塞：分组延迟或者丢失
    需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制

8.多路复用

*简称复用，是通信技术中的基本概念（实现信道共享）

（1）频分多路复用（FDM）
        各用户占用不同的带宽（频率带宽：HZ而不是数据发送速率）资源
    将信道资源在频率上进行划分（有线电视网络）

（2）时分多路复用（TDM）
        将时间划分为一段段等长的时分复用帧，每个用户在每个TDM中帧中占用固定序号的时隙
        每用户所占用的时隙是周期性的出现（其周期就是TDM帧的长度）

（3）波分多路复用（WDM）
    *就是光的频分复用

（4）码分多路复用（CDM）
    *广泛应用于无线链路的共享（如蜂窝网，卫星通信等）
    *各用户使用相同频率载波，利用各自码片序列编码数据
    *编码信号：原始数据 * 码片序列
    *各个用户的码片序列必须相互正交

9.计算机网络性能

（1）速率：即数据率|数据传输速率|比特率
    *单位时间（秒）传输信息（比特）量
    *计算机网络中最重要的一个性能指标
    *单位：b/s | kb/s | Mb/s | Gb/s    
（2）速率往往是指额定速率或者标称速率     
（3）带宽：最高频率与最低频率之差，单位（Hz）
（3）网络的带宽通常是指数字信道所能传输的最高速率（单位：b/s(bps)）
    常用的带宽单位：kb/s | Mb/s | Gb/s | Tb/s 
（4）

Question：分组交换为什么会发生丢包和时延？
（1）分组在路由缓存中排队
    *分组到达速率超出链路容量时
    *分组排队，等待输出链路可用
（2）结点处理延迟 | 排队延迟 | 传输延迟 | 传播延迟 

10.时延带宽积

时延带宽 = 传播时延 × 带宽
又称为以比特为单位的链路长度

11.分组丢失（丢包）

*队列缓存容量有限
*分组到达已满队列将被丢弃（即丢包）
*丢弃分组可能由前序节点或源重发（也可能不重发）
*丢包率 = 丢包数/已发分组总数

12.吞吐量/率

*吞吐量：表示在发送端与接收端之间传递数据速率（b/s）
    即时吞吐量：给定时刻的速率
    平均吞吐量：一段时间的平均速率

13.计算机网络的体系结构

*网路体系结构是从功能上描述计算机网络结构的
*简称为网络体系结构，是分层结构
（1）为什么要采用分层结构？
    利：
    结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系
    模块化的分层更易于系统更新、维护
    有利于标准化
*计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
*体系结构是一个计算机网络的功能和层次及其关系的定义
*体系结构是抽象的


(1)实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
(2)协议：是控制两个对等实体进行通信规则的集合，协议是'水平的'
(3)任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，服务是'垂直的'
(4)下层协议的实现对上层服务用户是透明的
(5)同系统的相邻层之间是通过接口进行交互，通过服务访问点SAP，交换原语（指示|请求|访问|响应等），指定请求的特定服务

14.OSI参考模型

*开放系统互连（OSI）参考模型是由国际标准化组织（OSI）于1984年提出的分层网络体系结构模型，目的是支持异构网络互连系统的互联互通
*异构网络互联的国际标准

OSI七层（从上到下）：每个层次完成特定的网络功能
    主机A                中间系统           主机B
    7——应用层              
    6——表示层
    5——会话层
    4——传输层
    3——网络层
    2——数据链路层
    1——物理层

解释网络通信的过程：
    主机要完成所有7层协议，中间系统需要完成三层（1|2|3）
    4-7层成为端到端层

简述：
***非端到端实现的功能

1.物理层：实现每一个比特的传输
    （1）定义规范接口特性（机械特性|电气特性|功能特性|规程特性）
    （2）比特编码
    （3）定义传输速率
    （4）解决比特同步：时钟同步


2.数据链路层功能：物理链路直接相邻的两个节点只见的数据传输
    （1）负责结点-结点数据传输
    （2）组帧:接收到数据流时，能分清楚数据
    （3）物理寻址：在帧头中增加发送端和/或接受端的物理地址标识数据帧的发送端和/或接受端
    （4）流量控制：避免淹没接受端
    （5）差错控制：检测并重传破损或丢失帧，并避免重复帧
    （6）访问（接入）控制：在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用全

3.网络层功能：从源主机到目的主机可以跨越网络跨越多个链路数据分组的传输/交互
    （1）负责源主机到目的主机数据分组交付：可穿过多个网络层
    （2）逻辑寻址：全局为一的逻辑地址，确保数据分组被发送到目的主机，如IP
    （3）路由：选择路径|路由器（或网关）互联网络，并路由分组至最终目的主机
    （4）分组转发


***端到端实现的功能

4.传输层：负责源-目的（端-端）（进程空间）完整报文传输
    (1)分段与重组
    (2)SAP寻址：确保将完整报文交给正确进程，如端口号
    (3)链接控制：端到端的链接控制
    (4)流量控制
    (5)差错控制

5.会话层：
    (1)对话控制：建立|维护
    (2)同步：在数据流中插入'同步点'
    (3)最宝的一层

6.表示层功能：处理两个系间交换信息的语法与语义问题
    (1)数据表示转化:转化为独立的编码
    (2)加密|解密
    (3)压缩|解压缩

7.应用层：支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）
    (1)典型的应用层服务：FTP（文件传输）|SMPT（电子邮件）|HTTP(WEB)等


(2)问什么要进行数据封装？
    增加控制信息：构造协议数据单元（PDU）
    控制信息主要包括：地址（标识发送端|接受端）、差错检测编码（用于差错检测或纠正）、协议控制（实现协议附加信息，如：优先级|服务质量|安全控制等）

15.TCP/IP参考模型

四层（从上到下）：
    4.应用层
    3.运输层
    2.网际层
    1.网络接口层

16.5层参考模型

***现实中所运用的

综合OSI和TCP/IP的优点
    应用层
    传输层
    网络层
    数据链路层
    物理层


**功能：

应用层：支持各种网络应用（HTTP|SMPT|FTP）
传输层：进程-进程的数据传输（TCP|UDP）
网络层：源主机到目的主机的数据分组与转发（IP协议|路由协议等）
链路层：相邻网络的元素（主机|交换机|路由器等）的数据传输（以太网|WIFI|PPP）
物理层：比特传输

17.网络应用

(1)客户机|服务器（C/S）

    服务器：
    *7*24小时提供
    *永久性的访问地址/域名
    *利用大量服务器实现可扩展性
    客户机：
    *与服务器通信，使服务器提供服务
    *间接性接入网络
    *可能使用动态IP地址
    *不会与其它客户机直接通信
WEB典型的C/S结构

(2)P2P（点对点结构）
    *没有永远在线的服务器
    *任意端系统/结点
    *节点间歇性接入网络
    *节点可能改变IP地址

文件共享是典型的P2P结构

(3)混合结构
*Napster：
文件传输使用P2P结构
文件搜索采用C/S结构——集中式
    每个节点向中央服务器登记自己的内容
    每个节点向中央服务器提交查询请求，查找感兴趣的内容

1.网络应用与单机应用有哪些本质性的不同？
2.网络应用采取什么样的体系结构？
3.P2P和C/S相比最大的优点是什么？
    优点：高度可伸缩
    缺点：难与管理


**网络应用的服务需求
    网络应用遵循应用层协议
(1)可靠性/数据丢失
    某些网络能够容忍一些数据的丢失：网络电话
    某些网络要求100%可靠的数据传输：文件传输|telent
(2)带宽
    某些网络应用只有在带宽达到最低要求时才'有效'：网络视频
    某些应用能够适应任何带宽——弹性应用：email
(3)时延
    有些应用只有在延迟足够时才'有效'
    网络电话|网络游戏
（4）安全性

**Internet传输层服务模型
(1)TCP
    *面向链接：客户机|服务器间进程需要建立连接
    *可靠的传输
    *流量控制：发送方不会发送速度过快超过接收方的处理能力
    *拥塞控制：当网络负载过重时能够限制发送方的发送速度  
    *不提供时间|延迟的保障
    *不提供最小宽带保障

(2)UDP
    *无连接
    *不可靠的数据传输
    *不提供
        可靠性保障
        流量控制
        拥塞控制
        延迟保障
        带宽保障


**特定网络应用及协议
(1)HTTP
(2)SMTP | POP | IMAP
(3)P2P应用


**网络应用的基础：进程间通信
（1）进程：主机上运行的程序
（2）同一主机上的进程之间是如何通信？
    进程间的通信机制
    操作系统提供
（3）不同一主机上的进程之间是如何通信？
    消息|报文交换
客户机进程：发起通信的进程
服务器进程：等待通信请求的进程

**Socket（套接字）编程（网络应用的开发）

进程之间通信利用socket发送/接收消息实现|类似于寄信|传输基础设施向进程提供API
进程的标识符：IP地址+端口号
（1）TCP
（2）UDP

18.Web应用

*构成要素：网页|网页互相链接
*网页包含多个对象
    对象：HTML文件（超文本文件）|JPEG图片|视频文件|动态脚本
    基本HTML文件：包含其它对象引用的链接
*对象的寻址
    URL：统一资源定位器
    Scheme://host:port/path

*遵循HTTP协议
HTTP：超文本传输协议：C/S结构 | 采用客户机——服务器架构（请求|接收|解析|展示web对象）| 服务器——Web Server（响应客户的请求，发送对象）
*使用TCP传输服务
    服务器在80端口等待客户请求
    浏览器发起到服务器的TCP链接（创建套接字）
    服务器接受来自浏览器的TCP链接
    浏览器（HTTP客户端）与Web服务器（HTTP服务器）交换HTTP消息
    关闭TCP链接
*无状态
    服务器不维护任何有关客户端过去发请求的信息

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