《计算机网络》学习笔记（1）——初始计算机网络

一：基本概念

1：计算机网络提供的功能：

1. 连通性：上网用户都可以交换信息。
2. 共享：网络的资源共享。

2：计算机网络的基本概念

网络由若干结点（计算机、集线器、路由、交换机）和连接结点的链路组成。
互联网由若干网络和路由器互连组成。
其中，因特网是世界上最大的互联网，因特网中的计算机被称为“主机”。

3：计算机网络的发展

1. ARPANET：连接在ARPANET的主机直接与就近的结点交换机相连，后来发展为分组无线电网络，同时，TCP/IP协议成为标准协议。
2. 建成三级结构的因特网（主干网，地区网，校园网）。
   因特网由从学校扩展到多个公司因特网由从学校扩展到多个公司，由一个私人企业管理。
3. 形成多层次ISP（因特网服务提供者）结构的因特网，此时因特网由多个ISP组织组成。
   ISP可以申请多个IP地址，拥有连网设备。
   IP地址的管理机构只会“批发”IP，不会“零售”IP。
   ISP可以分为三个层次：

• 主干ISP由几个专门的公司创建和维持，服务面积最大，并且还拥有高速主干网。有一些地区ISP网络也可直接与主干ISP相连。
• 地区ISP是一些较小的ISP。这些地区ISP通过一个或多个主干ISP连接起来，数据率也低一些。
• 本地ISP给端用户提供直接的服务。本地ISP可以连接到地区ISP,也可直接连接到主干ISPo绝大多数的端用户都是连接到本地ISP的。

4. 为了加快转发分组，因特网交换点IXP的主要作用就是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。 IXP由一个或多个网络交换机组成，许
5. 多ISP再连接到这些网络交换机的相关端口上。多ISP再连接到这些网络交换机的相关端口上。

3：计算机网络的组成

• 接入层（边缘部分）：由所有连接在因特网上的主机组成。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。
• 汇聚层/交换层：处理来自接入层的所有通信量并提供到核心层的上行链路
• 核心层（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）。

（1）：边缘部分

处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机，这些主机又称为端系统。
边缘部分利用核心部分所提供的服务，使众多主机之间能够互相通信并交换或共享信息。
通信方式：

• 客户-服务器方式（C/S方式）：所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
• 对等关系（P2P方式）：指两个主机在通信时可以进行平等的对等连接通信。

（2）：核心部分

网络核心部分是因特网中最复杂的部分，因为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台主机都能够向其他主机通信。
在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router),它是一种专用计算机。路由器是实现分组交换的关键构件，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：经过建立连接（占用通信资源）一>通话（一直占用通信资源）一>释放连接（归还通信资源）”三个步骤的交换方式称为电路交换。
  换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。
• 分组交换：采用存储转发技术，分组在传输时一段段地断续占用通信资源，分配传输带宽。
  单个分组(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。

1. 分割报文：在发送报文之前，把报文划分成为一个个更小的等长数据段，加上一些必要的控制信息组成的首部(header)后，就构成了一个分组/包，而分组的首部也可称为“包头”。分组是在因特网中传送的数据单元。
2. 转发分组：路由器则是用来转发分组的，即进行分组交换的。分组到达一个路由器后，先暂时存储下来， 查找转发表，然后从另一条合适的链路转发出去。

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，则选择电路交换。
若要传送突发数据，且要求时延小、具有灵活性，则选择分组交换。

3：计算机网络的分类

（1）：按照作用范围分类

• 广域网（WAN）：广域网的作用范围通常为几十到几千公里，
• 城域网（MAN）：城域网的作用范围一般是一个城市
• 局域网（LAN）：地理上则局限在较小的范围，一个学校或企业大都拥有许多个互连的局域网。
• 个人区域网（PAN）：在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备(如便携式电脑等)用无线技术连接起来的网络。

（2）：按照使用者分类

• 公用网：指电信公司(国有或私有)出资建造的大型网络。
• 专用网：某个部门、某个行业为各自的特殊业务工作需要而 建造的网络。

（3）：接入网AN

用来把用户接入到因特网的网络。
接入网是从某个端系统到另一个端系统的路径中，由这个端系统到第一个 路由器(也称为边缘路由器)之间的一些物理链路所组成。

4：计算机网络的性能

（1）：性能指标

性能指标	含义
速率/速度率/比特率	连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率
带宽	在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”
吞吐量	在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量
时延	指数据(一个报文或分组，甚至比特)从网络的一 端传送到另一端所需的时间。
.时延带宽积	又称为以比特为单位的链路长度,表示这样的链路可容纳多少个比特
往返时间RTT	表示从发送方发送数据后，到接收方收到数据后立即发送确认，总共经历的时间。
利用率	信道利用率：信道有百分之几的时间是有数据通过的；网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。

（2）：非性能指标

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 易于管理和维护
• 可扩展性和可升级性

5：计算机网络的体系结构=协议+层次

（1）：基本概念

实体：一个特定的软件模块。
协议：控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。

• 向上：下面的协议对上面的实体是透明的。
• 水平：协议是控制对等实体之间通信的规则。

服务：能够被高一层实体“看得见”的功能才能称之为“服务”。下一层向上一层提供服务，是服务提供者，上一层是服务用户。
服务访问点SAP：同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方。

（2）：网络协议

定义：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
组成：

• 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。

结构：层次性

（3）：体系结构

1：OSI 七层协议体系结构（开放系统互连基本参考模型）

• 物理层
• 数据链路层
• 网络层
• 运输层
• 会话层
• 表示层
• 应用层

2：TCP/IP 四层协议体系结构

• 网络接口层
• 网际层 IP
• 运输层 TCP
• 应用层 HTTP等

应用层（万维网应用 HTTP协议，电子邮件 SMTP协议，文件传送 FTP协议）

应用层是体系结构中的最高层，应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用，应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。（在应用层交互的数据单元称为报文）

运输层（传输控制 TCP协议 ，用户数据报 UDP协议）

运输层的任务就是负责向两个主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务，应用进程利用该服务传送应用层报文。
在TCP中数据传输的单位是报文段，在UDP中数据传输的单位是用户数据报。

网络层（IP）

网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组 / 包 （IP数据报）进行传送。
网络层的另一个任务就是要选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组能够通过网络中的路由器找到目的主机。

网络接口层之数据链路层

在传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传
送。每一帧包括数据和必要的控制信息（方便接收方提取帧并检查帧）。

网络接口层之物理层

在物理层上所传数据的单位是比特。发送方发送1 / 0，接收方接收 1 / 0，因此物理层要考虑用多大的电压代表“1”或“0”，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各条引脚应如何连接。

3：传送过程

主机A：
应用层A获取数据，加上首部。
运输层A获取数据，加上首部。
网络层A获取数据，加上首部。
数据链路层A获取数据，加上首部、尾部。
物理层A获取数据，从首部开始传送…
路由器B：
物理层B获取数据，去除首部。
数据链路层B获取数据，去除首部。
网络层B获取数据，去除首部，查找路由转发分组。
数据链路层B获取数据，加上首部、尾部。
物理层B获取数据，从首部开始传送…
主机C：
物理层C获取数据，去除首部。
数据链路层C获取数据，去除首部。
网络层C获取数据，去除首部。
运输层C获取数据，去除首部。
应用层C获取数据，去除首部。

6. 硬件部分

（一）：设备

物理层

• 中继器：连接完全相同的局域网。通过对数据信号的接收、放大、整形和转发，扩大网络传输的距离
• 集线器：多端口的中继器，对接收信号进行再生整形放大，扩大网络的传输距离。同时把所有结点集中在以他为中心的结点上，共享一个冲突域

数据链路层

• 网桥：用于连接两个MAC子层协议相同的网络，根据帧的物理地址进行信息转发，缓解网络通信繁忙度
  • 透明网桥（总线网）：以混杂方式工作，接收所有局域网传送的每一帧，决定丢弃或者转发。容易安装，但是无法充分利用网络资源
  • 源路由转发网桥（令牌环网）：将路由信息放在帧首部，以广播方式向通信的目的站发送发现帧
• 二层交换机：根据MAC地址简单转发，并将对应的端口记录在内部的地址表中。可以将多台终端设备连接成星型网络
  • 端口交换
  • 值元交换
  • 帧交换（直接交换、存储转发、碎片丢弃）

网络层

• 路由器：连接逻辑网络也就是子网，异种网互连能力强
  • 单协议网络
  • 多协议网络
• 三层交换机：完成普通路由的部分或全部功能

应用层

• 网关：转换协议

（二）：介质

有线

• 双绞线（常用5类UTP，只能连接一台计算机，通过集线器互连）
  • 屏蔽双绞线（网络流量大）
  • 非屏蔽双绞线（网络流量小）
• 同轴电缆
  • 基带同轴电缆：直接传输数字信号
  • 宽带同轴电缆：传输模拟信号，高速数字信号（频分复用）
• 光纤
  • 多模光纤：效率低、便宜
  • 单模光纤：效率高、成本高

无线

• 微波：利用无线电波传播
• 红外线和激光：直接在空气传播
• 卫星：微波通信的特殊形式