谢希仁——计算机网络——课堂笔记
一、概述
1.1、计算机网络在信息时代的作用
- 计算机网络已由一种通信基础设施发展成为一种重要的信息服务基础设施。
- 计算机网络已经像水、电、煤气这些基础设施一样。成为我们生活中不可或缺的一部分。
互联网之父温顿瑟夫的名言：既然你无法逃避接触Internet（互联网），那么为何不去了解它并且使用它呢？
1.2、因特网概述
1.2.1、网络、互连网（互联网）和因特网
- 网络（Network）由若干结点（Node）和连接这些结点的链路（Link）组成。
注意：链路可以分为有线链路和无线链路
- 多个网络还可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互连网（互联网）。因此，互联网是“网络的网络（Network of Networks）”。
因特网（Internet）是世界上最大的互连网络（用户数以亿计，互连的网络数以百万计）。
internet和Internet的区别
internet（互联网或互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议可以是任意的。
Internet（因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。
1.2.2、因特网发展的三个阶段
第一阶段：
- 1969年，第一个分组交互网ARPANET。
- 70年代中期，研究多种网络之间的互连。
- 1983年，TCP/IP协议成为ARPANET的标准协议（因特网诞生时间）
第二阶段：
- 1985年，NSF围绕六个大型计算机中心建设NSFNET（主干网、地区网和校园网）；
- 1990年，ARPANET任务完成，正式关闭；
- 1991年，美国政府将因特网主干网交给私人公司运营，并开始对接入因特网的单位收费。
第三阶段：
- 1993年，NSFNET逐渐被若干个商用因特网主干网替代；政府机构不再负责因特网运营，让各种因特网服务提供者ISP来运营。
- 1994年，万维网WWW技术促使因特网迅猛发展。
- 1995年，NSFNET停止运作，因特网彻底商业化。
因特网服务提供者ISP（Internet Service Provider）
思考：普通用户如何接入到因特网的呢？
答：实际上，是通过ISP接入因特网的。ISP可以从因特网管理机构申请到成块的IP地址，同时拥有通信线路以及路由器等连网设备。任何机构和个人只要向ISP缴纳规定的费用，就可以从ISP得到所需要的IP地址。
——这一点很重要，因为因特网的主机都必须有IP地址才能进行通信。这样就可以通过该ISP接入到因特网。
基于ISP的三层结构的因特网：
基于ISP的三层结构的因特网示意图解读：
1.最高级别的第一层ISP的服务面积最大，第一层ISP通常也被称为因特网主干网，一般都能够覆盖国际性区域范围，并拥有高速链路和交换设备。第一层ISP之间直接互联。
2.第二层ISP和一些大公司都是第一层ISP的用户，通常具有区域性或国家线覆盖规模，与少数第一此ISP相连接。
3.第三层ISP又称为本地ISP，它们是第二层ISP的用户，且只拥有本地范围的网络。一般的校园网或企业网，以及住宅用户和无线移动用户，都是第三层ISP的用户。
特殊：经常遇到的情况！
————相隔较远的两台主机间的通信可能通过需要经过多个ISP。
注意：一旦某个用户能够接入到因特网，那么他也可以成为一个ISP：
————所需要做的就是购买一些如调制器或路由器这样的设备，让其他用户能够和他相连。
1.2.3、因特网的标准化工作
- 因特网的标准化工作对因特网的发展起到了非常重要的作用。
- 因特网在制定其标准上的一个很大的特点是面向公众。
- 因特网所有的RFC（Request For Comments）技术文档都可从因特网网上免费下载；（https：//www.ietf.org/rfc.html)
- 任何人都可以随时用电子邮件发表对某个文档的意见或建议。
- 因特网协会ISOC是一个国际性组织，它负责对因特网进行全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用。
- 因特网体系结构委员会IAB，负责管理因特网有关协议的开发；
- 因特网工程部IETF，负责研究中短期工程问题，主要针对协议的开发和标准化；
- 因特网研究部IRTF，从事理论方面的研究和开发一些需要长期考虑的问题。
- 制订因特网的正式标准要经过以下4个阶段：
- 因特网草案（在这个阶段还不是RFC文档）
- 建议标准（从这个阶段开始就成为RFC文档）
- 草案标准
- 因特网标准
1.2.4、因特网的组成
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。
核心部分：
由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为编边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。
注意：路由器是一种专用计算机，但我们不称它为主机。路由器是实现分组交换的关键构建，其任务是转发收到的分组。
1.3、三种交换方式
1.3.1、电路交换（Circuit Switching）
背景分析：
在电话问世后不久，人们就发现，要让所有的电话机都两两相连接是不现实的。
——例如：两部电话只需要用一对电线就能够互相连接起来。
但若有5部电话要两两相连，则需要10对电话线：
当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电话线数量就太大了。
——例如，如果有n部电话机需要两两相连，那么一共需要多少对电线呢？
——答案是：（n-1）/2；
于是，人们认识到，要使得每一部电话能够很方便地和另一部电话进行通信，就应当使用一个中间设备将这些电话连接起来，这个中间设备就是电话交换机。
可以把电话交换机简单地看成是一个有多个开关的开关器，可以将需要通信的任意两部电话的电话线按需接通，从而大大减少了连接的电话线数量。
- 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换；
- 从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按照某种动态地分配传输线路的资源；
- 电路交换的三个步骤：
（1）建立连接（分配通信资源）
例如：在使用电路交换打电话之前，必须先拨号请求建立连接。当被叫用户听到电话交换机送来的拨号音并摘机后，从主叫端到被叫端就建立了一条连接，也就是一条专用的物理通路。这条连接保证了双方通话时所需的通信资源，而这些资源在双方通信时不会被其他用户占用。
（2）通话（一直占用通信资源）
第二步是通话，也就是主叫和被叫双方互相通话。在整个通话期间，第一步建立连接所分配的通信资源始终被占用。
（3）释放连接（归还通信资源）
通话完毕挂机后，电话交换机释放刚才使用的这条专用的物理通路。换句话说，是把刚才占用的所有通信资源归还给电信网。
思考题： 如果使用电路交换来传送计算机数据，是否可行？
答：——尽管采用电路交换机可以实现计算机之间的数据传送，但是，线路的传输效率往往很低。
——这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的。当用户正在输入和编辑一份待传输的文件时，用户所占用的通信资源暂时未被利用，该通信资源也不能被其他用户利用。宝贵的通信线路资源白白的被浪费了。因此，计算机网络通常采用分组交换，而不是电路交换。
1.3.2、分组交换（Packet Switching）
假设这是因特网的一部分，在因特网中，最重要的分组交换机就是路由器（图中的R1,R2,R3,R4,R5)。它负责将各种网络互连起来，并对接收到的分组进行转发，也就是进行分组交换。
例子
假设主机H6的用户要给主机H2的用户发送一条信息，通常我们把表示该信息的整块数据称为一个报文。
在发送报文之前，先把较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段。
在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组，也可简称为“包”，相应地，首部也可成为“包头”。
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思考题：添加首部的作用是什么？这不是额外加大了待传输的数据量吗？
答——实际上，首部起着非常关键的作用。 首先，首部中肯定包含了分组的目的地址，否则分组传输路径中的各组分组交换机（也就是各路由器）就不知道如何转发分组了。
——分组交换机收到一个分组后，先将分组暂时存储下来，再检查其首部，按照首部中的目的地址进行查表转发，找到合适的转发接口，通过该接口将分组转发给下一个分组交换机。
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在本例中，主机H6将所构造出的各分组依次发送出去，各分组经过途中各分组交换机的存储转发，最终到达主机H2.
主机H2收到这些分组后，去掉它们的首部，将各数据段组合还原出原始报文。
需要说明的是，为了便于理解，在本例中，我们只演示出了分组传输过程中的两种情况：
一种是各分组从源站到达目的站可以走不同的路径（也就是不同的路由）；另一种是分组乱序，也就是分组到达目的站的顺序不一定与分组在源站的发送顺序相同。对于可能出现的分组丢失、误码、重复等问题并没有演示。
对上述例子的一些解释
在上述的分组交换过程中，发送方所要完成的任务是构造分组和发送分组；路由器（也就是分组交换机）所要完成的任务是缓存分组和转发分组，简称为“存储转发”；接收方所要完成的任务是接收分组和还原报文，与分组交换类似，报文交换中的交换结点也采用存储转发方式。但报文交换对报文的大小没有限制，这就要求交换节点需要较大的缓存空间。
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需要注意的是：报文交换主要用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。不需要过多描述。
1.3.3、电路交换、报文交换、分组交换的对比
假设A、B、C、D是分组传输路径上所要经过的4个结点交换机，纵坐标为时间。
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电路交换：通信之前首先要建立连接；连接建立好之后，就可以使用已建立好的连接进行数据传送；数据传送结束后，需要释放连接，以归还之前建立连接所占用的通信线路资源。
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报文交换：可以随时发送报文，而不需要事先建立连接；整个报文先传送到相邻结点交换机，全部存储下来后进行查表转发，转发到下一个结点交换机。
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分组交换：可以随时发送分组，而不需要事先建立连接。构成原始报文的一个个分组，依次在各结点交换机上存储转发。各节点交换机在发送分组的同时，还缓存接收到的分组。
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当使用电路交换时，一旦建立连接，中间的各结点交换机就是直通形式的，比特流可以直达终点；
当使用报文交换时，整个报文需要在各结点交换机上进行存储转发，由于不限制报文的大小，因此需要各结点交换机都具有较大的缓存空间。
当使用分组交换时，构成原始报文的一个个分组，在各结点交换机上进行存储转发，相比报文交换，减少了转发时延，还可以避免过长的报文长时间占用链路，同时也有利于进行差错控制。
电路交换的优缺点 优点 缺点 （1）通信时延小 （1）建立连接时间长 （2）有序传输 （2）线路独占，使用效率低 （3）没有冲突 （3）灵活性差 （4）适用范围广 （4）难以规格化 （5）实时性强 （6）控制简单 优缺点的解释：
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优点：
（1）通信时延小：这是因为通信线路为通信双方用户专用，数据直达，因此通信实验非常小。当连续传输大量数据时，这一优点非常明显。
（2）有序传输：这是因为通信双方之间只有一条专用的通信线路，数据只在这一条线路上传输，因此不存在失序问题。
（3）没有冲突：不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题。
（4）适用范围广：电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。
（5）实时性强：得益于通信时延小的优点。
（6）控制简单：电路交换机的结点交换机及其控制都比较简单。
缺点：
（1）建立连接时间长：电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长；
（2）线路独占，使用效率低：电路交换一旦建立，物理通路就被通信双方独占，不能给其他线路提供资源，故效率低。
（3）灵活性差：只要在连接过程中出现了一点故障，就需要重新建立连接，对通信及其不利。
（4）难以规格化：因为是电路直达的，期间终端的不同，导致传输不同，使得差错难以控制。
优点的一些过程解释：
报文交换的优缺点 优点 缺点 1）无需建立连接 1)引起了转发时延 2）动态分配线路 2）需要较大存储缓存空间 3）提高线路可靠性 3）需要传输额外的信息量 4）提高线路利用率 5）提供多目标服务
2）动态分配线路：当发送方把报文传送给结点交换机时，结点交换机先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去。
3）提高线路可靠性：如果某条传输路径发生故障，会重新选择另一条路径传输数据，因此提高了传输的可靠性。
4）提高线路利用率：通信双方不是固定占用一条通信线路，而是在不同的时间分段部分占用物理线路，因而大大提高了通信线路的利用率。
5）提供多目标服务：一个报文可以同时发送给多个目的地址。
分组交换的优缺点 优点 缺点 1）无需建立连接 1）引起了转发时延 2）线路利用率高 2）需要传输额外的信息量 3）简化了存储管理 3）对于数据报服务，存在
失序、丢失或重复分组的问
题；对于虚电路服务，存在
呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程
4）加速传输 5）减少出错概率和重发数据量
1.4、计算机网络的定义和分类
1.4.1、计算机网络的定义
- 计算机网络的精确定义并未统一
- 计算机网络的最简单的定义是：一些互相连接的、自治的计算机的集合。
- 互连 是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信。
- 自治 是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用。
- 集合 是指至少需要两台计算机；
计算机网络的较好的定义是：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特地目的（例如、传输数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应有。
- 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机等智能硬件。
- 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很大种的应用（包括今后可能出现的各种应用）。
1.4.2、计算机网络的分类
1.5、计算机网络的性能指标
看这些性能的前提下，先看——————比特
性能之一：速率
速率的例子：
性能指标之一——带宽
网络性能指标之一——吞吐量
性能指标之一——时延
时延的例子：
注意：想要知道是谁占据了主导地位，必须具体情况具体分析。
网络性能指标之一——时延带宽积
网络性能指标之一——往返时间
注意：因为卫星离地球太远，传输需要时间。
网络性能指标之一——利用率
网络性能指标之一——丢包率
1.6、计算机网络体系结构
1.6.1、常见的计算机网络体系结构
对上述的右边图描述：IP协议可以将不同的网络接口进行互连，并向其上的TCP协议和UDP协议提高网络互连服务，而TCP协议在享受IP协议提供的网络互连服务的基础上，可向应用层的相应协议提供可靠传输的服务。UDP协议在享受IP协议提供的网络互连服务的基础上，可向应用层的相应协议提供不可靠传输的服务。
1.6.2、计算机网络体系结构分层的必要性
1.6.3、计算机网络体系结构分层思想举例
整体框架模型
问：体系结构的各层，在整个过程中起到怎样的作用呢？
——从主机端按体系结构自顶向下的顺序来看：
应用层按HTTP协议的规定，构建一个HTTP请求报文，应用层将HTTP请求报文交付给运输层处理。HTTP报文内如如下：
运输层给HTTP请求报文添加一个TCP首部，使之成为TCP报文段。TCP报文段的首部格式如下，该首部的作用主要是为了区分应用进程、以及实现可靠传输。运输层将TCP报文段交付给网络层处理。
网络层给TCP报文段添加一个IP首部，使之成为IP数据报。（IP数据包的首部格式如下所示），该首部的主要作用是为了使IP数据报可以在互连网上传输，也就是被路由器转发。网络层将IP数据报交付给数据链路层处理。
数据链路层给IP数据报添加一个首部和一个尾部使之成为帧，假设网络N1是以太网，以太网首部的格式如下；该首部的作用主要是为了让帧能够在一段链路上或一个网络上传输，能够被相应的目的主机接受。
以太网的帧尾部格式如下：其作用是为了让目的主机检查所接受到的帧是否有误码。数据链路层将帧交付给物理层。
