计算机网络——第一章概述（上） 互联网概述
参考教材：谢希仁 计算机网络（第7版）
视频资源：计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）_哔哩哔哩_bilibili
目录
1. 计算机网络在信息时代的作用
2. 互联网概述
2.1 网络、互联网与因特网
2.2 互联网基础结构发展的三个阶段
2.3 因特网服务提供者ISP（Internet Service Provider）
2.4 因特网的标准化工作
3. 因特网的组成
4.交换方式
4.1 边缘部分的交换方式
1.客户-服务器方式（C/S方式）
2.对等连接方式（P2P）
4.2 核心部分的交换方式
1. 电路交换（Circuit Switching）
2. 分组交换（Packet Switching）
3. 报文交换（Message Switching）
4. 三种交换方式对比
5. 计算机网络的定义与分类
5.1 定义
5.2 分类
1. 按照交换技术分类
2. 按使用者分类
3. 按传输介质分类
4. 按覆盖范围分类
5. 按拓扑结构分类
1. 计算机网络在信息时代的作用
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2. 互联网概述
2.1 网络、互联网与因特网
网络：网络（Network）由若干节点（Node）和连接这些节点的链路（Link）组成。
互联网：多个网络可通过路由器连接起来，构成更大的网络，即互联网。因此互联网也被称为网络的网络（Network of Networks）。
因特网：因特网（Internet）是世界上最大的互联网络。
internet与Internet的区别
internet（互联网）是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的网络，网络间的通信协议可以是任意的。
Internet（因特网）是一个专有名词，特指因特网，采用TCP/IP协议作为通信规则。前身是美国的ARPANET。
2.2 互联网基础结构发展的三个阶段
第一阶段 从单个网络向ARPANET发展
- 1969年，第一个分组交换网ARPANET
- 70年代中期，研究多种网络之间的互联
- 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 逐步建成三级结构的因特网
- 1985年，NSF围绕六个大型计算机中心建设NSFNET（National Science Foundation NETwork）（三级网络结构，主干网、地区网和校园网）
- 1990年ARPANET任务完成，正式关闭
- 1991年，为扩大因特网使用范围，美国政府将因特网的主干网络转交给私人公司来运营，并对接入网络的单位收费。
第三阶段 逐步形成多层次的ISP结构的因特网
- 1993年，NSFNET逐渐被若干个商用因特网主干网取代；因特网服务提供者ISP（Internet Service Provider）代替政府机构负责因特网运营。
- 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。
2.3 因特网服务提供者ISP（Internet Service Provider）
ISP可以从因特网管理机构申请到大量IP地址，且拥有通信线路及路由器等联网设备。任何机构和个人只要缴纳规定费用，就可从ISP得到所需要的IP地址。拥有IP地址后就可通过该ISP接入到因特网
我国著名的ISP是中国电信、中国联通和中国移动三大电信运营商。
ISP的分级：
根据提供服务的覆盖面积与拥有的IP地址数量，可将ISP分为不同的层次
- 第一层ISP级别最高，被称为因特网主干网，一般具有国际性覆盖规模， 拥有高速链路和交换设备，第一层ISP之间直接互联。
- 第二层ISP和一些大公司是第一层ISP的用户，具有区域性或国家性覆盖规模，与少数第一层ISP相连接。
- 第三层ISP又被称为本地ISP，是第二层ISP的用户，只拥有本地范围的网络。校园网、企业网、住宅用户与无线移动用户，都是第三层ISP的用户。
ISP分层示意图
2.4 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。
因特网在指定其标准上的特点为面向公众。
- 因特网所有的RFC（Request For Comments）技术文档都可从因特网上免费下载；（http://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（Internet Society）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（Internet Architecture Board），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。
标题因特网协会结构
制定因特网的正式标准要经过以下4个阶段：
- 因特网草案（还不是RFC文档）
- 建议标准（成为RFC文档）
- 草案标准
- 因特网标准
只有一小部分RFC文档最后可以成为因特网标准
3. 因特网的组成
以功能进行划分，可分为边缘部分与核心部分
边缘部分
- 由所有链接在因特网上的主机（大型服务器、电脑、手机）组成，这部分由用户直接使用，进行通信（传送数据、音频或视频）与资源共享。
“主机A与主机B进行通信” 指的是 “主机A的某个进程与主机B的另一个进程进行通信”
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（提供连通性与交换）
在核心部分起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机，但不称它为主机。路由器是实现分组交换的关键构件，任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。
边缘主机是为用户进行信息处理的；路由器则是用来转发分组的，即进行分组交换的。 分组交换将在下面进行详细介绍。
互联网组成
4.交换方式
按照因特网组成对交换方式进行分类
4.1 边缘部分的交换方式
1.客户-服务器方式（C/S方式）
客户是服务请求方，服务器是服务提供方。客户向服务器发出服务请求，服务器向客户提供服务。
客户-服务器工作方式
客户程序：
- 被用户调用后运行，通信时主动发起通信（请求服务）。客户程序必须知道服务器程序的地址。
- 不需要特殊的硬件和操作系统。
服务器程序：
- 是专门用来提供服务的程序，可同时处理多个客户的请求。
- 系统启动后即自动调用并不断运行，被动等待客户的通信请求。服务器程序不需要知道客户程序的地址。
- 需要强大的硬件与高级操作系统支持。
2.对等连接方式（P2P）
对等连接（peer-to-peer，简写为P2P）。可视为特殊的客户服务器连接，连接中的每台主机既可作为客户又可作为服务器。
对等连接工作方式
4.2 核心部分的交换方式
1. 电路交换（Circuit Switching）
电话刚问世时，要与其他的电话通话需要电话线连接，而需要的电话线会随着电话数量的增加而指数级上升，因此人们使用电话交换机将电话连接起来，大大减少了电话线的数量。
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）就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源。
电路交换的三个步骤：
- 建立连接（分配通信资源），即拨号后被接听
- 通话（一直占用通信资源），双方使用电话通话
- 释放连接（归还通信资源） ，挂断电话
由于在通话时，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源，使用电路交换传送计算机数据时，线路的传输效率很低。因为计算机数据是突发式的出现在传输线路上的，被占用的通话资源在大部分时间都是空闲的。比如用户在阅读一段信息，在信息传递结束后还要一直占用通信资源。
2. 分组交换（Packet Switching）
分组交换采用存储转发技术，将待发送的整块数据称为一个报文（message），将完整的报文划分为几个等长的数据段，并加上一些必要的控制信息组成的首部（header），就构成了一个分组（packet）。分组也称为“包”，首部也称为“包头”。首部包括目的地址与源地址等重要控制信息，使每个分组可以正确的交付到终点。
报文与分组
路由器收到分组后，暂时存储下来，检查首部并按照目的地址进行查表转发，找到合适的转发接口，通过该接口转发给下一个路由器。分组到达目的地后，被去掉首部，按照顺序组合为原始报文。
分组从源站出发到达目的站可以经过不同的路由（走不同的路径），分组到达目的站的顺序不一定与发送顺序相同。
在分组交换的过程中，发送方需要构造分组并发送分组；路由器需要缓存分组并转发分组；接收方需要接受分组并还原报文。
网络核心部分与其简化表示
当我们讨论路由器转发分组的过程时，可把单个网络简化为一条链路，路由器转化为结点，如上图所示。
3. 报文交换（Message Switching）
与分组转发的转发方式类似，不同之处在于报文交换不进行分组，将整个报文传送到相邻节点，全部储存下来后才查找转发表，转发到下一个节点。要求交换节点拥有较大的存储空间。
4. 三种交换方式对比
P1~P4代表报文分组
| 优点 | 缺点 |
| 通信时延小（用户专用，数据直达） | 建立连接时间长（对计算机通信来说） |
| 有序传输（只在一条线路上传输不会失序） | 线路独占，使用效率低 |
| 没有冲突（通信建立即是专线，不会争用物理信道） | 灵活性差（连接中任何一点故障都要重新连接） |
| 适用范围广（可传输模拟信号与数字信号） | 难以规格化（不同标准的终端很难互相通信，可以理解为一个说中文一个说英文） |
| 实时性强（时延小） | |
| 控制简单 |
| 优点 | 缺点 |
| 无需建立连接（不用预先建立通信线路，可随时发送报文） | 存在转发时延（需要存储转发） |
| 动态分配线路（路由器可选择空闲线路转发） | 需要较大存储缓存空间（对报文大小没有限制） |
| 线路可靠性高（一条路径故障可以换另一条） | 需要传输额外信息量（添加了首部信息） |
| 线路利用率高（不用固定占用通信线路） | |
| 提供多目标服务（一个报文可同时发送给多个目的地址） |
| 优点 | 缺点 |
| 无需建立连接（不用预先建立通信线路，可随时发送报文） | 存在转发时延（需要存储转发） |
| 线路利用率高（不用固定占用通信线路） | 需要传输额外信息量（添加了首部信息） |
| 易于存储管理（分组为固定长度） | 对于数据报服务可能会出现失序、丢失或重复分组的问题 |
| 加速传输（后一个分组的存储操作可与钱一个分组的转发操作同时进行） | 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 |
| 减少出错概率与重发数据量（分组比报文小；出错只需传输出错分组） |
5. 计算机网络的定义与分类
5.1 定义
计算机网络的精确定义并未统一，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：指计算机之间可通过有线或无线方式进行数据通信；
- 自治：指独立的计算机，它有自己的软硬件，可以单独运行使用；
- 集合：至少需要两台计算机。
较好的定义：计算机网络是由一些通用的、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定目的（如传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛和日益增长的应用。
- 计算机网络连接的硬件不限于计算机，还包括智能手机等智能硬件。
- 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用（包括今后可能出现的应用）。
5.2 分类
1. 按照交换技术分类
- 电路交换网络
- 报文交换网络
- 分组交换网络
2. 按使用者分类
- 公用网（缴纳费用就可使用）
- 专用网（如军队、铁路系统的网络）
3. 按传输介质分类
- 有线网络（光纤）
- 无线网络（WiFi）
4. 按覆盖范围分类
- 协议不同。
- 广域网WAN（Wide Area Network）覆盖国家、地区甚至横跨几个洲；任务是为核心路由器提供远距离（如跨国）的高速连接，连接不同区域的城域网和局域网。点对点技术。
- 城域网MAN（Metropolitan Area Network）覆盖城市范围，通常作为城市骨干网，互联企业、机构和校园局域网。
- 局域网LAN（Local Area Network）覆盖如一个实验室、一幢楼、一个校园内等。传播技术。
- 个域网PAN（Personal Area Network）连接个人设备，如打印机、鼠标、键盘、耳机等，使用无线技术连接起来的网络。也被称为无限个人区域网WPAN（Wireless Personal Area Network）
5. 按拓扑结构分类
- 总线型网络：使用单根传输线（总线）连接计算机。优点：建网容易、增减节点方便、节省线路；缺点：重负载时效率不高，可靠性低（总线故障全网瘫痪）。
总线型网络
- 星型网络：每个计算机都以单独线路与中央设备相连。优点：便于集中控制和管理（需要经过中央设备）；缺点：成本高，中央设备对故障敏感。
星型网络
- 环形网络：将所有计算机的网络接口连接成一个环，如令牌环局域网。可以是单环和双环，环中信号单向传输。
环形网络
- 网状型网络：一般每个节点至少由两条路径与其他节点相连，多用在广域网中。优点：可靠性高；缺点：控制复杂、线路成本高。
网状型网络