计算机网络

计算机网络复习

最近在复习计算机网络这门课，复习之余把自己遇到的问题和自己的学习笔记分享给大家。有配套的本章练习题，如有需要请在评论区回复或者私信我。

重点概览

1. 互联网的边缘部分和核心部分的作用，其中包含的分组交换的概念。
2. 计算机网络的性能指标。
3. 计算机网络分层次的体系结构，包含服务和协议的概念。

1.1 计算机网络在信息时代的作用

21世纪的重要特征是数字化，网络化和信息化，它是一个以网络为核心的信息时代。网络现在已经成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础。
三大网络：电信网络，有线电视网络和计算机网络。

随着技术的发展，电信网络和有线电视网络都逐渐融入了计算机网络中，扩大了原有的服务范围，而计算机网络也能够向用户提供电话通信，视频通信以及传送视频节目的服务。
Internet最初是仅供美国人使用的免费教育科研网络，目前是供全球使用的商业网络。Internet现有的中文译名有两个

（1）因特网（协会规定，但未得到正式推广）
（2）互联网（最流行，使用最广泛的）
注意：对于局部范围内连接起来的网络称为互连网
互联网是指使用了TCP/IP协议的互连网

互联网的两个重要特点：连通性和共享性

1.2 互连网概述

1.2.1网络的网络

首先给出网络，互连网，互联网（因特网）的概念：

网络：由若干节点和连接在这些**节点**上的**链路**组成。（节点可以是计算机，集线器，交换机，路由器等设备，后续将会介绍）
互连网：有许多网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的网络，这样的网络成为互连网（**网络的网络**）
互联网：互联网是指使用了**TCP/IP协议**的互连网

注意：下图第一个为一个简单的网络，第二个为互连网。

1.2.2互连网的三个发展阶段

1. 1969-1990年：从一个单个的网络ARPANET向互连网逐渐发展。
2. 198501993年：三级互联网：校园网，地区网，主干网
3. 1993-现在：全球范围多层次ISP结构互连网

多层次ISP结构互连网：
ISP（互连网服务提供商）
主干ISP，地区ISP，本地ISP
互联网交换点：IXP(允许两个网络直接相连并交换分组）

1.2.3互联网的标准化工作

制定互联网标准的三个步骤：

1. 互联网草案
2. 建议标准
3. 互联网标准

1.3互联网的组成

从工作方式上分，互联网可以划分为两大块：

1. 边缘部分 由所有连接在互联网上的主机构成，这部分是用户直接使用的。
2. 核心部分由大量的网络和连接在网络上的路由器组成，为边缘部分提供服务。

1.3.1互联网的边缘部分

互联网上计算机之间的通信是两台主机进程的通信。

1. 客户-服务器模式
   客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
   客户：主动发起通讯，必须知道服务器程序的目的地址
   服务器：被动接受通信，可同时处理多个请求；不需要知道客户的目的地址；需要强大的硬件和软件支持

2. 对等连接方式（P2P）只要运行了P2P程序

1.3.2互联网的核心部分

起到重要作用的是路由器，它是实现分组交换的重要构建，它的任务是转发分组。
1.电路交换：建立连接-通话-释放连接
电路交换的特点：通信过程中始终占用通信资源，利用率低
2.分组交换：采用存储转发的技术（要发送的数据是一个报文，将报文划分为一个个的分组）
分组交换的过程：
1.将数据分为若干个等长的数据段
2.在每个数据段前添上首部构成一个分组，又称包头
3.路由器根据首部里的目的地址进行转发分组
4.收到分组后剥离首部，又拿到数据部分

分组交换过程中，分组到哪个链路，占用哪段链路的资源，不需要建立和释放连接，分组有多种选择路径，当一条链路出现故障，根据路由选择协议，可以选择其他路径。

分组交换的优点

3.报文交换：也采用了存储转发原理，比分组交换要早产生，一次转发整个报文

三种交换方式的比较：
当连续传送大规模数据时，传输时间远大于建立连接的时间，因此使用电路交换效率更高
报文交换和分组交换更加灵活，遇到故障可以选择其他路径，利用率高。
分组交换相较于报文交换时延更小，更灵活

1.5 计算机网络的类别

1.6 计算机网络的性能指标

1.6.1 计算机网络的性能指标

• 速率（数据传送速率，比特率）单位bit/s或bps
  k=10^3=千
  M=10^6=兆
  G=10^9=吉
  T=10^12=太

• 带宽 （1）带宽的本来含义时某个信号具有的频带宽度，单位是赫
  （2）单位时间内网络中某信道所能通过的最高数据率，单位bit/s

• 吞吐量 单位时间内通过某个网络的实际数据量

• 时延 是指数据从网络的一端到另一端所需要的时间
  发送时延：从发送数据帧的第一个比特开始到最后一个比特发送完毕所需要的时间
  

  传播时延电磁波在信道中传输一定的距离所要花费的随时间
  
  处理时延主机或路由器收到分组时，为处理分组所花费的时间
  排队时延分组在路由器输出队列中排队等待处理和转发的过程中经历的时延
  
  高速网络链路只是提高了数据的发送速率，缩短了发送时延，与传播时延没有关系

• 时延带宽积=传播时延X带宽

• 往返时间PTT表示从发送完数据到收到来自接收方的确认信息所需的时间

• 

• 利用率分为信道利用率和网络利用率
  注意：当信道利用率不断提高，时延也在急剧增加

1.6.2 计算机网络的非性能特征

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 可扩展性和可升级性
• 易于维护和管理

1.7 计算机网络体系结构

1.7.1计算机网络结构体系的形成

两种体系结构：
法律上的国际标准OSI
实际的国际标准TCP/IP
OSI当时之所以没有获得广泛使用是因为当时已经开始大规模使用TCP/IP了，OSI没有了商业驱动，并且OSI划分的过于精细，运行效率低，协议的制定耗时太久，且分层不合理。

1.7.2 协议与划分层次

网络协议：简称协议，是为了进行网络中的数据交换，而建立的一些规则，标准或约定。

三个组成要素：语法，语义，同步
网络协议是计算机网络中不可或缺的组成部分。

协议的两种表现形式：1.便于人阅读和理解的文字描述，2.让计算机能够理解恶的程序代码。
划分层次的优点：各层之间是独立的，灵活性好，结构上可分割开，易于实现和维护，能够促进标准化工作。若层次太少，则每一层的协议太复杂，若层次太多，则在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。
划分层次的缺点：有些功能在层次中重复出现，产上了额外的开销。

各层需要完成的一些功能：

1. 流量控制
2. 差错控制
3. 分段和重装
4. 复用和分用
5. 连接建立和释放
   网络的体系结构就是计算机网络的各层及其协议的集合，换种说话，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义。
   体系结构是抽象的，而实现是具体的，是真正正在运行的计算机硬件和软件。

1.7.3 具有五层协议的体系结构

为了方便学习，我们将网络体系结构分成了五层，也就是第三个。

1. 应用层
   任务：通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用。
   协议：定义的是应用进程间的通信和交互规则。
   应用层交互的数据单元是报文。
   进程就是指主机中正在运行的程序。

2. 运输层
   任务：负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输协议。
   协议：
   传输控制协议TCP，提供面向连接的，可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段。
   用户数据报协议UDP，提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务，其数据传输的单位是用户数据报。

3. 网络层
   负责为分组交换网上不同的主机提供通信服务。
   任务：1.通过一定的算法，在每一个路由器上生成一个转发表。2.通过转发表转发收到的分组。
   协议：无连接的网际协议IP和许多种路由选择协议。

4 数据链路层

任务：实现两个相邻节点之间的可靠通信。把网络层交下来的IP数据报封装成帧，并在两节点之间的链路上传送帧。如果有差错就简单的丢弃帧。

5. 物理层

物理层上所传输的数据的单位是比特，即0或1。
考虑用多大的电压代表0和1，确定连接电缆的插头应当有多少根引脚，以及各引脚应当如何连接。
主机A与B的实际通信过程。

PDU：对等层次之间的数据单元。

1.7.4实体，协议，服务和服务访问点

实体：表示任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。
协议：控制两个对等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。要实现本层协议，还要使用下层所提供的服务。

在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)的地方，通常称为服务访问点SAP(Service Access Point)。
SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。
OS1把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU(Service Data Unit).
SDU可以与PDU不一样。
例如：可以是多个SDU合成为一个PDU,也可以是一个SDU划分为
几个PDU.

1.7.5 TCP/IP体系结构