计算机网络——第一章 概述

计算机网络的作用

• 由通信基础设施发展为信息服务基础设施
• 不可或缺

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因特网概述

网络、互联网、因特网基本概念 #重点

• 网络是由若干结点和连接结点的链路组成
• 多个网络通过路由器互联 -> 互联网（网络的网络）（internet）
• 因特网——世界上最大的互联网络（Internet）
  大写I——专有名词，TCP/IP协议：因特网；小写i：通用名词，泛指多个计算机网络互联而成的网络，不要求通信协议。

因特网发展的三个阶段 #重点

1.单个网络ARPANET向互联网发展

1. 1969，第一个分组交换网ARPANET
2. 70年代中，多个网络间互联
3. 1983，TCP/IP作为ARPANET标准协议；因特网诞生时间

2.逐步建成三级结构的因特网

1. 1985，NFS围绕6个大型计算机中心建设NSFNET（主干网、地区网、校园网）
2. 1990，ARPANET关闭
3. 1991，因特网主干网由私人公司经营，对接入因特网单位开始收费

3.逐步形成多层次LSP结构的因特网

1. 1993，因特网由各种因特网服务特供者ISP运营；
2. 1994，万维网WWW技术使因特网迅猛发展；
3. 1995，NSFNET停止运作，因特网彻底商业化。

因特网服务提供者ISP

个人&机构从ISP处获取需要的IP地址，从而能通过该ISP接入因特网。

基于ISP三层结构的因特网

1. 第一层ISP服务面积最大，称为因特网主干网，覆盖国际性区域范围，第一层ISP之间直接互联；

2. 第二层ISP为第一层ISP的用户，区域性或国家性覆盖规模，与少数第一层ISP相连接；

3. 第三层ISP为本地ISP，是第二层的用户，只有本地范围的网络（校园、企业、住宅、无线移动用户网）。
   

   一个ISP可以很方便的在因特网拓补上增添新的层次及分支。

因特网标准化工作（了解）

• 作用重要

• 因特网制定标准的特点——面向公众
  所有RFC技术文档免费下载
  电子邮件随时发表意见

• 因特网协会ISOC管理因特网、促进其发展
  因特网体系结构委员会IAB——开发管理因特网有关协议
  因特网工程部IETF——中短期工程问题，针对协议开发和标准化
  因特网研究部IRTF——理论研究、开发+长期问题
  关系图：
  

• 制定因特网标准4阶段

  1. 因特网草案（不是RFC文档）
  2. 建议标准（开始成为RFC文档）
  3. 草案标准
  4. 因特网标准
     只有少部分RFC文档才成为因特网标准

因特网的组成（了解）

1. 边缘部分——所有连接在因特网的主机组成，用户直接使用，用来通信/资源共享
2. 核心部分——大量网络和连接网络的路由器组成，为边缘部分提供服务（连通性和交换）
   • 核心部分中，路由器起特殊作用，是专用计算机，是实现分组交换的关键构件，转发收到的分组
     

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三种交换方式

电路交换

电路交换

电话交换机接通电话线的方式

交换

按某种方式动态分配传输线路的资源

电路交换步骤

1. 建立连接——分配通信资源
2. 通话——占用通信资源（上述分配的通信资源）
3. 释放连接——归还通信资源
   当使用电路交换传送计算机数据——效率极低：因为计算机数据突发性出现的，如当用户正在输入中时，通信资源被大大占用。

分组交换 #重点

1. 发送方（H6）：报文分段（得到包/报文段）->添加首部->发送；构造分组、发送分组
2. 经路由器及交换节点等，进行存储转发；缓存分组、转发分组
3. 接收方（H2）：接受报文段->去除首部->恢复完整报文==接收分组、还原报文==
   

交换节点采用存储转发方式，需要交换节点有较大储存空间
分组交换——常用来传送计算机数据

报文交换

交换节点采用存储转发方式；
不常用

三种交换对比

1.电路交换

优点

1. 通信时延小：通信线路是通信双方专用，数据直达，通信时延小；数据量大时适用；
2. 有序传输：通信双方间仅一条通信线路，无失序问题；
3. 没有（物理信道）冲突：不同的通信双方有不同信道；
4. 适用范围广：模拟、数字信号都适用；
5. 实时性强：由“通信时延小“决定；
6. 结点交换机及其控制简单。

缺点

1. 建立连接时间长；
2. 线路使用效率低；
3. 灵活性差：物理通路有故障时，必须重新来建立连接；
4. 难以规格化：数据直达，不同类型、规格、速率终端不易进行通信，难进行差错控制。

2.报文交换

优点

1. 无需建立连接
2. 动态分配线路：报文发送到结点，先存储，再找到空闲线路转发
3. 提高线路可靠性：路径故障，换路径
4. 提高线路利用率
5. 提供多目标服务：一个报文可以送到多个目的地

缺点

1. 转发时延：在结点处存储转发，存在转发时延
2. 需较大存储缓存空间：报文交换不限制报文大小
3. 需传输额外信息量：报文需携带目的地址、源地址等信息

3.分组交换 #重点

优点

1. 无需建立连接
2. 线路利用率高
3. 简化存储管理
4. 加速传输：分组逐个传输，故前一分组的转发和后一分组的存储可以同时进行
5. 减少出错概率和重发数据量：分组数据长度小->出错概率低；分组出错只需要重传分组->重发数据量小

缺点

1. 转发时延：节点交换机存储转发
2. 传输额外信息量
3. 对于数据报服务，存在失序、丢失、重复分组问题；分组到达目的结点时，需还原原始报文，麻烦
   对于虚电路服务，存在呼叫建立、数据传输、虚电路释放三过程

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计算机网络的定义和分类

计算机网络的定义

• 精确定义未统一
• 简单定义：一些相互连接的、自治的计算机的集合
  互连——计算机之间有线/无线方式进行数据通信
  自治——独立的计算机有自己的软硬件，可单独运行使用
  集合——至少两台计算机
• 现阶段较好定义：由通用、可编程硬件互连而成，这些可编程硬件可用来传送不同类型数据，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一般的计算机，包括其他智能硬件
  计算机网络支持多种应用，不限于数据传送

计算机网络的分类

按交换技术

1. 电路交换网络
2. 报文交换网络
3. 分组交换网络

按使用者

1. 公用网/公众网——交钱就行
2. 专用网——只对本单位内部人员提供服务

按传输介质

1. 有线网络
2. 无线网络——eg.WiFi

按覆盖范围

1. 广域网WAN：覆盖国家、地区性范围；
2. 城域网MAN：覆盖城市；5~50km；城市骨干网；
3. 局域网LAN：速率10Mbit+；范围小——1km左右；校园网、企业网
4. 个域网PAN：不用于连接普通计算机，用于在个人工作地点连接个人使用的电子设备；10m
   若中央处理机之间距离非常近（1m左右或以下），则称为多处理机系统

按拓补结构

1. 总线型网络：
   定义：通过单根传输线连接计算机；
   优点：建网容易、增减节点方便、节省线路；
   缺点：重负载时通信效率不高、总线任意一处出现故障则全网瘫痪。、
   

2. 星形网络
   定义：每个计算机都用单独的线路与中央设备相连（现在一般是路由器）
   优点：便于网络的集中控制和管理
   缺点：成本高，中央设备故障敏感
   

3. 环形网络
   定义：将所有计算机网络接口连接成一个环（eg.令牌环局域网）
   

4. 网状型网络
   定义：每个结点至少由两条路径与其他结点相连，多用于广域网
   优点：可靠性高
   缺点：控制复杂、线路成本高
   

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计算机网络性能指标

• 用来度量计算机网络性能
• 常用性能指标：速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间（RTT)、利用率、丢包率
  比特（bit/b）
  定义：数据量、信息量单位，一个比特即二进制中一个0/1；
  常用数据量单位：
  
  KB的K为大写
  数据量单位数值底数为2

速率

• 定义：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，又称为比特率/数据率
• 常用数据率单位
  
  数据率单位数值底数为10
  注意区分数据率单位和数据量单位的区别！！

带宽

• 定义（模拟信号系统）：信号包含的不同频率成分占据的频率范围
• 单位：Hz、kHz、MHz、GHz……
• 定义（计算机网络）：网络的通信线路所能传送数据的能力；网络带宽表示在单位时间内从网络中某一点到另一点能通过的最高数据率
• 单位：b/s等
• 两种定义关系：通信线路频带越宽，其能通过的最高数据率越高

吞吐量

• 定义：吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
• 意义：吞吐量被经常用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上能通过网络的数据量。
• 吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制。

时延

网络时延构成：

1. 发送时延：
   产生：分组To传输线路；
   计算：发送时延 = 分组长度(b) / 发送速率(b/s)
   发送速率决定因素：网卡发送速率、信道带宽、接口速率等
   发送速率 = min[网卡发送速率，信道带宽，交换机或路由器的接口速率]
2. 传播时延（一般有多个）：分组电信号在线路上；
   计算：传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波传播速率(m/s)
   电磁波传播速率决定因素：传输介质
   电磁波传播速率：
   - 自由空间：3 * 10^8 m/s
   - 铜线电缆：2.3 * 10^8 m/s
   - 光纤电缆：2.0 * 10^8 m/s
3. 排队时延+处理时延（一般有多个）：结点存储转发；
   计算：不方便计算，没有简单统一的公式，在计算总时延时一般忽略。
   另外，在处理时延不计的情况下，主导时延是哪个不一定

时延带宽积

• 计算：
  时延带宽积=传播时延*带宽*
• 若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发送了时延带宽积个比特；
  
  可将时延带宽积看成图中管道的体积。
• 链路的时延带宽积,又称为以比特为单位的链路长度。
  答：链路的时延带宽积 = ==链路上可容纳的最大比特数 === 在网络中可以在任何时刻保持的数据量的上限

往返时间（RTT）

• 意义：
  在许多情况下，因特网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互；我们有时很需要知道双向交互一次所需的时间。
  往返时间RTT也是一个重要的性能指标。
  一般来说，同步地球卫星链路的往返时延较大，为240ms。

利用率

信道利用率

• 定义：信道有百分之多少的时间被利用，即有数据通过
• 信道利用率越大，该信道引起的时延迅速增加，信道利用率并非越大越好；
• 也不能太小，不然会浪费信道资源。

网络利用率

• 定义：全网络信道利用率加权平均
• 网络利用率达到50% -> 时延加倍；网络利用率超过50% -> 时延急剧增大；网络利用率接近100% -> 时延趋近于无穷大。

丢包率

• 定义：即分组丢失率，指在一定时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率；
• 分类：接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等
• 分组丢失主要有两种情况：①分组在传输过程中出现误码，被结点丢弃；②分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃，在通信量较大时就可能造成网络拥塞；
• 丢包率反映网络拥塞情况。

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计算机网络体系结构 #重点

常见的计算机网络体系结构

开放系统互连参考模型（OSI）

• OSI体系——法律上的国际标准。

TCP/IP体系结构

• TCP/IP体系——事实上的国际标准
• （OSI体系结构）物理层+数据链路层 = （TCP/IP体系结构）网络接口层
  （TCP/IP体系结构）去掉了（OSI体系结构）中的会话层和表示层
  （TCP/IP体系结构）网际层又称网络层
  （TCP/IP体系结构）路由器一般只包括网络接口层和网际层
  （TCP/IP体系结构）网络接口层内容没有硬性规定，可以互连各种不同接口；因此，TCP/IP体系只包括网际层/运输层/应用层三层。
  （TCP/IP体系结构） 网际层协议——IP协议（核心协议）；运输层协议——TCP协议（重要协议）、UDP；应用层协议——HTTP、SMTP、DNS、RTP等
  

原理体系结构

• 原理体系结构层级与TCP/IP体系结构层级的关系：
  

计算机网络体系结构分层的必要性

• 计算机网络是非常复杂的系统
• “分层”可将复杂问题转换为若干较小的局部问题
• 实现计算机网络面临的问题及层次划分：
  对物理层——解决用何种信号传输比特的问题：
  1.采用怎样的传输媒体/介质
  2.采用怎样的物理端口连接传输媒体
  3.使用怎样的信号表示比特0/1
  对数据链路层——解决分组在一个网络上传输的问题：
  1.如何表示网络中各主机——主机编址问题
  2.目的主机如何从信号所表示的一连串比特流中区分出地址和数据
  3.如何协调各主机争用总线
  4.以太网交换机如何实现
  对网络层——解决分组在多个网络上传输的问题：
  1.如何表示各网络以及网络中的各主机——网络和主机共同编址问题（eg.IP地址）
  2.路由器如何转发分组，如何进行路由选择
  对运输层——解决进程之间基于网络的通信问题：
  1.如何解决进程之间基于网络的通信问题
  2.出现传输错误时如何处理
  对应用层——解决通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用的问题：
  1.通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用

计算机网络体系结构分层思想举例

应用进程间基于网络的通信

1.主机端（自顶向下）

• 应用层——按HTTP协议规定，构建HTTP请求报文，将该报文交给运输层；
• 运输层——给HTTP报文添加TCP首部（用于区分应用进程、实现可靠传输），构成TCP报文段，将该TCP报文交给网络层；
  TCP首部格式：
  
  TCP报文段：
  
• 网络层——添加IP首部（使IP数据报可以在互连网上传输/被路由器转发），使之成为IP数据报，交给数据链路层；
  IP首部格式：
  
  IP数据报：
  
• 数据链路层——给IP 数据报添加首部[（以太网帧首部）能让帧在一个网络上运输、被相应目的主机接收]和尾部（让目的主机检查所收到的帧是否有误码），使之成为帧，交付给物理层
  以太网帧首部格式：
  
  以太网帧尾部格式：
  
  帧：
  
• 物理层——将帧看做比特流。若网络是以太网，物理层在比特流前添加前导码（为了让目的主机做好接收帧准备），将添加了前导码的比特流转换成相应信号发给传输媒体，信号通过传输媒体到达路由器
  加入前导码的比特流形式：
  

2.路由器（自底向上，自顶向下）

• 物理层——信号变换为比特流，去掉前导码，交付数据链路层（实际交付的是帧）；
• 数据链路层——去掉帧首部、尾部，交付网络层（实际交付IP数据报）；
• 网络层——解析IP数据报首部，提取目的网络地址，查找路由表，确定转发端口，将IP数据报交付链路层；
• 链路层——添加首部、尾部，帧；
• 物理层——帧看做比特流，若以太网，加前导码，变换成信号传给传输媒体

3.web服务器（自底向上）

• 物理层——信号To比特流，去掉前导码，交付链路层（帧）；
• 数据链路层——去帧首尾部，交付IP数据报给运输层；
• 网络层——去IP首部，交付TCP报文段给运输层；
• 运输层——去TCP首部，交付HTTP请求报文给应用层；
• 应用层——解析HTTP请求报文，给主机发回HTTP响应报文

4.[HTTP响应报文]经过web服务器层层封装（自顶向下）并变换成相应的信号，经过传输媒体到路由器

5.路由器转发响应报文给主机

6.主机将收到的信号层层解封，得到HTTP响应报文

过程图示：

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计算机网络体系结构中的专用术语

实体

实体定义

实体是指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

对等实体定义

通信双方相同层次中的实体

协议

协议定义

协议是控制两个对等实体进行逻辑通信（实际上并不存在，是为了方便单独研究计算机网络结构体系中的某一层）的规则的集合

计算机网络协议三要素

语法、语义、同步

1.语法

定义通信双方交换数据的格式，即定义所交换信息由哪些字段及何种顺序构成（看懂格式就OK）

2.语义

定义通信双方所要完成的操作

3.同步

定义通信双方的时序关系

服务

在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务（应用层给客户提供服务）；
实现本层协议，需要使用下一层所提供的服务。

协议是水平的，服务是垂直的
实体看得见相邻下层提供的服务，但不知道实现服务的具体协议，即下面的协议对上面的实体是透明的；

服务访问点

定义：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同服务类型；
数据链路层的服务访问点是帧的 “类型”字段；
网络层的服务访问点为IP数据报首部的 “协议字段”；
运输层的服务访问点是 “端口号”

服务原语

上层使用下层提供的服务必须通过与下层交换一些命令，即交换服务原语；

协议数据单元PDU

对等层次之间传送的数据包，包括下述比特流、帧、IP数据报、分组、TCP报文段、UDP用户数据报、应用报文；

• 物理层对等实体逻辑通信的数据包——比特流
• 数据链路层——帧
• 网络层——IP数据报或分组
• 运输层——TCP报文段或UDP用户数据报（看具体用的哪个协议）
• 应用层——应用报文

服务数据单元SDU

同一系统内，层与层之间交换的数据包

PDU与SDU的关系

多个SDU可以合成为一个PDU；
一个SDU可以划分为几个PDU。