《计算机网络》学习笔记

第一章 计算机网络概述

1.1 互联网概述

1.1.1 网络

1、互联网具有两个重要的基本特点：连通性和共享。
2、计算机网络由若干个结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。
其中结点可以是计算机、集线器、交换器或者路由器等。
3、互连网是覆盖范围更大的计算机网络。网络把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络通过路由器连接在一起。

1.1.2 互联网基础结构发展的三个阶段

1、internet和Internet的区别
小写i开始的internet（互连网）是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。
大写I开始的Internet（互联网）是一个专用名词，它指全球最大的、开放的、由众多网络互连起来而成的特定互联网，采用TCP/IP协议族作为通信规则，其前身为美国的ARPANET。
2、互联网发展的三个阶段：
第一阶段：从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。
第二阶段：建成了三级结构的互联网。分为主干网、地区网和校园网（企业网）。
第三阶段：逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。ISP为互联网服务提供者（Internet Service Provider），分为主干ISP、地区ISP和本地ISP。
中国电信、中国联通和中国移动等公司都是我国最有名的ISP。ISP从互联网管理机构申请到IP地址，任何机构和个人向ISP缴纳费用便可获取IP地址的使用权。

1.2 互联网的组成

1、互联网的组成划分为两大块
边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成，用户直接使用，用来通信和资源共享。
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务。
2、边缘部分通信方式
客户(client)-服务器(server)方式：客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
对等连接（peer-to-peer，P2P）：计算机之间平等的通信，没有客户和服务器。
3、互联网的核心部分

• 电路交换：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。
  建立过程：建立连接—— 通话—— 释放连接。
  重要特点：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源，其他用户不能使用。
• 报文交换：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。
• 分组交换：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。
  
  若要连续传送大量地数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换地传输速率较快。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络地信道利用率。由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，更灵活。

1.3 计算机网络的分类

1、按网络的作用范围分类：广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个人区域网PAN
2、按网络的使用者分类：公用网（public network）、专用网（private network）

1.4 计算机网络的性能

1、速率：指数据的传输速率，bit/s（b/s、bps）。如100M以太网，实际是指100Mbit/s。提到网络速率时，往往是指额定速率或标称速率，而非网络上实际速率。

2、带宽（bandwidth）：在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。bit/s（bps）

3、吞吐量（throughput）：单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。其绝对上限值等于带宽，bit/s（bps）。

4、时延：数据（一个报文或分组、甚至比特）从网络（或链路）的一段传送到另一端的时间。时延是很重要的性能指标，也称延迟和迟延。
  ① 发送时延：主机或路由器发送数据帧所需的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。也称传输时延。
发送时延 = 数据帧长度（b） / 信道带宽（b/s）
 ② 传播时延：电磁波在信道中传播一定距离所需花费的时间。
传播时间 = 信道长度（m） / 传输速率（m/s）
 ③ 处理时延：主机或路由器处理收到分组时要花费一定的时间进行处理。
 ④ 排队时延：分组在输入队列中等待处理的时间加上其在输出队列中等待转发的时间。
综上：总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延。
注：对于高速网络链路，提高的是发送速率而不是传播速率。

5、时延带宽积：传播时延 * 带宽。表示链路的容量。

6、往返时间RTT：从发送方发送数据开始，到发送发收到接收方的确认为止，所花费的时间。

7、利用率：有信道利用率和网络利用率两种。而信道或网络利用率过高会产生非常大的时延。

1.5 计算机网络体系结构

网络的体系结构(architecture)：计算机网络的各层及其协议的集合。
OSI体系结构：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层
TCP/IP体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。

1.5.1 协议与划分层次

1、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规则、标准或约定。
2、网络协议的三要素:
语法：即数据与控制信息的结构或格式。
语义：即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：即事件实现顺序的详细说明。

1.5.2 具有五层协议的体系结构

1、应用层（application layer）
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。应用层交互的数据单元称为报文（message）。常见协议有：HTTP、DNS、SMTP协议等。
2、运输层（transport layer）
运输层的任务是负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。传输层主要用两种协议：

• 传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol）：提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输单位为报文段（segment）。
• 用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）：提供无连接的、尽最大努力（best-effort）的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），其数据传输的单位是用户数据报。

3、网络层（network layer）
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或包进行传送。本层使用IP协议，因此也叫IP数据报。

4、数据链路层（data link layer）
数据链路层常简称为链路层。在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧（framing），在两个相邻结点的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错信息）。

5、物理层（physical layer）
物理层的任务就是透明地传送比特流。（注意：传递信息的物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆等，是在物理层的下面，当做第0 层。）物理层还要确定连接电缆插头的定义及连接法。

第二章 物理层

2.1 物理层的基本概念

一、关于信道的几个基本概念
1、通信方式
（1）单向通信：又称单工通信，只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
（2）双向交替通信：半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。
（3）双向同时通信：全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。
2、基带信号（基本频带信号）
来自信源的信号称为基带信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为解决这一问题，要对基带信号进行调制（modulation）。
带通信号：经过载波调制后的信号。使用载波的调制称为带通调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，就能更好地在模拟信道中传输。
基本带通调制方法：调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)

2.2 物理层下的传输媒体

一、导引型传输媒体
1、双绞线
双绞线已成为局域网中的主流传输媒体
（1）屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
（2）无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
2、同轴电缆
（1）细缆（适合短距离，安装容易，造价低）
（2）粗缆（适合较大局域网，布线距离长，可靠性好）
3、光纤
光纤有很好的抗电磁干扰特性和很宽的频带，主要用在环形