IP概述

本文参考《计算机网络》（第七版）谢希仁编著，博文仅供学习使用，用来记录笔记

概述

首先需要注意的是互联网和互连网以及网络的区别（这里并不是刻意的钻牛角尖，而是有些专有名词我们需要掌握好，在后续的陈述中才不至于对基本概念还模棱两可）：
计算机网络（网络）由若干结点和连接这些结点的链路组成。结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等，可以用一朵云表示一个网络。与网络相连的计算机常称为主机（host）。
网络之间还可以通过路由器互连起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。这样的网络称为互连网（internet），互连网是网络的网络。

而互联网（Internet）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互连网，它采用TCP/IP协议作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。
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。与网络相连的计算机常称为主机。
互联网的拓扑结构虽然非常复杂，但从其工作方式上看，可以划分为两大块：边缘部分和核心部分。边缘部分由所有连接在互联网上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享。核心部分是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(提供连通性和交换)。

而网络边缘的端系统之间的通信方式通常可以划分为：客户-服务器方式（C/S）和对等方式（P2P）以及浏览器-服务器方式（B/S）。其中对等连接方式需要主机都运行对等连接软件（P2P软件）。
互联网的核心部分。在网络核心部分起特殊作用的是路由器。路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组，工作机制是存储转发。
为了弄清楚分组交换，下面对交换的基本概念进行介绍。交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

• 电路交换（用于电话通信的交换机）：
  在使用电路交换通话之前，必须先拨号请求建立连接，被叫用户听到交换机送来的振铃音并摘机后，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。这条连接保证了主叫和被叫双方通话时所需的通信资源，这些资源在双方通信时不会被其他用户占用，通话完毕挂机后，交换机才会释放刚才使用的这条专用的物理通路。这种必须经过建立连接——>通话——>释放连接步骤的交换方式称为电路交换。特点是：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。
• 分组交换
  当使用电路交换来传送计算机数据时，其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。所以计算机网络中采取分组交换。
  分组交换采用存储转发技术，把一个报文（通常我们把要发送的整块数据称为一个报文）划分为几个分组后再进行传送，分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”。分组是在互联网中传送的数据单元。
  分组交换的核心部分最主要的器件是路由器，路由器是用来转发分组的，即进行分组交换的。路由器收到一个分组，先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器。这样一步步地以存储转发的方式，把分组交付最终的目的主机。各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息，以便创建和动态维护路由器中的转发表，使得转发表能够在整个网络拓扑发生变化时及时更新。
  应当注意，分组交换在传送数据之前不必先占用一条端到端的链路的通信资源，只有分组在哪段链路上传送才占用这段链路的通信资源。分组到达一个路由器后，先暂时存储下来，查找转发表，然后从一条合适的链路转发出去。分组在传输时就这样一段一段地断续占用通信资源，而且还省去了建立和释放连接的开销，因而数据的传输效率更高。存储转发分组交换，实际上是采用了在数据通信的过程中断续（或动态）分配传输宽带的策略。这对传送突发式的计算机数据非常合适，使得通信线路的利用率大大提高了。
  为了提高分组交换网的可靠性，互联网的核心部分常采用网状拓扑结构，使得当发生网络拥塞或少数结点、链路出现故障时，路由器可灵活地改变转发路由而不致引起通信的中断或全网的瘫痪。分组交换会带来时延和一定的开销问题。
• 报文交换
  报文交换和分组交换相类似，只不过是一次转发整个报文，而不会把报文划分成分组，导致的时延较大。
  
  计算机网络的类别。
• 按照网络的作用范围进行分类。有广域网、城域网、局域网、个人区域网等。
• 按照网络的使用者进行分类。有公用网、专用网。
  计算机 网络性能（性能指标）。
• 速率，指的是数据的传送速率。
• 宽带，宽带具有两种不同的含义：信号具有的频带宽度（模拟信号），单位是赫兹；在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力（在单位时间内网络中某通道所能通过的“最高数据率”）。
• 吞吐量。吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的实际的数据量。经常地用于对现实世界中网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能通过网络。
• 时延。指数据从网络的一端传送到另一端所需要的时间，时延由发送时延、传播时延、处理时延、排队时延组成。在总时延中，究竟是哪一种时延占主导地位，必须具体分析。
• 时延宽带积，传播时延和带宽的乘积。
• 往返时间RRT，指的是双向交互一次所需的时间，其包括中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。
• 利用率，利用率有信道利用率和网络利用率两种。信道利用率指出信道有百分之几的时间是被利用的，网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。
  计算机网络体系结构是学习网络的重点也是最基本的，计算机网络采用分层思想将复杂的问题转化为若干个较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较容易研究和处理。
  在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。在通信中同步往往是广义上的，带有时序的意思。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。
  对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应该是层次式的，我们以两主机间通过网络传送文件为例子来说明划分层次的概念。
  
  我们可以将要做的工作划分为三类。第一类工作与传送文件直接有关，如发送端的文件传送应用程序应当确信接收端的文件管理程序已做好接收和存储文件的准备。若两台主机所用的文件格式不一样，则至少其中的一台主机应完成文件格式的转换。这两项工作可用一个文件传送模块来完成。这样两台主机可将文件传送模块作为最高的一层。
  但是，我们并不想让文件传送模块完成全部工作的细节，这样会使文件传送模块过于复杂。可以再设立一个通信服务模块，用来保证文件和文件传送命令可靠地在两个系统之间交换。也就是说让位于上面的文件传送模块利用下面的通信服务模块所提供的服务。而通信服务模块所提供的可靠的服务还可以为别的模块提供通信服务，如上面的文件传送模块可换成电子邮箱模块。
  同样道理，我们再构造一个网络接入模块，让这个模块负责做与网络接口细节有关的工作，并向上层提供服务，使上面的通信服务模块能够完成可靠通信的任务。
  分层可以带来的好处。
• 各层之间是独立的，某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务。由于每一层只实现一种相对独立的功能，因此可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题。
• 灵活性好，当任何一层发生变化时（对某一层提供的服务进行修改），只要层间接口关系保持不变，则这层以上或以下各层均不受影响。
• 结构上可分隔开，各层都可以采用最合适的技术来实现
• 易于实现和维护。
• 能促进标准化工作。
  计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构，下面简单地讲解具有五层协议的体系结构。
  
  -应用层。应用层是体系结构中的最高层，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。有HTTP、SMTP、DNS等协议。我们把应用层交互的数据单元称为报文。
• 运输层。运输层的任务就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。应用进程利用该服务传送应用层报文。运输层具有复用和分用的功能。复用就是多个应用层进程可以同时使用下面运输层的服务，而分用和复用相反，是把运输层收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。运输层有TCP/UDP两种协议。
• 网络层。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。网络层另一个任务就是要选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组，能够通过网络中的路由器找到目的主机。
• 数据链路层。数据链路层常简称链路层。在网络上传输数据时总是在一段一段的链路上传送的，这就需要使用专门的链路层协议。链路层中数据单元是帧。
• 物理层。在物理层上所传数据的单位是比特。物理层要考虑用多大电压代表“1”或“0”，以及接收方如何识别发出方所发送的比特。物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各引脚应如何连接。需要注意传递信息所利用的一些物理媒体（双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等）并不属于物理层。
  
  在上面描述了网络通信中的体系结构，TCP/IP结构比较简单（只有四层）。
  
  应当指出，技术的发展并不是遵循严格的OSI分层概念。实际上现在的互联网使用的TCP/IP体系结构有时已经演变成下图那样，即某些应用程序可以直接使用IP层甚至直接使用最下面的网络接口层。