计算机网络（一）概述及体系结构简介

前言

• 笔记特点：以谢希仁教授的《计算机网络第7版》为教材，涵盖书中所有重点知识，并进行有侧重地进行总结。
• 适合对象：期末党、考研党以及计算机爱好者。
• 转载请注明出处。

参考文献
[1] 谢希仁.计算机网络（第七版）[M].北京:电子工业出版社，2017.
[2] 王道论坛.2021年计算机网络考研复习指导[M].北京:电子工业出版社，2020.
注：除特别备注外，博文插图均来自参考文献[1].

1 概论

1.1 互联网概论

计算机网络(简称为网络)：由若干结点和连接结点的链路组成。
互连网：网络之间通过路由器互连起来，构成了一个更大的计算机网络，是网络的网络。
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。与网络相连的计算机常称为主机

1.1.1 互联网基础结构发展

• 第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互连网发展的过程。
• 第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网，即主干网、地区网和校园网(或企业网)。
• 第三阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。

互联网交换点 IXP 的主要作用：允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。

1.1.2 互联网标准化

制定互联网标准的阶段：

• 互联网草案
• 建议标准——从这个阶段开始就成为 RFC 文档。
• 互联网标准

1.2 互联网组成

1.2.1 边缘部分

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。

计算机网络通信：主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信。通信方式分为：

• 客户服务器方式(C/S)：客户和服务器都是指应用进程。客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
• 对等连接方式(P2P)：是指两台主机在通信时并不区分服务请求和服务提供方。

1.2.2 核心部分

核心部分：由网络和连接网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务。

路由器：按转发分组的方式进行分组交换。

• 电路交换：经过建立连接→通话→释放连接三个步骤。在通话时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源，并且线路的传输效率很低。
• 报文交换：对报文存储转发。
• 分组交换：对分组存储转发，分组仅在传输时才占用某段链路的通信资源。

1.3 计算机网络类别

计算机网路的定义：计算机网络主要是由一些通用的、 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。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

按照网络的作用范围进行分类

• 广域网 WAN
• 城域网 MAN：范围跨越街区甚至包含整个城市。大多采用以太网技术
• 局域网 LAN：大多为学校或企业所拥有
• 个人区域网 PAN

接入网 AN ：又称为本地接入网或居民接入网。接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器之间的一种网络，起到让用户能够与互联网连接的"桥梁"作用。

1.4 计算机网络性能

1.4.1 速率

速率：也称数据率，指的是数据的传送速率。单位为bit/s（或b/s、bps）。

区分：1kb=2¹⁰b。1kb/s=10³b/s
当提到网络的速率时，往往指的是额定速率或标称速率，而并非网络实际上运行的速率。

1.4.2 带宽

带宽：在计算机网络中表示最高数据率，单位为bit/s。

1.4.3 吞吐量

吞吐量：单位时间内通过某个网络的实际数据量，上限为带宽。

1.4.4 时延

时延：是指数据从网络一端传送到另一端所需的时间，由几部分组成：

• 发送时延（传输时延）：发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)
• 传播时延：传播时延=信道长度(m)/传播速率(m/s)
• 处理时延：主机或路由器处理分组所产生的时延。
• 排队时延：在路由器的输入队列中等待处理，输出队列中等待转发，所产生的时延。

区别：

• 发送时延发生在机器内部的发送器中，与传输信道的长度无关。但传播时延则发生在机器外部的传输信道上，传播速率取决于通信线路的介质材料，而与发送速率无关。
• 对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是传播速率。

1.4.5 时延带宽积

时延带宽积：表示从发送端发出的但尚未到达接收端的比特。传播时延带宽积=传播时延x带宽

1.4.6 往返时间RTT

有效数据率=数据长度/(发送时间+RTT)

1.4.7 利用率

利用率分为：

• 信道利用率：指出某信道有百分之几的时间是被利用的
• 网络利用率：全网络的信道利 用率的加权平均值。

网络当前时延=网络空闲时的时延/(1-利用率)

1.5 计算机网络体系结构

计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构。

1.5.1 网络协议

• 协议：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。三要素，如下：

• 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，做出何种响应。

• 同步：即时间实现顺序的详细说明。

• 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。

• 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。

• 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。

• 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。

1.5.2 实体、协议、服务和服务访问点

实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
协议：控制两个或多个对等实体进行通信的规则的集合。
服务访问点 SAP：在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方。
服务原语：上层使用下层所提供的服务时，层间使用的命令。

协议是水平的，服务是垂直的。

1.5.3 五层体系结构

协议栈：几个层次画在一起很像一个栈的结构。

前言：

• 无论在哪一层传送的数据单元，都可笼统地用分组来表示。
• 协议数据单元 PDU：对等层次之间传送的数据单位。
• 服务数据单元 SDU：层与层之间交换的数据的单位。

（1）应用层

• 任务：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。
• 协议：应用层协议很多，如域名系统DNS，HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议。
• 数据单元：报文。

（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服务
• 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。
• 功能：复用和分用。复用：多个应用层进程可同时使用运输层服务。分用：运输层把收到的信息分别交付应用层中的相应进程。

（3）网络层

• 任务：负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。
• 协议：无连接的网际协议 IP 和许多种路由选择协议。
• 数据单元： IP数据报。

（4）数据链路层

• 任务：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，在两个相邻结点间的链路上传送帧。
• 数据单元： 帧。
• 功能：检错和纠错。

（5）物理层

• 任务：物理层要考虑用多大的电压代表 “1” 或 “0”，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。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。
• 数据单元： 比特。
• 备注：物理传输媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆等，并不在物理层之内而是在其下面。

1.5.4 TCP/IP体系结构