计算机网络（一 概述）
一、因特网概述
· 网络（Network）由节点（Node）、连接节点的链路（Link）组成。
多个网络可以通过路由器连接起来，组成互联网（网络的网络）。因特网是世界上最大的互联网，用户数以亿计，互连的网络数以百万计。
· 局域网、互联网、因特网（TCP/IP，起源于arpanet）
·internet与Internet的区别：
internet泛指互联网，通信协议任意；Internet专指因特网，TCP/IP协议，前身美国ARPANET。
· 因特网服务提供者ISP（Internet Service Provider）
普通用户是通过ISP接入因特网的。
ISP从因特网管理机构申请到成块的IP地址，同时拥有通信线路、路由器等联网设备。个人或机构缴纳费用，就可以从ISP得到IP地址（有地址就能通信）。我国主要ISP：中国电信、联通、移动。
· 基于ISP的三层结构因特网
第一层ISP：主干网，国际性区域，互相之间直接互连。
第二层：第二层ISP或大公司。区域性或国家性覆盖规模，与少数第一层ISP连接。
第三层：本地ISP。第二层ISP的用户，只拥有本地范围的网络（一般的校园网、企业网，住宅或无线移动用户）。
相隔较远的两台主机通信，可能要经过多个ISP。一个用户接入互联网，也可以成为ISP，只需要购买调制解调器或路由器等设备。ISP可以很方便地在因特网拓扑上增加层次和分支。
· 因特网的标准化工作
因特华制定标准面向公众，所有的RFC（request for comments）都可以免费下载。
因特网协会ISOC，负责对因特网管理。
只有小部分RFC能够成为因特网标准。
· 因特网组成
边缘部分（主机、服务器、智能手机、物联网检测仪等各种设备）
核心部分（大量网络和路由器，提供连通性和交换）
二、三种交换方式
· 电路交换（Circuit Switching）
电话交换机（类似有多个开关的开关器）。
交换（switching）：按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
三步：建立连接（分配通信资源）、通话（一直占用通信资源）、释放连接（归还通信资源）。
如果因特网用电路交换，那么聊天打字时通信资源就浪费了（效率太低），所以因特网采用分组交换。
· 分组交换（Packet Switching）
把消息称为报文。把较长报文划分成一些等长的数据段。每个段前面加上首部（控制信息），就变成了一个分组（包）。首部也称包头。
分组交换机（路由器）收到分组后，先暂时存储，再检查首部。按照首部中的目的地址进行查表转发，找到合适转发接口，然后转发到下一个分组交换机。
接收者收到分组后，去掉首部，组合成原始报文。
报文交换（Message Switching）类似分组交换，分组交换机也要缓存和转发，只是对报文的大小没有限制。通常用于电报。
· 三种对比
电路交换：通信时延小、有序传输、没有冲突、适用范围广、实时性强、控制简单；建立连接时间长、线路独占效率低、灵活性差、难以规格化；
报文交换：无需建立连接、动态分配线路、提高线路可靠性、提高线路利用率、提供多目标性服务；引起转发时延、需要较大存储缓存空间、需要传输额外信息量；
分组交换：无需建立连接、线路利用率高、简化存储管理、加速传输、减少出错概率和重发数据量；引起了转发时延，传输额外信息量，数据报服务存在失序、丢失、重复分组，虚电路服务有呼叫建立、数据传输、虚电路释放三个过程。
三、计算机网络的定义和分类
· 定义
计算机网络的精确定义并未统一
最简单定义：一些互相连接的，自治的计算机的集合。（互连：计算机通过有线或无线进行数据通信，自治：独立的计算机，能单独运行；集合：至少两台计算机）
较好定义：通用的、可编程的硬件互连而成。这些硬件并非专门实现某一功能，而是能传送多种不同类型数据，支持广泛和日益增长的应用。
· 分类
交换技术分类：电路交换网络、报文交换网络、分组交换网络。
使用者分类：公用网、专用网。
传输介质分类：有线网络、无线网络。
覆盖范围分类：广域网WAN（几十到几千公里，覆盖国家或大洲）、城域网MAN（5-50公里，互连大量企业机构校园网，近年成为现代城市信息服务基础设施，有趋势将传统电信、有线电视和互联网服务相融）、局域网LAN（微型计算机或工作站相连，10m带宽以上，1公里左右；如今一个学校或企业大多有几个互连的局域网，通常称为校园网或企业网）、个域网PAN（个人设备用无线技术连接起来的网络，也称无线个人区域网WPAN，范围约10米；若中央处理机距离近，例如一米内，就成为多处理机系统，而非计算机网络）。
拓扑结构分类：总线型网络（单根传输线连接：建网容易、增减节点方便、节省线路；重负载通信效率低、一处故障全宕机）、星型网络（每个计算机都以单独线路与中央设备相连，中央设备由早期计算机变为集线器、再变为交换机或路由器；便于网络集中控制管理；缺点是成本高、中央设备对故障敏感）、环型网络（所有计算机网络接口连接成环，可以是单或双环，环中信号单向传输）、网状型网络（一般每个节点至少两条路径与其他节点相连，多用于广域网，可靠性高但控制复杂、线路成本高）。四种拓扑可以互连成更复杂网络。
四、计算机网络性能指标
· 常用指标：速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、利用率、丢包率。
· 速率
比特：数据量单位、信息论中信息量单位。1比特就是而今之中的1或0。
数据量单位：字节Byte（8bit）。1B=8b。KB（2△10B）、MB（2△20B）、GB、TB。厂家标注的是10△9次方B，所以电脑显示会小。
速率：传送比特的速率，比特率或数据率。
数据率单位：bit/s（b/s，bps）；kb/s（10△3bps）；Mb/s（10△6bps）、Gb/s、Tb/s。
· 带宽
1、带宽在模拟信号中的意义：
信号所包含各种不同频率成分所占据的频率范围。
单位：Hz（kHz、MHz、GHz）。（电话带宽3.1kHz，300Hz~3.4kHz，话音主要成分的频率范围）
2、带宽在计算机网络中的意义：
网络通信线路所能传送数据的能力，单位时间点到点通过的“最高数据率”。单位b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s。
——两种表述有密切联系，一条通信线路“频带宽度”越宽，“最高数据率”也越高。
· 吞吐量
单位时间通过某个网络（或信道、接口）的数据量。受网络的带宽或额定速率的限制。
· 时延
网络时延：
发送时延（分组长度/发送速率，要看电脑的网卡发送速率、线路信道带宽、交换机接口速率）；
传播时延（信道长度m/电磁波传播速率m/s。 自由空间3X10△8m/s；铜线2.3X10△8；光纤2.0X10△8）；
处理时延（排队+处理，不方便计算）。
· 时延带宽积
= 传播时延 X 带宽
可以想象成通信管道的体积。
发送连续数据时，第一个比特到达终点时，发送端已经发送了时延带宽积个比特。
又被称为以比特为单位的链路长度。
· 往返时间
因特华不仅单方向传输，而且双向交互。有时需要知道双向交互一次所需的时间。所以，往返时间RTT（Round-Trip Time）也是重要的性能指标。
· 利用率
信道利用率：用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)。
网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均。
利用率越高，时延迅速增加。信道利用率并非越高越好。
· 丢包率
丢包率即分组丢失率，指一定时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
两种主要情况：误码、网络拥塞。丢包率反映了网络拥塞情况。严重丢包为5-15%。
五、计算机网络体系结构
1、常见的计算机网络体系结构
· OSI体系结构 （开放系统互连参考模型）
物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层
法律上的国际标准。
· TCP/IP体系结构
网络接口层、网际层、运输层、应用层
事实上的国际标准。
路由器一般只包含网络接口层和网际层。
TCP/IP的网络接口层并没规定具体内容，这样方便互连全世界网络接口。
网际层核心协议：IP协议。
运输层核心协议：TCP、UDP协议。
应用层协议：HTTP、SMTP、DNS、RTP。
IP协议将不同网络接口互连，向其上的TCP、UDP协议提供网络互连服务。
· 原理体系结构
物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层
（适用于教学）
2、分层必要性
能将庞大复杂问题，转化为较小问题。
物理层：传输媒体（介质，严格来说不再体系结构中），物理接口，信号；
数据链路层：标识主机（MAC地址）、区分地址和数据、协调主线争用；
网络层：标识各网络以及网络中的各主机（网络和主机共同编址，如IP地址；例如网络N1中的设备，都是192.168.1.X），
如何转发分组，如何进行路由选择；
运输层：解决进程间基于网络通信的问题。
出现传输错误，如何处理。
应用层：万维网应用HTTP协议，电子邮件SMTP协议，文件传送FTP协议
通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。
3、计算机网络体系结构分层思想举例
4、计算机网络体系结构中的专用术语
最具代表性的三个：实体、协议、服务
· 实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
对等实体：收发双方相同层次中的实体。如双方网卡、应用进程。
· 协议（称为逻辑通信，因为其实并不存在）
控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合。
协议的三要素：语法 语义 同步
语法：定义所交换信息的格式。
语义：定义收发双方所要完成的操作。
同步：定义收发双方的时序关系（三次握手）。
· 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。
（协议是水平的，服务是垂直的。实体看得见相邻下层所提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议，也就是“透明”的。）
- 服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型。（数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段。网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”。运输层的服务访问点为“端口号”）
- 服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。
- 协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元。
- 服务数据单元SDU：同一系统内,层与层之间交换的数据包称为服务数据单元。多个SDU可以合成为一个PDU;一个SDU也可划分为几个PDU。
习题（一）体系结构
1、【2009年 题33】在OSI参考模型中，自下而上第一个提供端到端服务的层次是：
传输层 （解决进程之间基于网络的通信问题，端到端即进程间 ）
2、【2011年 题33】 TCP/IP参考模型的网络层提供的是：
无连接不可靠的数据报服务
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4、【2015年 题33】通过POP3协议接收邮件时,使用的传输层服务类型是：有连接可靠的数据运输服务。
5、最高功能层：集线器1，交换机2，路由器3
6、TCP/IP应用层协议中,可以使用传输层无连接服务的是：DNS（调用了UDP提供的无连接服务）。
7、TCP/IP协议族的核心协议是：IP。
习题（二）时延相关
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