计算机网络 概述

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    计算机网络（网络）由若干结点（Node）和链接这些结点的链路组成。结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。
    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。

互连网和互联网

• 互连网

以小写字母i开始的internet（互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议（即通信规则）可以是任意的，不一定非要使用TCP/IP协议。

• 互联网

以大写字母I开始的Internet（互联网）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计算机网络，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。

互联网是当前一个全球流行的互连网，采用了TCP/IP协议族

互联网服务提供者 ISP

    随着互联网的发展，目前形成了多层次ISP结构的互联网。“分布式”地有服务中心，子结点之间可以通过其共同父ISP进行通信。人们为了更快转发分组和更有效地利用网络资源，发明了 互联网交换点IXP（internet eXchange Point）
    而根据提供服务的覆盖面基大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分为不同层次：主干ISP、地区ISP、本地ISP。

多层ISP互联网结构概念图

互联网的组成

• 边缘部分

由所有连接在互联网上的主机（又称端系统）组成。

• 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（连通性和交换）

互联网的边缘部分与核心部分

边缘部分

端系统可以为一台个人电脑，也可以是一台大型计算机，当然也可以是某ISP（不仅仅提供服务）。它们通过核心部分所提供的服务，使得众多主机之间能够互相通信并交换或共享信息。

网络边缘的端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：

• 客户-服务器方式
  客户(client)是服务请求方，服务器(server)是服务提供方。
  客户程序被用户调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。需知道服务器地址。
  服务器程序自启动后一直不断运行这，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。不需要知道客户程序地址。

• 对等连接方式
  对等连接(peer-to-peer, P2P)，两台主机在通信时并不区分那一个是请求方哪一个是服务提供方。本质上看仍是使用客户-服务器方式。eg.双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。迅雷进行全网数据挖掘，自动匹配与资源相同的镜像给用户下载，同时用户可能还作为镜像源提供服务。

核心部分

网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一台主机都能够向其他主机通信。这部分起到特殊作用的是路由器。

• 路由器(router)

一种专用计算机，是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组。

• 电路交换

  
  电路交换例子-电话机
  

  建立了一条专用的物理通路，一个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通信资源。如果用电路交换来传送计算机数据，那么线路的传输效率往往很低，计算机数据是突发式的，你在编辑一份文档而用不到网络，然而通信线路资源却一直被占用着。

• 分组交换
  采用存储转发技术。在发送报文之前，先将之划分为一个个更小的等长数据段，再分别加上一些由必要的控制信息组成的首部(header)后，成为一个分组。分组又称“包”，首部又称“包头”。分组是在互联网中传送的数据单元。

  1. 路由器收到一个分组，暂时存储下来。
  2. 取出一个分组，检查首部，查找转发表^[1]。
  3. 按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去^[2]。
  4. 如果不是目的主机，则重复step 1

[1] 可能连续取得的是不同报文的分组。
[2] 各路由器之间经常交换彼此掌握的路由信息，这样才能知道要到目的地址需要转发到哪个路由器。

分组交换的优点：高效、灵活、迅速、可靠。
分组交换的缺点：时延、首部开销、需要管控。

计算机网络的类别

有一种定义：计算机网络是由一些通用的可编程的硬件互连而成，可以传送多种数据并应用广泛。

• 按照作用范围进行分类
  • 广域网(WAN)

  互联网的核心部分，通过的距离很长（比如跨越不同国家），通信容量大。
  - 城域网(MAN)
  > 作用范围一般是一个城市，用来将多个局域网进行互连，有的也用广域网的技术。
  - 局域网(LAN)
  > 地理上局限在较小的范围，学校或企业大都拥有许多个互连的局域网。
  - 个人区域网(PAN)
  > 用个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络。

• 按照网络的使用者进行分类
  • 公用网

  按电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用的这种网络。
  - 专用网
  > 某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。

计算机网络的性能

速率

网络中的速率指的是数据的传送速率，称为比特率，单位是bit/s（bps）。常用一千bps来描述，1kbps=1000bps，兆(M)、吉(G)同样是以1000进位。
不同于计算机中使用2¹⁰=1024来进位，而计算机中的KB的B是Byte，1Byte=8bit。

带宽

本指信号的频带宽度，计算机网络中表示通道传送数据的能力----“最高数据率”，单位是bit/s。事实上，这两个表述本质是一样的。

吞吐量

单位时间通过网络的实际数据量。受带宽和额定速率的限制，它们是吞吐量的绝对上限值。

时延

    总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

• 发送时延。主机或路由器发送数据帧所需要的时间（认为帧发出后，才开始传播，因为路由器都有存储区，可看成入队列所需时间）。
  发送时延 = 数据帧长度(bit) / 发送速率(bit/s)
• 传播时延。在信道中传播一定距离需要花费的时间。
• 处理时延。主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理。
• 排队时延。可理解为，和其他报文的分组排队等待的时间。

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比特在链路上的传播速率。提高数据的发送速率是减小了数据的发送时延。

时延带宽积、往返时间RTT、利用率

“时延宽带积”表示从发送端发出的但尚未到达接收端的比特。
“往返时间RTT”用来描述双向交互时的传输效率。
“利用率”分信道利用率和网络利用率，信道利用率表示某信道有百分之几的时间被利用，网络利用率表示全网络的信道利用率的加权平均值。

根据排队论，利用率越高，时延则会变高。

计算机的网络体系结构

计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。

国际标准

得到最广泛应用的不是法律上的国际标准OSI，而是事实上的国际标准TCP/IP。

关于协议的理解

每一层及其协议都可以这么来描述：使用了低一层的XX接口(后称服务)，暴露了XX接口。
协议，实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。即本层实体所暴露的接口。
在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务，要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。
分层并使用协议，是分治法的一种，也可以理解为功能的解耦，自顶向下的调用关系(类似函数)。

具有五层协议的体系结构

TCP/IP实质上只有最上面的三层，因此学习计算机网络的原理时往往采用折衷的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。

计算机网络体系结构

• 应用层
  定义了应用进程间通信和交互的规则，并提供了服务，常用协议是HTTP、SMTP等。

• 运输层
  负责向两台主机的进程之间的通信提供通用的数据传输服务。主要提供TCP、UDP协议。

运输层使用网络层接口，将数据流分别交付相应进程。

• 网络层
  负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。提供（本层的应用使用）了IP协议，分组也叫做IP数据报，简称数据报。

• 数据链路层
  主要是采用了同步、容错策略，将物理层的比特数据还原成数据报返回，或将网络层的IP数据报组装成帧发送。

• 物理层
  使用物理接口设备，进行电子信号的收发。相关设备有集线器、转发器。

everything over IP & IP over everything

TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务(everything over IP)，同时TCP/IP协议允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行(IP over everything)。