计算机网络 第一章 概述
文章目录
1.1. 计算机网络在信息时代中的作用
1.1.1. 三类网络
有三大类大家很熟悉的网络，即电信网络、有线电视网络和计算机网络。把上述三种网络融合成一种网络就能提供所有的上述服务，这就是很早之前就提出来的“三网融合”。
1.1.2. Internet译名
因特网这个名字是由全国科学技术名词审定委员会推荐的。互联网，因为Internet是由数量极大的各种计算机网络互连起来的。
1.1.3. 互联网两个重要基本特点
连通性和资源共享。所谓连通性，就是互联网使上网用户之间，不管相距多远都可以非常便携、非常经济地交换各种信息，好像这些用户地终端都彼此直接连通一样。资源共享地含义是多方面的，可以是信息共享、软件共享、也可以是硬件共享。
1.2. 互联网概述
1.2.1. 基本概念
计算机网络简称为网络，由若干节点和连接在这些节点的链路组成。网络中的节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。有多个网络通过一些路由器相互连接起来，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。因此互连网是”网络中的网络“。
与网络相连的计算机常称为主机，在互联网中不可缺少的路由器，是一种特殊的计算机，它有中央处理器、存储器、操作系统等，但不可以称之为主机。
网络把许多计算机连接在一起，而互联网则把许多网络通过一些路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。
1.2.2. 互联网基础结构发展的三个阶段
第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互连网发展的过程。1969 年美国国防部创建的第个分组交换网 ARPANET 最初只是一个单个的分组交换网(并不是一个互连的网络)。所有要连接在 ARPANET 上的主机都直接与就近的节点交换机相连。1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议。
以小写字母i开始的internet（互连网）是一个通用名词，它泛指有多个计算机网络互连而成的计算机网络。在这些网络之间的通信协议可以任意选择，不一定是TCP/IP协议。
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、由众多网络互相连接而成的特定互联网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。可见，任意把几个计算机网络互连起来(不管采用什么协议)，并能够相互通信，这样构成的是一个互连网(internet)，而不是互联网(Internet)。
第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网。国家科学基金网NSFNET是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网），这种三级计算机网络覆盖了全美国主要的大学和研究所，并且成为互联网中的主要组成部分。为什么要使用这种三级结构呢？这是因为互联网必须能够让连接到互联网的所有用户都可以相互通信。但是一个普通的校园网或企业网单靠本身力量并不可能做到这一点，因为要实现如此多的连接需要巨大的投资。于是就出现了上面两层的地区网和主干网。地区网可以完成本地区管辖范围内各校园网或企业网之间的相互通信，而主干网可以使不同地区之间的用户相互通信。
第三阶段的特点是逐渐形成了全球范围的多层次 ISP 结构的互联网。互联网服务提供者 ISP 就是一个进行商业活动的公司，因此 ISP又常译为互联网服务提供商。根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的 IP 地址数目的不同，ISP 也分为不同层次的ISP:主干ISP、地区ISP 和本地ISP。
互联网交换点IXP的主要作用是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。
万维网WWW被广泛使用再互联网上，大大方便了非网络专业人员对网络的使用。
1.3. 互联网的组成
- 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成，这部分由用户直接使用的，用来进行通信和资源共享。
- 核心部分：由大量网络和连接在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）。
1.3.1. 互联网的边缘部分
处在互联网边缘部分就是连接在互联网上的所有的主机，这些主机又被称为端系统，这里的端就是末端的意思，端系统可以是个人电脑、摄像头、大型计算机、某个ISP等。
计算机之间通信另一种说法就是主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信。在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（C/S方式）和对等方式（P2P方式）。
- C/S方式：
客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程。C/S方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。客户是服务请求方，服务器是服务提供方。B/S方式（浏览器-服务器方式）是C/S的特例。
- P2P方式（对等方式）：指两台主机在通信时，并不区分哪一个是服务请求方。
1.3.2. 互联网的核心部分
网络核心部分要向网络边缘部分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与其他主机通信。在网络核心部分起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机(但不叫作主机)。路由器实现分组交换，其任务是转发收到的分组。
电路交换：建立连接、通话、释放资源。特点就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。但是在传输计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。
分组交换：分组交换采用存储转发技术，通常我们把要发送的整个数据块叫做报文，发送之前，先把报文分成一个个更小的等长数据段，在每个数据段前面加上一些必要的控制信息组成发的首部后，就构成了一个分组，分组又被称为包。
分组交换的特点：高效、灵活、迅速、可靠。
- 电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点。
- 报文交换：整个报文先到达相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。
- 分组交换：单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。
1.4. 计算机在我国的发展
略
1.5. 计算机网络的类别
- 按照网络的作用范围进行分类
广域网WAN：作用范围通常是几十到几千公里，有时被称为远程网，广域网的任务是长距离运送主机发送的数据。
城域网MAN：作用范围一般是一个城市，举例约为5~50km，用来将多个局域网相连，目前很多采用的是以太网技术。
局域网LAN：在地理上局限于较小的范围。
个人区域网：在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络。
- 按照网络使用者进行分类
公用网和专用网。
1.6. 计算机网络的性能
1.6.1. 计算机网络的性能指标
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速率：数据的传输速率，也称为数据率或比特率。单位是bit/s。当数据较高时会在前面加上一个字母，k、M、G、T、P、E、Z、Y分别是十的三次方、六次方类推。当提到网络速率时，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。
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带宽：表示网络中某通道的传送数据的能力，因此网络带宽表示再单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”，单位是bit/s。
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吞吐量：表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量，吞吐量受网络带宽或网络额定速率的限制。接入到互联网的实际吞吐量取决于互联网的具体情况。
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时延：时延是指数据（一个报文、分组或比特）从网络的一段传送到另一端所需的时间，有时也被称为延迟或迟延。网络中的时延是由不同部分组成的。
- 发送时延：主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特起到最后一个比特发送完毕所需的时间，有时也成为传输时延。发送时延的计算公式是：发送时延=数据帧长度（bit）/发送的速率（bit/s）。
- 传播时延：传播时延是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间，计算公式是：传播时延=信道长度（m）/电磁波在信道上的传播速率（m/s）
- 处理时延：主机或路由器在收到分组时花费一定的时间进行处理。
- 排队时延：分组在经过网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。
所以，总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延。
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时延带宽积：传播时延和带宽相乘得到时延带宽积。
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往返时间RTT：从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。
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利用率：利用率有信道利用率和网络利用率两种。信道利用率是指某信道有百分之几的时间时被利用的（有数据通过）。网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均值。信道利用率或网络利用率并非越高越好，会引起延迟。
1.6.2. 计算机网络的非性能指标
费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性和可升级性、易于管理和维护
1.7. 计算机网络体系结构
1.7.1. OSI失败原因
OSI中文为开放系统互连基本参考模型。失败原因：OSI的专家们缺乏实际经验，他们在完成 OSI 标准时缺乏商业驱动力；OSI的协议实现起来过分复杂，而且运行效率很低；OSI标准的制定周期太长，因而使得按 OSI标准生产的设备无法及时进入市场；OS的层次划分不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。
1.7.2. 协议和划分层次
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，网络协议由三要素组成，语法、语义和同步。
分层思想：各层时间是独立的；灵活性好；结构上可分割开；易于实现和维护；能促进标准化工作；
1.7.3. 具有五层协议的体系结构
OSI的体系结构：应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。
TCP/IP的体系结构：应用层、运输层、网际层、链路层。
五层协议的体系结构：应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。
- 应用层：
- 任务是通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用，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叫做报文。
- 主要协议有域名系统DNS、万维网应用的HTTP协议、支持电子邮件的SMTP协议。
- 运输层：
- 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，应用进程利用该服务传送应用层报文。
- 主要协议有传输控制协议TCP、用户数据协议UDP。
- TCP传输单位是段、UDP传输单位是用户数据报。
- 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，
- 网络层把运输层产生的段或用户数据报封装成分组或包进行传送。
- 在TCP/IP体系结构中，网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报或数据报。
- 数据链路层：
- 两台主机之间的数据传送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。
- 数据链路层将网络层交下来的包、分组封装成帧，在相邻节点之间的链路上传输帧。
- 帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）。
- 接收数据时，接收端能够直到哪个书数据部分，如果检查到有差错，就会丢弃这一个帧。如果需要修改差错，就要采用可靠数据传输协议。、
- 物理层：
- 在物理层传输的单位是比特，因此数据是0和1，物理层需要考虑用多大电压表示01，和引脚等。
- 物理传输媒体如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等不在物理层协议里面，而是在物理层下面。
OSI参考模型把对等层之间传送的数据单位称为该层的协议数据单位PDU。
1.8. 本章重要概念
- 计算机网络(可简称为网络)把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络连接在一起，是网络的网络。
- 以小写字母 i开始的 internet (互连网)是通用名词，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。
- 以大写字母 I开始的 Intermet (互联网)是专用名词，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，并采用 TCP/IP 协议族作为通信规则，且其前身是美国的 ARPANET。Internet 的推荐译名是“因特网”，但很少被使用。
- 互联网现在采用存储转发的分组交换技术以及三层ISP 结构。互联网按工作方式可划分为边缘部分与核心部分。主机在网络的边缘部分，其作用是进行信息处理。路由器在网络的核心部分，其作用是按存储转发方式进行分组交换。
- 互联网现在采用存储转发的分组交换技术以及三层ISP 结构。互联网按工作方式可划分为边缘部分与核心部分。主机在网络的边缘部分，其作用是进行信息处理。路由器在网络的核心部分，其作用是按存储转发方式进行分组交换。
- 计算机通信是计算机中的进程(即运行着的程序)之间的通信。计算机网络采用的通信方式是客户-服务器方式和对等连接方式(P2P 方式)。
- 客户和服务器都是指通信中所涉及的应用进程。客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
- 按作用范围的不同，计算机网络分为广域网 WAN、城域网 MAN、局域网 LAN 和个人区域网 PAN。
- 计算机网络最常用的性能指标是:速率、带宽、吞吐量、时延(发送时延、传播时延、处理时延、排队时延)、时延带宽积、往返时间和信道(或网络) 利用率。
- 网络协议即协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则。计算机网络的各层及其协议的集合，称为网络的体系结构。
- 五层协议的体系结构由应用层、运输层、网络层 (或网际层)、数据链路层和物理层组成。运输层最重要的协议是 TCP 和 UDP 协议，而网络层最重要的协议是 IP协议。