1.2.1 网络的网络

计算机网络：若干节点和连接这些节点的链路组成

​ 节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等

互连网：多个网络通过一些路由器相互连接，构成更大的网络与网络相连的计算机称为主机；

  • 网络：把许多计算机连接一起；
  • 互联网：连接+信息传输与处理；连通性和资源共享；

1.2.2 互联网基础结发展的三个阶段

第一阶段 1969-1990

ARPANET：最初只是一个单个的分组交换网，不是互连网；

1983 TCP/IP协议成为标准协议，所有使用此协议的计算机可利用互连网相互通信，1983年作为互联网诞生的时间；

1990关闭

第二阶段 1985-1993

国家科学基金网NSFNET；

三级结构：主干网、地区网、校园网（企业网）

覆盖了全美国主要大学和研究所，成为互联网主要组成部分

第三阶段1993

互联网服务提供者ISP：

​ 提供接入到互联网的服务；

​ 收取费用；

多层次ISP结构：

​ 主干ISP地区、地区ISP、本地ISP

​ 覆盖面积大小和所拥有的IP地址数目的不同

互联网交换点IXP：允许两个网络直接相连并快速交换分组

​ 常采用工作在数据链路层的网络交换机；

1.2.3 互联网标准化工作

标准发表：以RFC（Request For Comments）的形式

1.3 互联网组成

分为两部分

边缘部分：所有连接在互联网上的主机组成，由用户直接使用，用来通信和资源共享；

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；

1.3.1 边缘部分

这些主机又称为端系统；

小的端系统：手机，个人电脑；大的：超级计算机，服务器

计算机之间通信：主机A的某个进程和主机B的另一个进程通信；

端系统间的两种通信方式：

  1. 客户/服务器方式（C/S）（Client/Server）：

    客户是服务的请求方，服务器是提供方

    客户程序，被用户调用后运行，主动向服务器发起通信

    服务器程序，不断运行，被动等待、接受客户通信请求

  2. 对等方式（P2P）（Peer to Peer）

    两台主机通信时不区分请求方、提供方；

1.3.2 核心部分

向边缘部分主机提供连通性，使任一主机能向其他主机通信；

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；

分组转发是核心部分最重要的功能；

交换技术：电路交换、分组交换、报文交换

电路交换

两两连接，$$N^2$$

使用交换机：每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。这种交换方式就是电路交换

交换：按照某种方式动态地分配传输线路地资源；

三个阶段：

  1. 建立连接：建立一条专用的物理通路；
  2. 通话：主叫与被叫双方互相通电话；
  3. 释放连接：释放刚才使用的专用的物理通路；

这种必须经过“建立连接”、“通话”、“释放连接”三步骤的交换方式称为电路交换；

通话双方始终占用端到端的通信资源，通信线路利用率低

分组交换

采用存储转发技术，发送端把较长的报文划分成更小的等长数据段；

数据段前面添加首部构成分组，分组又称包，首部称包头

分组交换以分组作为数据传输单元

发送端依次把分组发送到接收端，接收端收到分组后去除首部还原成原来的报文

分组在互联网中的转发：根据首部中控制信息转发，每个分组在互联网中独立选择传输路径；

核心部分路由器负责转发分组，即进行分组交换，路由器要创建和动态维护转发表

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问题：

​ 排队延迟：分组在各路由器存储转发时需要排队；

​ 不保证带宽：动态分配；

​ 增加开销：各分组必须携带控制信息；路由器要暂存分组维护转发表；

报文交换

电报通信，时延长

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连续传送大量数据，且传送时间远大于连接建立时间则电路交换传输速率更快

报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率；

一个分组长度往往远小于整个报文长度，因此分组交换比报文交换时延小，更灵活

1.5 计算机网络的类别

1.5.1 计算机网络的定义

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1.5.2 不同类别的计算机网络

  1. 按网络作用范围分类：广域网、城域网、局域网、个人区域网
  2. 按使用者分类：公用网、专用网
  3. 用来把用户接入到互联网的网络：接入网AN，本地ISP所拥有的网络，既不是核心部分也不是边缘部分，是端系统到本地ISP第一个路由器之间的一种网络；

1.6 计算机网络的性能

1.6.1 计算机网络的性能指标

速率

指的是数据的传送速率，也称数据量、比特率

bit/s kbit/s Mbit/s Gbit/s

速率使用十进制，数据量使用二进制

带宽

某个信号具有的频带宽度；

Hz kHz MHz GHz

某信道允许通过的信号频带范围称为该信道的带宽

网络中某通道传送数据的能力，表示在单位时间内网络中得到某信道所能通过的最高数据率bit/s

吞吐量

单位时间内通过某个网络的实际数据量

受网络的带宽或额定速率限制

​ 额定速率是绝对上限值

有时用每秒传送的字节数或帧数来表示

时延

指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间

发送时延、传播时延、处理时延、排队时延

发送时延：

传输时延，主机或路由器发送数据帧所需时间

发送时延=数据帧长度(bit)÷发送速率(信道带宽)(bit/s)发送时延=数据帧长度(bit) \div 发送速率(信道带宽)(bit/s)

传播时延

电磁波在信道传播一定距离需要的时间

传播时延=信道长度(米)÷信号在信道传播速率(m/s)传播时延=信道长度(米) \div 信号在信道传播速率(m/s)

自由空间：$$3.0 \times 10^5km/s$$

铜线电缆：$$2.3\times 10^5km/s$$

光纤：2.0×105km/s2.0\times 10^5km/s

处理时延和排队时延

处理时延：主机或路由器收到分组时，处理分组花费的时间

排队时延：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理和转发的时间，其取决于网络中当时的通信量，当网络的通信量很大时发生队列溢出，使分组丢失，相当于排队时延无限大；

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对于高速网络链路，提高的仅仅是数据的发送速率（减小发送时延）；

时延带宽积

时延带宽积=传播时延x带宽

又称以比特为单位的链路长度

往返时间RTT

发送方从发送完数据，到发送方收到来自接收方的确认总共经历的时间

RTT=2∗T传播+TB处理+TB排队+TB发送RTT=2*T_{传播}+T_{B处理}+T_{B排队}+T_{B发送}

在互联网中，往返时间通常还包括中间节点的处理、排队时延以及转发数据时的发送时延

利用率

信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的（空闲信道的利用率是0）

网络利用率：全网络的信道利用率加权平均值

过高的利用率可能会导致网络堵塞->排队时延增加

当某信道的利用率增大时，时延会迅速增加

1.6.2 计算机网络的非性能特征

费用、质量、可靠性、标准化、管理和维护、可扩展性、可升级性

1.7 计算机网络体系结构

1.7.1 计算机网络体系结构的形成

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存在两种国际标准：

​ 法律上的国际标准OSI

​ 事实上的国际标准TCP/IP

1.7.2 协议与划分层次

网络协议：简称协议，为进行网络中数据交换而建立的规则、标准或约定

三个组成要素：语法：数据与控制信息的结构或格式；

​ 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；

​ 同步：事件实现顺序的详细说明；

分层的优点：各层之间独立，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；

缺点：有些功能会重复出现，产生额外开销；

各层完成的主要功能：

  1. 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠；
  2. 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收；
  3. 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；
  4. 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；
  5. 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接；

网络的体系结构：计算机网络各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构建所应完成的功能的精确定义

1.7.3 具有五层协议的体系结构

OSI的七层协议体系结构

1
2
3
4
5
6
7
7	应用层
6	表示层
5	会话层
4	运输层
3	网络层
2	数据链路层
1	物理层

TCP/IP四层协议体系结构

1
2
3
4
4	应用层（DNS、HTTP、SMTP）
3	运输层（TCP或UDP）
2	网际层IP
1	网络接口层

五层协议的体系结构

1
2
3
4
5
5	应用层
4	运输层
3	网络层
2	数据链路层
1	物理层

应用层

通过应用进程间的交互来完成特定网络应用

定义的是应用进程间通信和交互的规则

把应用层交互的数据单元称为报文

DNS、HTTP、SMTP

表示层

代码转换、字符转换、数据格式修改、对数据结构操作的适应、数据压缩、加密等

会话层

允许不同机器上的用户之间建立会话关系

运输层

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，在通信两个计算机之间建立连接，实现发送端和接收端的丢包重传、流量控制

具有复用和分用的功能，主要使用TCP、UDP

​ TCP：面向连接、可靠的数据传输服务，传输单位是报文段；

​ UDP：提供无连接的尽最大努力的数据传输服务，传输单位是用户数据报

网络层

为分组交换网上的不同主机提供通信服务，主要负责路由选择和转发

​ 路由选择：通过一定算法，在互联网中的每一个路由器上，生成一个用来转发分组的转发表

​ 转发：每一个路由器在接收到一个分组时，要依据转发表中指明的路径把分组转发到下一个路由器

互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和许多种路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做网际层或IP层

IP协议分组也叫做IP数据报或数据报

链路层

实现两个相邻节点之间的可靠通信

在两个相邻节点间的链路上传送帧

物理层

实现比特的传输

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；

传递信息所利用的一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，不在物理层协议内，而是在物理层下面；

OSI参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元PDU；

任何两个同样层次把PDU通过水平虚线直接传递给对方，这就是对等层间的通信；

各层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；

1.7.4 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：控制两个对等实体进行通信的规则的集合

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

要实现本层协议需要使用下层所提供的服务

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，通常称为服务访问点SAP

SAP是一个抽象的概念，实际上是一个逻辑接口。

OSI把层与层间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU，SDU可以和PDU不一样，例如多个SDU合成一个PDU，一个SDU划分为PDU

1.7.5 TCP/IP的体系结构

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