计算机网络概论

参考书籍：计算机网络——原理与实践 陈鸣编著

网络定义与相关概念

1、计算机网络定义：由通信信道连接的主机和网络设备的集合，以方便用户共享资源和相互通信。

2、计算机网络的主要特征：
（1）通用性，不对特定应用优化
（2）能支持广泛、不断出现的新型应用

3、计算机网络的用途：
（1）共享信息：具有访问在共享存储设备上的数据和信息的能力
（2）协同计算：组织许多计算机共同完成特定的计算任务
（3）方便通信：人之间的信息沟通
（4）共享硬件：访问和使用网络上的特定硬件

4、网络组成：网络实体可抽象为两种基本构件：
（1）结点(node)(亦称节点)：计算设备
（2）链路(link)：物理媒体

5、构成网络的三种方式：
（1）直接连接

• 定义：由某种物理媒体直接相连所有主机组成
• 分类：
  ①物理链路与一对结点相连：点到点链路(point-to-point link)
  ②多结点共享同一物理链路：多路访问链路(multiple access）
  
  （2）网络云
• 定义：交换结点(switching node)形成了交换网，交换网可视为一朵网络云。
• 网络云抽象将网络云内部结点和网络云外部结点分开。
• 网络云需要注意的点：
  ①网络云表示任何类型的网络
  ②通常采用分组交换技术
  ③主机间接连通的第一种方法

知识补充——传输数据的方式
① 分组交换技术：也称包交换技术，是将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组，通过传输分组的方式传输信息的一种技术。
②电路交换： 以电路联接为目的的交换方式是电路交换方式。电话网中就是采用电路交换方式。
③报文交换：中间结点由具有存储能力的计算机承担，用户信息可以暂时保存在中间结点上。报文交换无需同时占用整个物理线路。

（3）网络云互联

• 定义：递归地连接网络云形成更大规模的网络，有很好的扩展性，由网络云构建成网络称为互联网，或网络的网络
• 区分
  internet即互联网
  Internet即因特网
• 需要注意的点：
  ①连接两个或多个网络云的结点称路由器
  ②主机间接连通的第二种方法

6、网络服务：是向用户所提供的有用网络功能，由运行在网络中不同主机上的网络应用程序协作提供。
应用程序运行在端系统上，而不运行在交换机和路由器上。
因特网成功的因素：在网络边缘用软件实现，方便地增加新的网络应用功能

7、因特网组成
（1）网络边缘(edge)：应用与主机；
（2）网络核心(core)：路由器(网络的网络)；
（3）接入网(access network)：连接两者的通信链路

8、因特网结构特点：“端到端原则(end-to-end arguments)”，实现边缘智能，核心简单。具体如下：
（1）将复杂的网络处理功能(如差错控制、流量控制功能、安全保障和应用等)置于网络边缘
（2）相对简单的分组交付功能(如分组的选路和转发功能)置于网络核心
（3）位于网络边缘的端系统的强大计算能力，用软件方式处理大量复杂的控制和应用逻辑，位于网络核心的路由器尽可能简单，以高速地转发分组

补充知识——网络边缘
（1）端系统 (主机)：运行应用程序
eg：Web, 电子邮件
（2）客户(client) /服务器(server)模式：客户主机请求，从总是打开的服务器接收服务
eg：Web浏览器/服务器；电子邮件客户/服务器
（3）对等(peer-to-peer, P2P)模式：最小限度(或不)使用专用服务器
eg：BitTorrent, Skype

补充知识——接入网
定义：将端系统连接到其边缘路由器(edge router)的物理链路及设备的集合

补充知识——网络核心
由许多路由器形成的网状网，大致为等级制

（1）在中心: “第一层”ISP(如UUNet, BBN/Genuity, Sprint, AT&T), 覆盖国家/国际

（2）“第二层” ISP: 较小的(常为区域的) ISP(如中国电信、中国网通、中国移动)

• 与一个或更多的第一层ISP相连，也可能与其他第二层ISP相连
• 大公司和内容提供商(如谷歌) 直接与区域ISP甚至第一层ISP相连
  
  （3）“第三层” ISP和本地ISP ，最后一跳(“接入”)网络(最靠近端系统)
  
  最终达成：
  

协议分层与服务模型

1、网络协议

• 定义：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定即称为网络协议(network protocol)
• 网络协议3要素：
  语法 ：数据与控制信息的结构或格式
  语义：发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
  定时（同步）：事件实现顺序的详细说明

注意：网络协议不是万能的：红蓝军问题

2、网络中如何“分而治之”：
（1）找出相对独立的重要功能
（2）梳理功能间关系，使一个功能为另一功能提供服务
（3）相近功能仅在一个层次中实现，并尽可能位于较高层次

3、层次:
（1） 每一层实现一种服务
（2）经其层内功能
（3）依赖下层提供的服务

知识补充——分层的原因
在处理复杂系统时，可以：
（1）简化系统设计：明确结构能够标识复杂系统构件间的关系
（2）模块化易于维护、系统的更新：改变各层服务实现对系统其他部分透明

知识补充——网络分层方法要点：
（1）网络功能模块化，去除不同网络应用之间以及网络应用与网络技术之间的紧密耦合
（2）用端到端原则决定网络关键功能应当在哪些模块中实现

注意：一个分层的体系结构允许通过定义良好的接口，将大而复杂的系统划分为不同层次

4、报文在各层之间的传递

5、水平协议和垂直服务

一般来说，协议是“水平的”，服务是“垂直的”，而且向上的服务利用了下层的功能。

6、几种常用体系的介绍
（1）OSI 7层体系模型
（2）TCP/IP体系结构:TCP/IP 的体系结构层次自上而下是应用层、运输层、网络层和网络接口层。其特点为：协议栈呈沙漏形状，IP作为体系结构的细腰，一方面IP之上可以通过运输层协议，为多种应用程序提供不同的信道抽象，即一切运行在IP之上;其次，多种异构网络可以通过IP实现互联互通，及IP运行在一切网络之上。这一设计理念能够使高层应用和底层通信网技术独立发展，大大提高了因特网的灵活性。

（3）教学使用的5层网络体系

7、因特网标准化工作

• 分类：专用的、开放的和事实上的
• 因特网标准是开放、免费的
• 请求评论(Request For Comments，RFC)
• 因特网工程任务组(Internet Engineering Task Force, IETF)
• 因特网研究任务组(Internet Research Task Force, IRTF)
• 电气及电子工程师协会(IEEE) 802工程

8、时延和丢包产生的原因：
分组在路由器缓存中排队 ：
①分组到达链路的速率超过输出链路能力将导致分组排队
②分组在缓存中排队等待交换，排队过多则丢包

知识补充——时延的种类
（1）处理时延：检查比特差错，决定输出链路，发生在结点中，通常几个微秒或更少
（2）排队时延：等待输出链路传输的时间，取决于路由器拥塞的等级，发生在结点中，取决于拥塞
（3）传输时延(发送时延)：R= 链路带宽 (bps)，L= 分组长度 (比特)，发送比特进入链路的时间= L/R，对低速链路很大，发生在发送器中
（4）传播时延：在链路上产生的时延，几微秒到几百毫秒

总结：结点的时延=处理时延+排队时延+传输时延+传播时延。

知识补充——丢包率

• 定义：在一定的时段内在两结点间传输过程丢失分组数量与总的分组发送数量的比率
• IP网丢包主要原因：路由器无法容纳到达的分组，只能丢弃(drop) 到达的分组

注意：
丢包率指标非常重要，丢包率高的网络无法使网络应用正常工作。

9、带宽和吞吐量
（1）网络带宽：链路在一段特定的时间内所能传送的比特数的额定值
（2）吞吐量：网络在单位时间内无差错地传输数据的能力
（3）瓶颈链路：路径中可用带宽最小的链路)
（4）可用带宽：带宽与干扰流量之差

10、跳与路径

• 路径：可以定义为形式为<h0， l1， h1，…，ln，hn>的序列，是单向的

假设：每个hi是一个结点，每个 li 是一条hi-1到hi之间的链路

• 对于端到端路径而言，h0和hn是端系统，而 h1…hn-1 是路由器。每个<li，hi>二元组被称为一“跳”

11、时延与带宽乘积的物理意义：
应用进程之间的信道看作中空的管道，时延相当于管道的长度，带宽相当于管道的直径，则时延与带宽乘积就是管道的容积，即管道能够容纳的比特数。

最后

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