计算机网络——第一章 概述（入门必看）

湖大的计网是在大三下才学，博主想提前了解便在b站上找了一个还不错的课程，链接放这里计算机网络微课堂。课程比较生动，还是挺推荐的。学习期间做了一些笔记，希望对大家有所帮助。

1.2 因特网的概述

网络、互联网和因特网

1. 网络由若干结点（Node）和连接这些结点的链路（Link）组成。如图所示，4个结点和3段链路（可以是有线链路，也可以是无线链路）就构成了一个简单的网络。
   
2. 多个网络还可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网。因此，互联网是“网络的网络”
   
3. 因特网（Internet）是世界上最大的互连网络（用户数以亿计，互连的网络数以百万计），以后的笔记中一朵云表示因特网。连接在因特网上的计算机称为主机。
4. 注意：

因特网发展的三个阶段

ISP

1. ISP是因特网服务提供者，普通用户是通过ISP接入因特网的。ISP可以从因特网管理机构申请到成块的IP地址，同时拥有通信线路以及路由器等连网设备。任何机构和个人只要向ISP交纳规定的费用，就可以从ISP得到所需要的IP地址。因特网上的主机都必须有IP地址才能进行通信。如图所示，我国主要的ISP是中国电信，中国联通和中国移动这三大电信运营商。
   
2. 根据提供服务的覆盖面积大小及拥有的IP地址数量不同，ISP可分为不同的层次。如图所示是基于ISP的三层结构的因特网。

• 最高级别的第一层ISP的服务面积最大，通常被称为因特网主干网，能覆盖国际性区域范围，拥有高速链路和交换设备。第一层ISP之间直接互联。
• 第二层ISP和一些大公司都是第一层ISP的用户。通常具有区域性或国家性覆盖规模，与少数第一层ISP相连接。
• 第三层ISP又称为本地ISP，是第二层ISP的用户，且只拥有本地范围的网络。一般的校园网或企业网，以及住宅用户和无限移动用户，都是第三层ISP的用户。
  
  注意：
• 因特网逐渐演变成基于ISP的多层次结构网络，但如今的因特网规模太大，已经很难对整个网路的结构给出细致的描述。
• 相隔较远的两台主机间的通信可能需要经过多个ISP。
• 一旦某个用户能够接入因特网，那么他也可以成为一个ISP。所需要做的就是购买一些如调制解调器或路由器这样的设备，让其他用户能够和他相连。所以一个ISP可以很方便地在因特网拓扑上增添新的层次和分支。

因特网的标准化工作

因特网的组成（功能上）

1. 边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据，音频或视频）和资源共享。边缘部分中的主机，可以是台式电脑或大型服务器，也可以是笔记本电脑，手机，智能手表以及物联网智能硬件。
2. 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，这部分是为边缘部分提供服务的，也就是提供连通性和交换。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，但我们不称它为主机。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，这是网络核心部分最重要的功能。
   

1.3 三种交换方式

电路交换

1. 定义：电话交换机接通电话线的方式称为电路交换。交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
2. 问题： 若电话之间用电话线两两相连，则需要的电话线数目太多，n台机子需要n(n-1)/2条电话线。
3. 解决方法：使用一个中间设备将这些电话连接起来，这个中间设备就是电话交换机。

• 可以把电话交换机简单地看成是一个有多个开关地开关器，可以将需要通信地任意两部电话的电话线路按需接通，从而大大减少了连接的电话线数量。
• 当电话机的数量增多时，就需要很多彼此连接起来的电话交换机来完成全网的交换任务。用这样的方法就构成了覆盖全世界的电信网。
  

4. 电话交换的三个步骤

• 建立连接（分配通信资源）。例如，在使用电话交换打电话之前，必须先拨号请求建立连接。当被叫用户听到电话交换机送来的拨号音并摘机后，从主叫端到被叫端就建立了一条连接（一条专用的物理通路）。这条连接保证了双方通话时所需的通信资源，这些资源在双方通信时不会被其他用户占用。
• 通话（一直占用通信资源）。也就是主叫和被叫双方互相通电话，在整个通话期间，第一步建立连接所分配的通信资源始终被占用
• 释放连接（归还通信资源）。也就是通话完毕挂机后，电话交换机释放刚才使用的这条专用的物理通路。即把刚才占用的所有通信资源归还给电信网

注意：虽然可以使用电路交换来传送计算机数据，但其线路的传输效率往往很低。因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的，当用户正在输入和编辑一份待传输的文件时，用户所占用的通信资源暂时未被利用，该通信资源也不能被其他用户利用，那么通信线路资源就被浪费了，所以计算机网络通常采用分组交换，而不是电路交换。

分组交换

1. 在因特网中，最重要的分组交换机就是路由器，它负责将各种网络互联起来，并对接收到的分组进行转发，也就是进行分组交换。
2. 例子：

• 假设主机H6的用户要给主机H2的用户发送一条消息，把表示该消息的整块数据称为一个报文，把较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段。
• 在每个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组，也可简称为包，首部也可称为包头。
• 首部中包含了分组的目的地址，分组交换机（路由器）收到一个分组后，先将分组暂时存储下来，再检查其首部，按照首部中的目的地址进行查表转发，找到合适的转发接口，通过该接口将分组转发给下一个分组交换机
• 主机H6将构造出的分组依次发送出去，各分组经过途中各分组交换机的存储转发，最终到达主机H2。主机H2收到分组后，去掉首部，将各数据段组合还原出原始报文。
  
  
  注意：
• 各分组从源站到达目的站可以走不同的路径（不同的路由）
• 分组乱序：分组到底目的站的顺序不一定与分组在源站的发送顺序相同。

报文交换

1. 报文交换中的交换结点也采用存储转发方式，但报文交换对报文的大小没有限制，这就要求交换结点需要有很大的缓存空间。报文交换主要用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。

三种交换方式对比

1. 假设A,B,C,D为分组传输路径上要经过的4个结点交换机，纵坐标为时间

• 对于电路交换：通信之前先建立连接；建好后可进行数据传送；数据传送结束后，需要释放连接。当建立连接后，中间各结点交换机是直通的，比特流可以直达终点。
• 对于报文交换：可以随时发送报文，不需要事先建立连接；整个报文先传送到相邻结点交换机，全部存储下来后进行查表转发，转发到下一个结点交换机。需要各结点有较大的存储空间
• 对于分组交换：可以随时发送分组，不需要事先建立连接；将构成原始报文的一个个分组，依次在各结点交换机上存储转发。各结点交换机在发送分组的同时，还缓存接收到的分组。相比报文交换，减少了转发时延，还可以避免过长的报文长时间占用链路，同时有利于进行差错控制。
  

1.4 计算机网络的定义和分类

定义

计算机网络是由一些通用的、可编程的硬件互联而成的，这些硬件并非专门用来实现某一特定目的。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
（1） 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而包括了智能手机等智能硬件。
（2） 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用。

分类

• 按交换技术分类
  电路交换网络，报文交换网络，分组交换网络

• 按使用者分类
  公用网：又称为公众网，电信公司出资建造的大型网络
  专用网：某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络

• 按传输介质分类：
  有线网络：双绞线网络，光纤网络
  无线网络：WIFI

• 按覆盖范围分类
  广域网WAN: 称为远程网，几十公里到几千公里，可以覆盖国家、横跨几个洲。其是Internet的核心部分，为核心路由器提供远距离高速连接。
  城域网 MAN:覆盖范围一般为一个城市，距离为5到50公里。互联大量企业，机构和校园局域网
  局域网 LAN:用微型计算机或工作站通过高速通信路线相连，速率可达10Mbit/s以上，距离一般在1公里左右。
  个域网 PAN:不用来连接计算机，用无线技术连接耳机，键盘，鼠标，便携式计算机等。也称为无线个人区域网WPAN。覆盖范围一般为10m。如果中央处理机之间的距离非常近（一米内），则称为多处理机系统，而不称为计算机网络。

• 按拓扑结构分类
  总线型网路：使用单根传输线把计算机连接起来，它的优点是建网容易，增减结点方便，节省路线。缺点是重负载时通信效率不高，总线任意一处出现故障，则全网瘫痪。
  星型网路：将每个计算机都以单独的线路与中央设备相连。中央设备早期是计算机，后来是集线器，现在一般是交换机或路由器。优点是便于集中控制和管理，因为端用户之间的通信必须经过中央设备。缺点是成本高，中央设备对故障敏感。
  环型网络：将所有计算机的网络接口连接成一个环。典型例子是令牌环局域网。环可以是单环，也可以是双环，环中信号是单向传输的。
  网状型网络：一般情况下，每个结点至少由两条路径与其他结点相连。多用在广域网中。其优点是可靠性高，缺点是控制复杂，线路成本高。
  注意：以上四种基本的网络拓扑，还可以互连为更复杂的网络。
  

1.5 计算机网络的性能指标

速率

注意:厂家给出的单位GB中的G是10的9次方，而操作系统中数据量单位GB中的G为2的30次方。

带宽

吞吐量

时延（重点）

时延带宽积

往返时间

利用率（重点）

丢包率

1.6 计算机网络体系结构

常见的计算机网络体系结构

1. 开放系统互连参考模型OSI，其是一个七层协议的体系结构。TCP/IP体系结构有四层。
   （1）OSI协议实现起来过分复杂，而且运行效率很低，层次划分也不太合理（有些功能在多个层次中重复出现）。
   （2）TCP/IP将OSI体系中的物理层和数据链路层合并成为了网络接口层，并去掉会话层和表示层。
   （3）由于TCP/IP在网络层使用的协议是IP协议（网际协议），TCP/IP的网络层通常称为网际层。
   
2. 若用户要接入因特网，则需要用户的主机必须使用TCP/IP协议。在用户主机的操作系统中，通常带有符合TCP/IP体系结构标准的TCP/IP协议族。而用于网络互联的路由器中，也带有符合TCP/IP体系结构标准的TCP/IP协议族，只不过路由器一般只包括网络接口层和国际层。TCP/IP体系结构的网络接口层没有规定什么具体的内容，这样的目的是为了互联全世界各种不同的网络接口，比如以太网接口或者WIFI接口。所以本质上，TCP/IP协议只有上面三层。

• IP协议是TCP/IP体系结构网际层的核心协议。

• TCP和UDP是TCP/IP体系结构运输层的两个重要协议。

• TCP/IP体系结构的应用层包含了大量的应用层协议，例如HTTP，SMTP，DNS，RTP。

• IP协议可以将不同的网络接口进行互连，并向其上的TCP协议和UDP协议提供网络互联服务。而TCP协议在享受IP协议提供的网络互联服务的基础上，可向应用层的相应协议提供可靠传输的服务。UDP协议在享受IP协议提供的网络互连服务的基础上，可向应用层的相应协议提供不可靠传输的服务。
  

• IP协议作为TCP/IP体系结构中的核心协议，一方面负责互连不同的网络接口（IP over everything），另一方面为各种网络应用提供服务(Everything over IP)。
  

• 在TCP/IP协议中包含大量的协议，IP协议和TCP协议是其中非常重要的两个协议，因此，用TCP和IP这两个协议表示整个协议大家族，常称为TCP/IP协议族。

3. 原理体系结构
   

计算机网络体系结构分层的必要性

1. 计算机网络是个非常复杂的系统。分层可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。
2. 问题划分

• 物理层：
  （1）传输媒体并不属于物理层，它不包含在体系结构之中。
  （2）计算机中传输的信号并不用如图所示的方波。
  
• 数据链路层：
  
• 网络层
  
• 运输层
  
• 应用层
  

计算机网络体系结构分层思想举例

1. 主机属于网络N1，Web服务器属于网络N2，N1和N2通过路由器互连。我们使用主机中的浏览器来访问Web服务器。当输入网址后，主机会向Web服务器发送请求，Web服务器收到请求后，会发回相应的响应。主机的浏览器收到响应后，将其解析为具体的网页内容显示出来。主机和Web服务器之间基于网络的通信，实际上是主机中的浏览器应用进程，与Web服务器中Web服务器应用进程之间基于网络的通信。

• 应用层按照HTTP协议的规定，构建一个HTTP请求报文。应用层将HTTP请求报文交付给运输层处理。
• 运输层给HTTP请求报文添加一个TCP首部，使其成为TCP报文。该首部的作用主要是为了区分应用进程，以及实现可靠传输。运输层将TCP报文段交付给网络层处理。
• 网络层给TCP报文段添加一个IP首部，使其成为IP数据报。该首部的作用主要是为了使其可以在互连网上传输，也就是被路由器转发。网络层将IP数据报交付给数据链路层处理。
• 数据链路层给IP数据报添加一个首部和一个尾部，使其成为帧。该首部的作用主要是为了让帧能够在一段链路上，或一个网络上传输，能够被响应的目的主机接收。该尾部的作用是为了让目的主机检查所接受到的帧是否有误码。数据链路层将帧交付给物理层
• 物理层将帧看作是比特流，物理层还会给该比特流前面添加前导码。其作用是为了让目的主机做好接受帧的准备。物理层将添加有前导码的比特流，变换成相应的信号发送给传输媒体。
• 信号通过传输媒体到底路由器。
• 然后路由器和Web进行类似的操作，最终给主机发送HTTP响应报文。
  

计算机网络中的专用术语

1. 分为三类
   

• 实体
  
• 协议（逻辑通信并不存在，只是我们假设出来的一种通信，目的在于我们单独研究体系结构的某一层）
  
  
• 服务
  

2. 总结

最后

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