1.1

互联网的两个重要基本特点：

• 连通性

  • 无论用户相隔多远，都可以非常便捷、经济地交换各种信息，好像这些用户终端都彼此直接连通一样

• 资源共享

  • 信息共享、软件共享、硬件共享。由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样地地方方便使用

1.2

1.2.1 网络的网络

计算机网络由若干个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、路由器等

网络：把许多计算机连接在一起

互连网(internet)：由多个计算机网络互连而成的计算机网络，网络之间的通信协议没有使用限制

互联网(Internet): 指的是全球最大的、最开放的、由众多网络相互连接而成的特定互联网，采用TCP/IP协议

互连网 (internet) ≠ 互联网 (Internet)

1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

• 1969-1990 从单个网络ARPANET向互联网发展
• 1985-1993 建成了三级结构的互联网，分为主干网、地区网、校园网
• 1993-现在 全球范围的多层次 ISP 结构的互联网，分为主干ISP、地区ISP、本地ISP。（ISP：互联网服务提供者

互联网交换点IXP：允许两个网络直接相连并快速交换分组

 

1.3

1.3.1 互联网的边缘部分(资源子网)

由所有连接在互联网上的主机组成，由用户直接使用，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享

连接在互联网上的所有主机又被称为端系统

计算机之间通信：主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信

端系统之间的通信方式可以分为两大类：

• 客户-服务器方式(C/S方式)
• 对等方式(P2P)

C/S方式描述的是进程之间服务与被服务的关系，客户是服务的请求方、服务器是服务的提供方。通信可以是双向的，客户端和服务器都可以发送和接受数据

P2P的两台主机在通信时不区分服务请求方和服务提供方，只要都运行了P2P软件，就可以进行平等的、对等连接通信。本质上还是C/S方式，只是对等连接中的每一个主机既是服务钱又是客户。

1.3.2 互联网的核心部分(通信子网)

• 是互联网最复杂的部分
• 向网络边缘的主机提供连通性
• 路由器在网络核心部分起特殊作用，是实现分组交换的关键结构
• 转发收到的分组是网络核心的部分的重要功能

交换技术包括：

• 电路交换
• 分组交换
• 报文交换

电路交换：

为了解决电话通信产生的电线对数量很多的问题，采用了交换机的技术，即每一部电话都连接到交换机上去，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

从通信资源的分配角度来看，就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

电路交换分为三个阶段：建立连接(占用通信资源)、通话(一直占用通信资源)、释放连接(归还通信资源)

特点：通话的两个用户始终占用端到端的通信资源，线路传输效率很低

分组交换：

发送端将报文划分成若干段更小的等长的数据段，在数据段前面添加首部，构成分组(分组又称包，分组的首部又称包头)，分组是互联网中传送的数据单元。发送端依次把各个分组发送到接收端，接收端收到分组后剥去首部，还原成原来的报文

优点：

• 高效：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用
• 灵活：为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
• 迅速：以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
• 可靠：保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性

缺点：

• 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，维护转发表等。

报文交换

也是基于储存转发的原理，不过是人工转发，时延较长

 

三种交换方式的比较

• 若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。

• 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。
• 由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。

1.5

计算机网络的定义

较好的一种定义方式：

计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。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。

可编程的硬件一定含有中央处理器CPU

1.6 计算机网络的性能

性能指标：

• 速率：指的是数据的传送速率，是最重要的一个性能指标，也称数据率、比特率

  单位：bit/s、kbit/s、Mbit/s、Gbit/s等等

  小写的b是以10³为进位，大写的B时以2¹⁰为进位

  速率往往指的是额定速率或标称速率，并非实际运行的速率

• 带宽

  • 频域角度：

    指某个信号具有的频带宽度，单位是赫(或者千赫、兆赫、吉赫等)，某信道允许通过的信号频带范围称为该信道的带宽

  • 时域角度：

    网络中某通道传送数据的能力，表示在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

• 吞吐量：单位时间内通过某个网络的实际数据量

  受网络的带宽或者网络的额度塑速率限制，可以是每秒传送的比特数、字节数、帧数

• 时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

  • 发送时延：从数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需要的时间， $发送时延=\frac{数据帧长度(bit)}{发送速率(bit/s)}$

  • 传播时延：电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间，$传播时延=\frac{信道长度(m)}{信号在信道上传播的速度(m/s)}$

  • 处理时延：主机或者路由器在收到分组时，为处理分组(例如分析首部、提取数据、差错检验或者查找路由)所花费的时间

  • 排队时延：分组在路由器输入输入队列中排队等待处理和转发所经历的时延。

    排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量，通信量很大时会发生队列溢出，时得分组丢失。

  • 

  • “在高速链路上，比特会传送的更快速些”，这种说法是错误的，这仅仅降低了发送时延，而不能降低传播时延

• $时延带宽积 = 传播时延 * 带宽$，得到的是第一个比特到达接接收端时，发送端发送了多少的数据，即管道的体积，表示这样的链路可以容纳多少的比特

• 往返时间RTT = 节点A到节点B的传播时延 + 节点B处理时延和排队时延 + 节点B发送时延 + 节点B到A的传播时延，表示从发送方发送完数据，到发送方收到确认来自接收方的确认总共经历的时间

  

  $有效数据率 = \frac{数据长度}{发送时间+RTT}$

• 利用率

  • 信道利用率：信道有百分之几的时间是被利用的
  • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值
  • 信道利用率不是越高越好，信道利用率增大时，时延会迅速增加
  • $网络的当前时延 = \frac{网络空闲时的时延}{1-网络当前的利用率}$

1.7计算机网络的体系结构

发展过程

1974年，IBM公司提出了系统网络体系结构SNA，有分层的结构

1984年，国际标准化组织(ISO)提出开放系统互连(OSI)参考模型，目的是支持 异构网络系统的互联互通，是一个抽象的概念，属于国际标准，理论成功，市场失败。

TCP/IP 被称为事实上的国际标准，它得到了广泛的应用

网络协议

网络协议 (network protocol)，简称为协议， 是为进行网络中的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。

体系结构

OSI将网络分成了7层，从上到下依次是应用层、表示层、会话层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。

前四层是端到端层，后三层是非端到端层

PDU：协议数据单元

数据封装：为了增加控制信息来构造协议数据单元

控制信息包括：

• 地址(Address)：标识发送端/接收端
• 差错检测编码：用于差错检测或纠正。（并不是所有协议都有
• 协议控制：实现协议功能的附加信息，例如优先级、服务质量等等

TCP/IP只有四层协议，从上到下是应用层、运输层、网际层、网络接口层。其中的网络接口层并没有什么具体内容

为了方便学习两者各自的优点，我们将网络分成5层，从上到下是应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层。主要就研究这个五层协议的体系结构

OSI模型

应用层

• 应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。
• 应用层协议定义的是应用进程间通信和交互规则。
• 例如：域名系统DNS，支持万维网应用的HTTP协议等。
• 应用层交互的数据单元称为报文。

表示层

处理两个系统间交换信息的语法与语义

• 数据表示转化

  • 将来自应用层的主机相关的编码转换为一个独立的编码，或者将一个独立的编码转换成主机相关的编码

• 加密/解密

• 压缩/解压缩

• 实现的功能也很少，实际的网络中也不存在这一层

会话层

接受表示层的PDU，构造会话层的PDU，然后发给传输层，并不会进行分割

• 对话控制，支持通信之间的建立、维护、拆除
• 对话的同步，通过插入同步控制点syn来实现的
• 最薄的一层，实现的内容很少，实际上的网络中不存在这一层

传输层

会将来自会话层的报文划分成一个个数据段，构造对应的结构数据单元，然后交给网络层进行传输

负责源到目的(端到端)(进程间)完整报文传输

• 分段与重组

• SAP寻址

  • 确保将完整的报文提交给正确的进程，如端口号

• 端到端的连接控制，一种逻辑连接

• 流量控制

• 差错控制

网络层：

• 逻辑寻址，负责源主机到目的主机数据分组交付，由于可能穿越多个网络，所以需要全局唯一的逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，例如IP地址
• 路由，路径选择
• 分组转发

数据链路层

• 负责结点-结点数据传输
• 组装成帧，每一帧需要包含数据和必要的控制信息，包括帧头和帧尾
• 物理寻址，在帧头中增加发送端和/或接收端的物理地址，标识数据帧的发送端和/或接收端
• 流量控制，匹配发送端的发送速度和接收端的接受速度
• 差错控制
• 访问(接入)控制，在任意给定时刻决定哪个设备拥有链路控制使用权

物理层

• 传输比特

五层参考模型

从上到下分别是:应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层

应用层

• 任务：通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用
• 协议：定义的是应用进程间通信和交互规则
• 把应用层交互的数据单元称为报文
• 例如：DNS、HTTP、SMTP

运输层

• 任务：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

• 具有复用和分用的功能

• 主要使用两种协议：

  • 传输控制协议TCP
  • 用户数据协议UDP

网络层

• 为分组交换网上的不同主机提供通信服务

• 两个具体任务：

  • 路由选择：通过一定的算法，在互联网中的每个路由器上，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，或简称为数据报

数据链路层

• 简称链路层
• 任务：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
• 如发现有差错，就简单地丢弃出错帧
• 如果需要改正出现的差错，就要采用可靠传输协议来纠正出现的错误，但这会使得数据链路层协议复杂

物理层

• 任务：实现比特的传输
• 确定连接电缆的插头应有几个引脚，以及引脚应该如何连接
• 注意：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，并不在物理层协议之内，而是在物理层协议的下面