计算机网络笔记第一章概念

一、介绍

(1)什么是因特网

计算机网络：多个使用电信系统telecommunication互联起来的计算机实现互相通信，实现资源共享

计算机网络可以连接多台任何地方的自治的计算机

1.计算机网络的组成

a.硬件：

​ 1.终端系统（End Systems）：主机Host、个人电脑PC、大型机Mainframe、客户端Client、工作站Workstation、服务器Server

​ 2.中间系统（Intermediate Systems）：让终端系统之间实现通信的系统。交换机Switch、Router

​ 3.接口（Interface）：网络接口卡（网卡）NIC、调制解调器Modem

​ 4.物理媒体（Medium）：将终端系统、中间系统、接口连起来的东西

​ 双绞线Twisted Pair、同轴电缆Coaxial cable、光纤Fiber、无线Wireless

b.软件：

​ 1.协议Protocol：CSMA/CD、传输控制协议/IP协议 TCP/IP、UDP、PPP、ATM

​ 2.应用Applications：HTTP、SMTP、文件传输协议FTP、Telnet

2.网络的应用

1.资源共享：硬件共享（计算资源computing resources、硬盘disks、打印机printers）、软件共享（应用软件从某个网址中下载出来）

2.信息共享：任何时间地点访问（files、databases）、搜索能力提升（WWW）

3.通信：消息的广播、信息的传递、邮件的传输

4.远程计算Remote computing：不一定在自己的电脑上进行计算

5.网格计算distributed computing（Grid computing）

3.网络的分类category

1.拓扑分类Topology：描述网络的线路、设备、如何布局

​ a.总线型拓扑Bus：所有设备都是被一根线来连接的，数据会汇总到总线（线性总线）上

​ b**.星、树型拓扑**Star、Tree：以太网中经常使用。外围所有结点都连接到中间结点。若网络规模大，使用树形。树形中会使用一些网络设备来进行真过滤和包过滤（不让消息全网扩散），如bridges（网）桥、交换机switches、routers路由器。

​ c.环形拓扑ring：单环single、双环dual。可以顺时针或逆时针绕圈走。结点发送数据帧时会记录目的结点的地址，直到到达目的地址后将帧的数据提取出来。对于双环可以让两个环顺序不同。

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2.网络规模分类scale：

​ a.局域网LAN(MAN小一点)：由一组计算机和相关的设备连接到一起，这些设备共享通信线路不论有线还是无线，在一个比较小的地理区域中。

​ b.广域网WAN：地理分散的电信网络构成的。

​ c.国际互联网Internet：世界上的大型计算机网络，由网络构成的网络a network of networks，许多局域网的互联。

3.范围分类boundary：

​ a.内联网：事业单位内部专用网络。

​ b.外联网：公用网络，用互联网技术和电信系统可以和其他人共享企业信息或操作。相当于公司的内网扩展到客户。

4.什么是Internet

构成的角度：

1.internet是由数以百万计的互联的设备构成的。主机就是终端系统。

2.运行很多应用

3.包含通信线路，传输速率transmission rate=bandwidth带宽

4.包含路由器，用来转发packets分组（大块的数据）

5.包含协议，用来控制和接收报文

6.由网络构成的网络a network of networks，是松散分层的loosely hierarchical，公共国际互联网

7.有许多标准，写成RFC文档（请求评论文档），IETF进行相关工作

服务的角度：

1.有通信的基础设施实现分布式的应用

2.提供给应用程序通信服务，有无连接不可靠的服务和面向连接的可靠的服务。

5.什么是协议

协议定义了网络实体间发送和接收消息的格式和顺序。

(2)网络的边缘部分

网络边缘包括主机和主机上运行的应用。

网络的核心部分包括路由器和由路由器组成的网络，网络中包含接入网络和物理媒体构成通信网络。

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1.终端系统（主机）

运行了一些应用系统。采用的是CS模型（client/server model），客户主机发送请求和接收服务，服务器要随时提供服务。还有对等模型（peer-peer model），尽量少或不用专门的服务器，主机可以同时是服务器。

2.提供的服务

1.面向连接的服务connection-oriented service

连接就是两个对等实体进行数据通信连接的一种结合

三个阶段：建立连接、数据传输、连接释放

目标：终端系统之间实现数据传输，handshaking握手就是建立数据连接之前做的准备工作，主要是在通信主机之间建立状态，让双方及沿途所有设备做好数据传输准备。

TCP就是这种服务。(1) TCP提供可靠的按序的字节流传输，如果数据丢失loss就进行确认acknowledgement和重传retransmissions. (2) TCP提供流控制flow control，发送方不能超过处理速度。（3）提供拥塞控制congestion control，出现拥塞之后，发送方要降低发送速度。

2.无连接的服务connectionless service

两个实体之间的通信不需要事先建立好一个连接

下层的相关资源不需要预留，在数据传输时动态分配

两个实体之间不一定同时活跃

没有流控制和拥塞控制

尽最大努力提供的服务

不能防止报文的丢失、重复和失序，不可靠的服务

目标：实现终端之间数据的传输。

UDP协议就是无连接服务。无连接、不可靠、无流、拥塞控制。

3.例子

TCP：HTTP、FTP、Telnet、SMTP

UDP：流媒体streaming media（在线看视频）、teleconferencing、DNS、Internet telephony、QQ

(3)网络的核心部分

互联的路由器之间的有机组合。

一、转发方式：

1.电路交换circuit-switching：每一次通信都建立一个专门的电路（电话）

带宽bandwidth：bits per second

资源预留：带宽、交换机的处理能力、预留资源不能共享（没有数据传递时不共享）

一定程度上保证通信性能、但是需要通信建立阶段（提前的预留）

电路交换必须是面向连接的。在通信的全部时间内两个用户始终占用固定传输带宽。

传输计算机数据效率较低。

计算机网络中，网络资源将被划分成片pieces。片会被分配给两个通信对，没使用就处于空闲。

一定进行复用multiplexing（划分成片）。

划分方式：频分划分frequency division（FDM）、时分划分（TDM）、码分划分（CDM）

例子：调频广播

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TDM中一列的频率叫一个时隙，四个一组叫一个时分复用帧（1帧125ms）

时分复用可能会造成线路资源浪费

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统计时分复用STDM

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2.分组交换packet-switching：分成许多离散的块

分组packet：将用户传输数据划分为几个部分，每个部分叫分组

分组交换路由器之间是将每个组的数据传输完之后就可以继续传递了。

每个端到端的数据流都要划分成报文/分组packet。资源按需使用，使用时带宽占满。

资源竞争contention：1.总资源需求超过可用范围 2.拥塞congestion（同时需要）：排队、优先级 3.存储store转发forward模式：每次分组只能从一个路由器转移到另一个路由器，且转发之前接收到所有分组

统计复用statistical multiplexing ：如何对一个路由器到达的两个分组的信息进行排序

分组交换更适合突发数据，而且分组交换比较简单，有可能产生过度的拥塞（产生延迟丢失）

于是人们设计出协议，保证可靠数据传输，解决拥塞问题

存储转发模式：

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L是一个分组的数据量（7.5Mbits），R是传输量（1.5Mbps），延迟delay = 3L/R = 15s

分组交换的两种网络：

1.数据报网络datagram network：目的地址放于报文前面进行选路，路径可能改变

2.虚电路网络virtual circuit（走固定路径）：每个分组携带标签（虚电路ID，决定下一步怎么走），路由器保存每一个通话相应的状态

二、网络分类Taxonomy

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(4)网络接入access和物理媒体

1.终端和路由器的连接方式：

a.住宅接入residential access nets

点对点的接入。

1.最早是调制解调器上网（猫，拨号上网）Dialup via modem，(经常<)56kbps，不能同时上网和打电话。

2.ADSL（非对称数字用户线路）分为上行电路uppstream1Mbps（长传）和下行电路downstream8Mbps（下载），FDM：0-4kHz电话，4-50上行，50-1MHz下行

3.HFC（混合光纤同轴电缆）：30Mbps下行，2M上行，用电缆和光纤连接用户和路由器，家庭共享路由器

b.公司接入institutional

局域网LAN连接到边缘路由器上

现在一般用以太网Ethernet：有共享和专用电路，10M、100M

c.移动接入mobile

无线接入Wireless：通过无线电连接到路由器，通过基站（接入点）Access point

早期用802.11b协议：11M

广域无线接入Wider-area（电信），欧洲：WAP/GPRS

2.物理媒体

把网络上的各个终端互联起来的物理线路，单位：Bit，发送方和接收方传输比特流。

a.物理链路physical link：传输放和接收方的链路就是物理链路

b.媒体分成引导性guided媒体（信号在固体链路中传播）和非引导unguided性媒体（信号不受控制，自由传播）

1.双绞线Twisted Pair（TP）：3类（电话线）、5类双绞线（密度大、快，交叉点近）

无屏蔽双绞线UTP（局域网中）、有屏蔽双绞线STP

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2.同轴电缆coax

套在一起的两个同心铜导体组成，可以实现双向数据传送。分别叫内导体（传数据）和外导体（接地、屏蔽干扰）。分为基带baseband（只能传纯粹的信号）和宽带broadband（多路信号、住宅用的HFC）。

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3.光纤fiber（玻璃的，携带光信号）

高速点对点数据传输，错误率低，需要中继器repeater（信号放大重整），免疫电磁干扰。

原理：光信号一直反射进行传输。

分为单模光纤和多模光纤（传输多路信号）。

4.无线电radio（电磁波传送，双向）

会受到干扰和固体阻碍和电磁波干扰。

类型：地面微波terrestrial microwave，局域网LAN（Wifi），广域无线电wide-area，卫星通信satellite

(5)Internet体系结构和ISP

1.Internet（由许多网络构成的网络）

分级的结构。

2.ISP（因特网服务提供商）

a.顶层ISP（第一层ISP）

Internet中心含有顶层ISP（“tier-1” ISP）：MCI、Spirit、AT&T、Cable and Wireless。

应该是国家和国际规模。

顶层ISP可以通过网络接入点NAP来访问公网

b.第二层ISP：“tier-2” ISP

规模通常小于第一层ISP，区域覆盖更小，服务客户少。

第二层ISP可以直接或通过NAP连接到第一层ISP。

通常连接于第一层ISP，可以连接多个顶层ISP。同样也可以与二层ISP连接。

一般连接于第一层ISP需要收费，

c.第三层ISP和本地ISP（local ISP）

通常第三层ISP和本地ISP就是网络核心部分的边缘，最靠近终端。

3.两个终端的联系方式（分组流动的路线）

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(6)分组交换网络中时延delay和报文丢失loss

1.发生条件：

报文在路由器缓存里排队，如果报文的到达速率超出输出链路的处理能力就会形成排队，产生时延。（发送速率>处理速度）

当路由器的缓存占满，分组就会丢失。

※2.分组产生的四种时延

a.节点处理时延nodal processing（几微秒）

当分组到路由器，路由器需要检查比特差错，产生时延。

到达出口，通过分组里的某些信息，路由器选择合适出口出去。

取决于当前路由器忙碌程度、处理能力。

b.排队时延queueing

输出链路等待被传输的时间，时延大小取决于路由器的拥塞程度。

取决于路由器的拥塞、繁忙程度。

R：带宽 L：分组大小 a：平均分组到达率

流量强度traffic intensity = La/R（衡量网络性能）

流量强度接近0：平均排队延迟小，趋近于1：时延变大，大于1：来的多于处理的

c.传输时延transmission delay（毫秒~微妙）（低速电路明显）

把分组中所有比特都推向输出链路需要的时间。

计算：R(带宽bandwidth)(bps)，L(分组大小)(bits),时间=L/R

取决于链路带宽、分组大小。

d.传播时延propagation delay（几百毫秒）

计算：d(物理链路长度),s(电流传播速度)，时延=d/s

取决于链路长度。

d/s*R:时延带宽积，表示链路容纳多少数据，可以计算利用率。

e.总时延

d_nodal = d_proc + d_queue + d_trans + d_prop

3.诊断程序Traceroute program

能够追踪到经过的路由器，并计算时延。

原理：发三个探测报文，每到一个路由器就回发，然后发三个到下一个路由器

4.分组丢失packet loss

链路缓存队列有限，缓存占满，导致溢出。

丢失的分组可以由前一个节点重传或源节点重传或不处理。

(7)协议层次protocol layers、服务模型service models

1.网络协议Internet protocol

a.定义：

为进行网络中数据交换而建立的规则、标准或约定。

b.组成：

语法（数据信息和控制信息的结构或格式）、语义（发什么样的控制信息和什么样的响应）、同步（时间顺序的详细说明）

2.协议层次

文件传送模块：最高层，文件接收（文件格式协商完毕）

通信服务模块

网络接入模块：与网络细节有关的工作，如传输帧的格式、帧的最大长度

a.组成

主机、物理链路、应用程序、协议、硬件、软件

b.好处和坏处

好：分层就是将整体分成具有各自职能的小部分，便于维护和更新。

一层的功能变化不会影响其他功能。

坏：可能会重复出现

可能会需要其它层的信息，增加了通信

c.典型的协议分层 ISO:OSI和TCP/IP

ISO:OSI:开放系统互联基本参考模型

为了互联不同体系结构的网络，理论上的标准，七层。

TCP/IP：

工业驱动产生，五层

3.协议栈Internet Protocol Stack

下层是为上层提供服务的。

应用层：支持网络应用 FTP、SMTP、HTTP、POP3

传输层：主机到主机的传输 TCP、UDP

网络层：源节点到目的结点找路（找路由）。IP、routing protocols、ICMP、IGMP、RIP

数据链路层：相邻网络元素之间进行数据传输 PPP、Ethernet

物理层：真实电路的比特传输

封装Encapsulation：从上到下的进行打包

**解封装：**从下到上分解

交换机switch：只工作到数据链路层（2层）

路由器router：工作到网络层（3层）

4.协议数据单元PCD in TCP/IP

应用层：message报文

传输层：segment报文段

网络层：datagram数据报

数据链路层：frame帧

物理层：比特的形式，packet

5.TCP/IP的协议族suite

许多协议构成的整体。

6.实体、协议、服务和服务访问点

实体Entity：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

协议、服务：控制两个对等实体进行通信的规则的集合。（使本层能为上层服务）

实现本层的协议需要使用下层提供的服务。

本层用户只能看到下层提供的服务，不能看到下层的协议。

服务访问点SAP：同一系统相邻两层实体进行交互的地方就是SAP

交互源语：请求、指示、响应（用户实体对时间的响应）、确认

（假设左侧是发送端，右侧是接收端）

左侧发送请求从n+1到n层，右侧通过协议接收后，右侧发送指示从n到n+1层，接收到后，右侧n+1到n发送响应源语，然后左侧收到右侧通信后向n+1发送确认。

今天的文章计算机网络笔记第一章概念分享到此就结束了，感谢您的阅读。