【王道·计算机网络】第一章 计算机网络基本体系

一、 计算机网络概述

1. 概念

计算机网络是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。简而言之，计算机网络就是一些互联的(通过通信链路互联互通)、自治的计算机系统的集合。

2. 功能

1. 数据通信：最基本和最重要的功能，用来实现联网计算机之间各种信息的传输，并将分散在不同地理位置的计算机联系起来，进行统一的调配、控制和管理。
2. 资源共享：软件共享、数据共享、硬件共享
3. 分布式处理：的某个复杂任务分配给网络中的其他计算机系统，eg.Hadoop平台
4. 提高可靠性：计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机
5. 负载均衡：将工作任务均衡地分配给计算机网络中的各台计算机，各计算机之间更亲密

3. 发展

1. 第一阶段：美国国防部高级研究计划局ARPA设计ARPAnet阿帕网(只可连接统一类型网络) → internet互联互通网络 → TCP/IP协议选定Internet为主要的计算机通新系统 → Internet因特网
   PS.网络把许多计算机连接在一起；互联网把许多网络连接在一起；因特网是世界上最大的互联网
2. 第二阶段：NSF建立国家科学基金网NSFNET：校园网 → 地区网 → 主干网
3. 第三阶段：多层次的ISP(因特网服务提供者/提供商)结构：主干ISP → 地区ISP → 本地ISP
   PS.IXP因特网交换点，提高数据转发分组速率

4. 组成

4.1 组成部分：硬件、软件、协议

• 硬件：主机（也称端系统）、通信链路（如双绞线、光纤）、交换设备（如路由器、交换机等）和通信处理机（如网卡）等组成。
• 软件：各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件（如网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等）。协议：计算机网络的核心，规定了网络传输数据时所遵循的规范。

4.2 工作方式：边缘部分、核心部分

• 边缘部分：由所有连接到因特网上、供用户直接使用(C/S方式，P2Ppeer-to-peer方式)的主机(端系统)组成，用来进行通信(端对端的进程间通信)和资源共享；
• 核心部分：由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务。

4.3 功能组成：通信子网、资源子网

• 通信子网：由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，它使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现联网计算机之间的数据通信。
• 资源子网：实现资源共享功能的设备及其软件的集合,向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务。
  

5. 分类

• 按分布范围分类：广域网WAN(因特网的核心，交换技术)、城域网MAN、局域网LAN(广播技术)、个人区域网PAN
• 按使用者分类：公用网、专用网
• 按交换技术分类：电路交换(建立连接、传输数据和断开连接)、报文交换(存储转发)、分组交换(存储转发)
• 按拓扑结构分类：总线型、星型、环型、网状型
• 按传输技术分类：广播式网络(共享一个公共通信信道)、点对点网络(分组存储转发与路由选择机制)
• 按传输介质分类：有线网络(双绞线网络、同轴电缆网络等)、无线网络(蓝牙、微波、无线电等类型)

6. 标准化工作

• 标准的分类：法定标准、事实标准
• RFC （Request For Comments） ：因特网标准

7. 性能指标

1. 速度相关：速率、带宽、吞吐率
2. 时间相关：时延、时延带宽积、往返时间RTT
3. 其他：利用率

7.1 速率

• 速率：数据率、数据传输率、比特率，计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率，单位b/s、Mb/s、Gb/s，Tb/s
• 比特：1/0，位
• 单位：1Btye字节 = 8 bit比特
  

7.2 带宽

• 原指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹Hz
• 带宽表示网络的通信线路传送数据的能力，通常指单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。单位是比特每秒b/s、kb/s、Mb/s、Gb/s、
• 网络设备所支持的最高速度
  

7.3 吞吐量

• 在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。单位：b/s、kb/s、Mb/s

7.4 时延（延迟、迟延）

• 数据（报文、分组、比特流）从网络（或链路）的一端传动到另一端所需的时间，单位s
• 分类：发送时延(传输时延)、传播时延、排队时延、处理时延
• 高速：提高了发送速率，提高了带宽，减小了发送时延
  

7.5 时延带宽积

• 时延带宽积(bit) = 传播时延 * 带宽
• 以比特为单位的链路长度，即“某链路现在有多少比特”
  

7.6 往返时延RTT

• 从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认(接收方受到数据后立即发送确认)总共经历的时延。
• RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多
• RTT包括：往返传播时延(= 传播时延 * 2) + 末端处理时间

7.7利用率

• 分类：信道利用率、网络利用率
• 利用率约趋近趋于1，时延将急剧增大
  

二、体系结构

1. 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
2. 计算机网络体系结构简称：网络体系结构，是分层结构
3. 每层遵循某个/些网络协议，以完成本层功能
4. 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
5. 第n层在向n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。仅仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。
6. 体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件

1. 分层结构

• 分层的基本原则
  1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能
  2. 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
  3. 结构上可分隔开，每层都采用最合适的技术来实现
  4. 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
  5. 整个分层结构应能促进标准化工作
• 分层结构：协议、服务、结构
  1. 实体：第n层的活动元素称为n层实体，同一层的实体叫对等实体
  2. 协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定【水平方向的】
     - 语法：规定传输数据的格式
     - 语义：规定所要完成的功能
     - 同步：规定各种操作的顺序
  3. 接口(访问服务点SAP)：上层使用下层服务的入口
  4. 服务：下层为相邻上层提供的功能调用【垂直方向的】
     

2. 参考模型

2.1 ISO/OSI参考模型

• 目的：为了解决计算机网络复杂的大问题，支持异构网络系统的互联互通
• 理论：国际标准化组织ISO于1984年提出开放系统互联OSI参考模型
• 1-3点到点，4-7端到端的通信
  
• OSI参考模型的七层结构
  1. 应用层：所有能和用户交互产生网络流量的程序。服务：文件传输FTP，电子邮件SMTP，万维网HTTP…
  2. 表示层：处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）。功能：数据格式交换、数据加密解密、数据的压缩和恢复
  3. 会话层：向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据，也就是建立同步SYN。功能：建立、管理、终止通话；使用校验点可是会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步(使用于传输大文件)。协议ADSP、ASP
  4. 传输层：负责主机中两个进程的通信，即端到端通信，传输单位是报文段/用户数据报。功能：可靠/不可靠传输，差错控制，流量控制，复用分用。协议：TCP、UDP
  5. 网络层：把分组从源端传送到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。单位：数据报。功能：路由选择(最佳路径)、流量控制、差错控制、拥塞控制。协议：IP、IPX、IGMP、RARP、OSPF
  6. 数据链路层：把网络层传下来的数据报组装成帧(单位)。功能：成帧、差错控制(帧错+位错)、流量控制、访问/接入控制。协议：SDLC、HDLC、PPP、STP
  7. 物理层：在物理媒体(同轴电缆、双绞线、无线电波)上实现比特流的透明传输，单位：比特。功能：定义接口特性、定义传输模式(单工、双工、半双工)、定义传输速率、比特同步、比特编码。协议：Rj45、802.3
  

2.2 TCP/IP参考模型

• OSI与TCP/IP相同点：分层、基于独立的协议栈的概念、实现异构网络互联
• OSI与TCP/IP不同点：
  1. OSI定义服务、协议、接口，先出现不偏向特定协议；
  2. TCP/IP考虑异构网互联、将IP作为重要层次
  3. 连接问题
     

2.3 5层参考模型

• 参考模型
  
• 数据封装与解封装
  报文 —— 应用层 —— DATA + H5
  报文段 —— 传输层 —— 5-PDU + H4
  数据报 —— 网络层 —— 4-PDU + H3
  帧 —— 数据链路层 —— T2 + 3-PDU + H2
  比特 —— 物理层 —— 0101…