计算机网络笔记

目录

• 第1章 概述
  • 重点
  • 1.1 计算机网络在信息时代中的作用
  • 1.2 互联网概述
    • 计算机网络：
    • 互连网(internetwork 或 internet)
    • 主机(host)
    • 互联网基础结构发展的三个阶段
    • 标准化工作
  • 1.3 互联网的组成
    • 边缘部分
    • 核心部分
    • 互联网的边缘部分
    • 核心
    • 电路交换和分组交换
  • 1.4 在我国的发展：1980开始，1994接入互联网
  • 1.5 类别
    • 定义
    • 作用范围
      • 使用者
    • 用来把用户接入互联网的网络
  • 1.6 性能特征
    • 速率
    • 带宽
    • 吞吐量
    • 时延，延迟/迟延
    • 时延带宽积 = 传播时延 × 带宽
    • 往返时间 RTT (Round-Trip Time)：重要性能指标之一
    • 利用率
  • 1.7 体系结构——分层思想
    • 开放系统互连基本参考模型 OSI / RM (Open Systems Interconnection Reference Model)
    • 网络协议(network protocol)：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定
    • 体系结构
    • 五层协议
    • 应用层(application layer)
    • 运输层(transport layer)
    • 网络层(network layer)
    • 数据链路层(data link layer)
    • 物理层(physical layer)
    • TCP / IP 协议族
    • 传输数据流程
    • 协议和服务
    • TCP / IP 体系结构
    • 说明

第1章 概述

重点

• 互联网边缘部分和核心部分的作用，包括分组交换的概念
• 计算机网络的性能指标
• 计算机网络分层次的体系结构，包含协议和服务的概念

1.1 计算机网络在信息时代中的作用

• 数字化、网络化、信息化
• 三类网络：电信网络，有线电视网络，计算机网络
• Internet：互联网
  • 重要特性：连通性和共享(资源共享，如信息共享、软件共享、硬件共享)

1.2 互联网概述

计算机网络：

• 由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。网络的结点可以是计算机、集线器、交换机和路由等。

互连网(internetwork 或 internet)

• 互连网是“网络的网络”(network of networks)

主机(host)

• 与网络相连的计算机
• 网络把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络通过路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。

互联网基础结构发展的三个阶段

• 第一个阶段从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。1969，APRANET。1983，TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议。
• internet(互连网)是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。网络间的通信协议可以任意选择。
• Internet(互联网)是一个专用名词，指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，且其前身是美国的ARPANET。
• 第二个阶段的特点是建成了三级结构的互联网。1985，美国国家科学基金会(National Science Foundation)建设计算机网络，NSFNET。它是三级计算机网络，分主干网、地区网、校园网(或企业网)。
• 第三个阶段的特点是逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。NSFNET 逐渐被互联网主干网替代。互联网服务提供者 ISP(Internet Service Provider)，又称为互联网服务提供商。
• ISP：主干 ISP、地区 ISP 和本地 ISP 。
  • 本地ISP给用户提供直接的服务(用户有时也称为端用户)
• 互联网交换点 IXP (Internet eXchange Point)，主要作用：允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要经过第三个网络(一般需要交费，速度也慢)来转发分组。
• IXP 的结构非常复杂。典型的 IXP 由一个或多个网络交换机组成，许多 ISP 再连接到这些网络交换机的相关端口上。IXP 常采用工作在数据链路层的网络交换机，这些网络交换机都用局域网连起来。

标准化工作

• 互联网协会(ISOC)
  • 技术组织，互联网体系结构委员会 IAB
    • 互联网工程部 IETF
    • 互联网研究部 IRTF
• 三个阶段
  • 互联网草案
  • 建议标准
    • 成为RFC文档
  • 互联网标准

1.3 互联网的组成

边缘部分

• 由所有连接在互联网上的主机组成。用户直接使用。

核心部分

• 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。为边缘部分提供服务的(提供连通性和交换)。

互联网的边缘部分

• 主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信，简称“计算机之间通信”。
• 两大类：
  • 客户-服务器方式(C/S方式，Client/Server)
    • 浏览器-服务器方式(B/S方式，Browser/Server)，视为C/S方式的一种特例
  • 对等方式(P2P方式，peer对等)，通信时不区分哪一个是服务的请求方或提供方，只要使用了P2P软件，就可以进行平等的、对等的通信。

核心

• 起作用的——路由器(router)，实现分组交换(packet switching)，任务是转发收到的分组。(可以认为是交通指挥信号灯)

电路交换和分组交换

• 电路交换(circuit switching)，电话如何通信，就是靠一个个交换机，而不是靠每两台电话的线路。

  • “建立连接” -> “通话” -> “释放连接”
  • 特点：通话过程中，端对端的电信资源一直被占用。

• 电路交换不适用于计算机网络的通信，原因在于——资源的浪费。计算机数据是突发式出现在线路上的，真正传输时间比较短暂。

• 分组交换：存储转发技术

  • 报文(message)：需要传输的数据块。

  • 分组(packet)，包：是由报文分成等长的数据，在前面加上首部header(header也被称为包头)形成的。

    • header相当于一个识别坐标

  • 短交换的数据存在路由器的内存中而不是磁盘中，这样能加快传输效率

  • 运输层协议(protocol)保证了数据传送的可靠性

• 优点：

  • 优点	手段
    高效	分组传输过程动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用
    灵活	为每一个分组转发选择最合适的路由
    迅速	分组传送，可以不先建立连接就能向其他主机发送
    可靠	保证可靠性的网络协议：分布式路由的分组交换网

• 缺点：

  • 时延
  • 无法保证带宽
  • header造成一定开销(overhead)

• 报文交换(message switching)也是基于存储转发原理：以一整个报文为整体

1.4 在我国的发展：1980开始，1994接入互联网

1.5 类别

定义

• 主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，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)。硬件能够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。

作用范围

• 广域网WAN(Wide Area Network)：远程网(long haul network)。互联网核心部分。跨国。
• 城域网MAN(Metropolitan Area Network)：很多采用以太网技术。
• 局域网LAN(Local Area Network)：校园网，企业网。
• 个人区域网PAN(Personal Area Network)：无线个人区域网WPAN(Wireless PAN)
• 多处理机系统：中央处理机之间距离1米的数量级。

使用者

• 公用网(public network)
• 专用网(private network)

用来把用户接入互联网的网络

• 接入网AN(Access Network)：本地接入网，居民接入网。连接居民端系统到第一个路由器的网络。不属于边缘部分和核心部分，更像是一座桥梁。

1.6 性能特征

速率

• 比特(bit)，binary digit，二进制数字，信息量的单位。单位是bit/s。额定速率或标称速率。

带宽

• 本来指某个信号具有的频带带宽。单位：赫兹。频域
• 网络中某通道传送数据的能力，“最高数据率”。单位：bit/s。时域

吞吐量

• 单位时间内通过某个网络的实际的数据量。

时延，延迟/迟延

• 发送时延 = 数据帧长度(bit) / 发送速率(bit/s)
• 传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波在信道的传输速率(m/s)
• 发送时延，在机器内部的发送器中(一般是网络适配器)，传播时延，在机器外部的传输信道上
• 处理时延
• 排队时延
• 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延，具体需要看哪个因素影响总时延
• 错误概念
  • 在高速链路上，比特会传送得更快些。传送更快——传播时延，是通信线路的材质。高速链路——提高了数据的发送速率，减小了发送时延。
• 光纤中光的传播速率比铜线中电磁波的传播速率还要低一些。

时延带宽积 = 传播时延 × 带宽

• 管道体积，能容纳多少比特

往返时间 RTT (Round-Trip Time)：重要性能指标之一

• 发送时间 = 数据长度 / 发送速率
• A 知道 B 收到消息了，才会继续发送，就有一个往返时间 RTT
• 有效速率 = 数据长度 / (发送时间 + RTT)

利用率

• 并非越高越好，如高速上车很多，反而会堵车。增加了时延。
• 信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延。

1.7 体系结构——分层思想

开放系统互连基本参考模型 OSI / RM (Open Systems Interconnection Reference Model)

• 理论，实际市场被 TCP / IP 协议占领

网络协议(network protocol)：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

• 三要素：语法，语义，同步

体系结构

• 计算机网络的各层及其协议的集合。体系结构式抽象的，而实现是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

五层协议

• OSI 七层协议，复杂不实用
• TCP / IP，四层体系结构，应用层、运输层、网际层和网络接口层。实质只有最上面的三层，网络接口层没什么具体内容。
• 学习计算机网络原理，折中，采用五层协议的体系结构。

应用层(application layer)

• 通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。
• 域名系统 DNS，支持万维网应用的 HTTP 协议，支持电子邮件的 SMTP 协议。
• 报文(message)：应用层交互的数据单元。

运输层(transport layer)

• 向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。
• 传输控制协议 TCP (Transmission Control Protocol)，提供面向连接的、可靠的数据传输服务。单位：报文段(segment)。
• 用户数据报协议 UDP (User Datagram Protocol)，提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务(不保证数据传输的可靠性)。单位：用户数据报。

网络层(network layer)

• 任务1：把报文段 / 用户数据报封装成分组 / 包进行传送。
• 使用 IP 协议，分组也叫做 IP 数据报，简称数据报。
• 任务2：选择最合适的路由。
• 互联网是由大量的异构网络通过路由器相互连接起来的。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。
• 网络层，网际层，IP 层。

数据链路层(data link layer)

• 链路层， IP 数据报组装成帧(framing)。每一帧包括数据和必要的控制信息。
• 发现有差错，可以简单地丢弃这个帧。
• 检错，纠错。

物理层(physical layer)

• 单位：比特。发送方发1，接收方收到就是1。物理层考虑多大的电压表示“1”或“0”

TCP / IP 协议族

传输数据流程

• 

层	数据	操作	协议
应用层	报文	+H5	DNS, SMTP, HTTP
传输层	报文段，用户数据报	+H4	TCP, UDP
网络层	分组	+H3	IP
链路层	帧	+H2, +T2
物理层	比特流

• 协议数据单元 PDU (Protocol Data Unit)
• 数据经过5层之后变为比特流，到路由器由1层传送到3层，路由器操作之后回到1层，比特流重新转发到另一个路由器。
• 对等层(peer layers)，协议栈(protocol stack)
• 实体(entity)，任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程。

协议和服务

• 协议是控制两个对等实体(或多个实体)进行通信的规则的集合。
• 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。
• 协议和服务不一样
  • 协议的实现保证了能够向上一层提供服务。实体只能看见服务而不能看见协议。
  • 协议是“水平的”，对等实体之间通信的规则。服务是“垂直的”。
• 服务访问点 SAP (Service Access Point)：相邻两层的实体进行交互的地方
• 服务数据单元 SDU (Service Data Unit)：层与层之间交换数据的单位
• 第 n 层是服务提供者，第 n + 1 层是服务用户，每一层的协议是不相同的
• 协议的一个特点：必须把所有不利的条件事先估计到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的。协议需要应付异常情况。

TCP / IP 体系结构

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说明

• 在学习《计算机网络》第一章的时候做了较为详细的记录，希望借此建立较完善的学习体系。
• 参看教材计算机网络第7版，作者谢希仁