第一章 概述
（一）什么是协议和体系结构？
协议(protocol)：计算机（节点）通信时对信息内容、信息表示以及交换过程遵循的共同约定
体系结构（architecture)：计算机网络非常复杂，一般被分成多个层次，如何分层以及各层采用的协议总和称为体系结构
（二）了解网络应用的两种模型：C/S和P2P模型
1.C/S模型
应用层协议一般采取客户-服务器C/S(Client-Server)架构
- 客户方主机的网络应用程序（进程）主动发送请求给服务方主机的网络应用程序（进程），请求对方提供相应的服务
- 早期的应用中，服务器提供服务，客户方完成大部分应用逻辑。胖客户机-瘦服务器模型
- 后来浏览器充当统一的客户方，复杂逻辑放在服务方，称为BS(Browser Server模型)，即瘦客户机-胖服务器模型
2.P2P(Peer-to-Peer)协议
- P2P(Peer-to-Peer)协议中，应用进程充当了客户方和服务方的角色
- 想要下载一个文件的时候，你只要得到那些已经存在了文件的peer，并和这些peer之间，建立点对点的连接，而不需要到中心服务器上，就可以就近下载文件。一旦下载了文件，你也就称为了peer中的一员，你旁边的那些机器，也可能会选择从你这里下载文件
3.混合模型
- 将P2P和C/S架构结合在一起
（三）什么是资源子网和通信子网？各种网络设备（转发器、集线器、网桥、路由器等）所工作的层次和基本特性
1.资源子网：网络的边缘
- 提供信息的处理和共享
- 由运行网络应用程序的主机（端系统）等组成
- Internet内容提供者ICP(Internet Content Provider)通过网站(Website)等形式提供内容服务
2.通信子网：接入网 + 网络的核心
- 提供信息的传输
- 由传输媒体(通信线路)以及转发器、集线器、网桥、交换机、路由器等网络互连设备组成
3.转发器
层次：物理层
基本特性：负责第一层（物理层）的数据中继，实现电气信号的“再生”。用于互连两个相同类型的网段，主要功能是延伸网段和改变传输媒体，从而实现信息位的转发。它本身不执行信号的过滤功能。
4.集线器
层次：物理层
基本特性：它的作用可以简单的理解为将一些机器连接起来组成一个局域网。它不具有智能处理能力，处理的数据只是电流而已，它采用共享带宽的工作方式，附接端口的所有计算机采用CSMA/CD方式竞争带宽的使用， 任一时刻只能由两台计算机之间进行通信。
转发器和集线器的区别
集线器和转发器都是工作在物理层，但集线器拥有多个接口，其功能与转发器并无太大区别。这种关系也是网桥和交换机之间的关系，交换机其实也只是有多个接口而已，它的功能与网桥并无二致。
5.网桥
层次：数据链路层
基本特性：网桥(BRIDGE)工作在数据链路层，将两个局域网（LAN）连起来，根据MAC地址（物理地址）来转发帧，可以看作一个“低层的路由器”（路由器工作在网络层，根据网络地址如IP地址进行转发）。它可以有效地联接两个LAN，使本地通信限制在本网段内，并转发相应的信号至另一网段，网桥通常用于联接数量不多的、同一类型的网段。
6.路由器
层次：网络层
基本特性：路由器（Router）能理解数据中的IP地址，如果它接收到一个数据包，就检查其中的IP地址，如果目标地址是本地网络的就不理会，如果是其他网络的，就将数据包转发出本地网络。它的作用在于连接相同或不同类型网络，并且能找到网络中数据传输最合适的路径即路由选择。
（四）了解计算机网络的分类方式：拓扑结构/传输媒体/地理范围等
1.按分布范围分
- 广域网WAN：跨国，使用交换技术
- 城域网MAN：城市内
- 局域网WAN：1km左右，使用广播技术
- 个人区域网PAN：个人使用电子设备，手机
2.按使用者分
- 公用网：中国电信等公众网
- 专用网：军队，政府内网
3.按交换技术分
电路交换、报文交换、分组交换
4.按拓扑结构分
不规则网形(mesh)、星形（树形）、总线形、环形网络
5.按传输技术分
- 广播式网络：共享公共通信信道， 所有主机都能接受到传输数据，根据地址选择是否接收
- 点对点网络：使用分组存储转发和路由选择机制
（五）计算机网络的度量：带宽、延迟、RTT和吞吐率，掌握如何计算延迟，如何计算吞吐率等
1.带宽（Bandwidth）
- 带宽指某个信号具有的频带宽度，即该信号所包含的各种不同频率的范围，单位是赫兹（Hz）。带宽指某个信号具有的频带宽度，即该信号所包含的各种不同频率的范围，单位是赫兹（Hz）。
- 带宽也可表示链路可以传输的最大数据速率，即容量(capacity)，有的时候也称为线速
- 很多时候在描述链路的能力时数据速率和带宽可通用，本质上是一致的，即频带越宽，速率就会越高
计算机网络中的"带宽"和"吞吐量"两个词容易混淆，区别如下：
- 网络带宽（bandwidth）：强调网络最大的数据传输速率，即传输数据率理论峰值。
- 网络吞吐量（throughput）：强调网络实际的数据传输速率。
2.延迟
数据从一端传送到另一端所需的时间
- 发送时延=数据块长度（bit）/数据率（bit/s）
- 传播时延=链路长度（m）/传播速率(m/s)
- 处理时延=网络结点存储转发处理时间
- 排队时延=网络结点缓存队列排队时间
四种时延产生的位置
- 在发射器中产生发送时延（电路交换中间节点没有发送时延，分组交换中间节点有发送时延）
- 在链路上产生传播时延
- 在结点中产生处理时延和排队时延
3.往返时间RTT（Round-Trip Time）
从 发送方 发送数据开始 , 到 发送方 接收到 接收方 的 确认数据 , 总共经历的时延 ;
往返时延 RTT 包含的时间 :
- 2 倍的传播时延
- 接收方处理时延
- 路由器转发处理时延
RTT 不包括从 发送方 的发送时延 , 和发送方的处理时延 ;
4.吞吐率
单位时间内 , 通过某个 网络接口 的数据量 , 单位是 b/s , kb/s , Mb/s , Gb/s , Tb/s
- 利用率
- 信道利用率 :
-
- 网络利用率 : 将上述所有的信道利用率 , 加权 , 求平均值 ;
时延与利用率之间的关系 : 利用率越高 , 时延越大 , 此时就会产生网络堵塞 ;
- 信道效率有时指归一化的吞吐率，即吞吐率与信道带宽的比率。也可用实际有效的传输数据的时间与所花的总时间的比率表示
（六）掌握分组交换(包括报文交换)和电路交换的工作方式，特别是经历的延迟
1.电路交换
在进行数据传输前，两个结点之间必须先建立一条专用的物理通信路径，该路径可能会经过许多中间结点。这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束后才被释放。
电路交换的步骤：
- 建立连接（分配通信资源，建立一个专用的物理通路）
- 通话，一直占用通信资源。
- 释放连接（归还通信资源。）
电路交换的优点：
- 通信时延小。由于通信线路为通信双方专用，数据直达，因此传输数据的时延非常小。
- 有序传输。双方通信时按发送数据的顺序传送数据，不存在失序的问题。
- 没有冲突。
- 适用范围广：电路交换既适用于传输模拟信号，又适用于传输数字信号。
电路交换的缺点：
- 建立连接时间长。
- 线路独占。使用效率低。
- 灵活性差。只要在通信双方建立的通路中的任何一点出了故障，就必须重新拨号建立新的连接。
电路交换的时延
- 总时延=电路的建立时延+发送时延+传播时延
- 电路交换没有存储转发，并且一直占有线路，所以没有处理时延和排队时延。
2.分组交换
分组交换采用存储转发技术。把一个报文划分为几个分组后再进行传送。
网络结点根据控制信息把分组送到下一个结点，下一个结点接收到分组后，暂时保存并等待传输，然后根据分组控制信息选择它的下一个结点，直到到达目的结点。
- 发送方需要完成的任务：构造分组、发送分组。
- 路由器需要完成的任务：缓存分组、转发分组。（在途中允许将分组分割成更小的分组，即进行分段）
- 接收方需要完成的任务：接收分组、还原报文。
分组交换的优点：
- 无建立时延。
- 线路利用率高。
- 简化了存储管理。因为分组长度固定，相应的缓冲区大小也固定，在交换结点中存储器的管理通常被简化为对缓冲区的管理，相对比较容易。
- 加速传输。分组是逐个传输的，可以使后一个分组的存储操作与前一个分组的转发操作并行。
- 减少了出错概率和重发数据量。因为分组较短，出错概率也相应减少，所以每次重发的数据量也大大减少。
分组交换的缺点：
- 存在传输时延。
- 需要传输额外的信息量。每个小数据块都要加上源地址、目的地址和分组编号等信息，从而构成分组一定程度上降低了通信效率。
- 当分组交换数据报服务时，可能会出现失序、丢失或重复分组，分组到达目的结点时，要对分组进行按编号进行排序等工作。
分组交换的时延
- 发送时延=报文长度/数据率+结点数（即链路数减一）*单个分组长度/数据率
- 传播时延=（分组总数n减一）*链路长度/传播速率+结点数（链路数k减一）*链路长度/传播速率=（n+k-2）*链路长度/传播速率
- 排队时延=仅仅需要计算最后一个分组的排队时延即可，前面分组的排队时延不用看
- 处理时延=
3.报文交换
数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。报文在交换结点采用的是存储转发的传输方式。
报文交换(message switching)： 发送者发送的报文分组在途中不允许进一步分割
报文交换的时延：
- 发送时延=报文长度/数据率
- 传播时延=链路长度/传播速率
- 排队时延=单个结点排队时延*结点数
- 处理时延=单个结点处理时延*结点数
（1）报文交换含义：整个报文先传到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，再转发到下一个结点。
（2）排队时延应为报文在所有结点排队时间的总和。
（3）处理时延应为报文在所有结点处理时间的总和。
从上图可以看出，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。
4.电路交换和分组交换的时延比较
要传送的报文共x（bit），从源站到目的站共经过k段链路，每段链路的传播时延为d（s），数据率为C（bit/s）。在电路交换时电路的建立时间为s（s）。在分组交换时分组长度为p（bit），且各结点的排队等待时间可忽略不计。问在怎样的条件下，分组交换的时延比电路交换的要小？
对电路交换
当t=s时，链路建立；
当t=s+x/C，发送完最后一bit；
当t=s+x/C+kd，所有的信息到达目的地。
（kd传播时延，x/C发送时延）
对分组交换
当t=x/C， 发送完最后一bit；
为到达目的地，最后一个分组需经过k-1个分组交换机的转发，
(发送时延：从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需要的时间。最后一个比特这里很重要。
从源节点开始所有的分组都在最后一个分组的前面发送。换一句话说我们只需要算最后一个分组在k-1个节点上面的)
每次转发的时间为p/C，（中间节点）
所以总的延迟= x/C+(k-1)p/C+kd
（kd传播时延）
（七）为什么要采用层次模型？
- 层次结构允许定义复杂系统的各个部分以及它们之间的关系
- 易于交流、理解和标准化
- 不同的厂商、研究者可以专注于不同层次的协议
- 统一标准
- 统一接口，确保技术互通（interoperable）
- 各层独立
- 通过接口透明地使用下层的服务，便于维护和更新
- 某一层的具体实现的更新对系统的其他部分透明，加速 技术演进
（八）掌握层次模型的封装和解封装
1.数据封装过程（客户端）
- 产生通讯数据信息：数据信息（协议数据单元，PDU）
- 传输层封装过程：传输层头部信息+数据信息（段，Segment）
- 网络层封装过程：网络层头部信息+传输层头部信息+数据信息（包，Packet）
- 链路层封装过程：链路层头部信息+网络层头部信息+传输层头部信息+数据信息（帧，Frame）
- 物理层封装过程：转换为二进制数据流（位，Bit）----->电信号
2.数据解封装过程（服务端）
- 物理层解封装过程：将电信号信息转换为二进制
- 链路层解封装过程：链路层头部信息（目标MAC地址 源MAC地址）
- 网络层解封装过程：网络层头部信息（目标IP地址 源IP地址）
- 传输层解封装过程：传输层头部信息（目标端口号 源端口号）
- 应用层解封装过程：查看最终数据信息
（九）OSI 7层模型，每层大概的功能
- 应用层：直接向用户提供服务，完成用户希望在网络上完成的各种工作。
- 表示层：处理用户信息的表示问题，如编码、数据格式转换和加密解密等
- 数据加密和数据压缩
- 会话层：组织和协调两个会话进程之间的通信 ，并对数据交换进行管理
- 传输层：向用户提供可靠的端到端的差错和流量控制，保证报文的正确传输，同时向高层屏蔽下层数据通信的细节，即向用户透明地传送报文。
- 运输层是由下到上第一个进行端到端流量控制的层。
- 第一个端系统到端系统（即主机到主机）的层次
- 网络层：在数据链路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，控制数据链路层与传输层之间的信息转发，建立、维持和终止网络的连接，将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到目的端（点到点），从而向传输层提供最基本的端到端的数据传输服务。
- 数据链路层：在物理层提供的比特流的基础上，通过差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变为无差错的数据链路，即提供可靠的通过物理介质传输数据的方法。
- 在数据链路层有基本的流量控制功能
- 在数据链路层的差错控制通过差错编码（检错）、帧序号、反馈重传和超时机制来完成的
- 物理层：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。
- 物理层不分辨传输的内容
（十）Internet的4层模型，与OSI模型的对应
- 应用层：应用程序间沟通的层
- 传输层：负责节点之间的数据传输
- 网络层：实现数据包的选路和转发
- 链路层：实现了网卡接口的网络驱动程序
