第一章、计算机网络概述

一、计算机网络的概念、功能、组成和分类

1. 计算机网络的概念

• 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。

• 简单来说，计算机网络是互连（互连互通）的、自治（无主从关系）的计算机集合

2. 计算机网络的功能

• 数据通信（连通性）
• 资源共享：硬件、软件、数据
• 分布式处理：多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分（分工合作【Hadoop平台】）
• 提高可靠性：整个网络中，一台计算机宕机，并不影响整个网络
• 负载均衡：工作任务均衡分配 ，使各计算机之间更加亲密

3. 计算机网络的组成

• 按组成部分：硬件、软件、协议
• 按工作方式：
  • 边缘部分：用户直接使用
    • C/S方式
    • P2P方式
  • 核心部分：为边缘部分服务
• 按功能组成：
  • 通信子网：实现数据通信
  • 资源子网：实现资源共享/数据处理

4. 计算机网络的分类

• 按分布范围分
  • 广域网WAN：一般使用交换技术
  • 城域网MAN
  • 局域网LAN：一般使用广播技术
  • 个人区域网PAN
• 按使用者来分
  • 公用网：中国电信等
  • 专用网：军队、银行、铁路等
• 按交换技术来分
  • 电路交换
  • 报文交换
  • 分组交换
• 按拓扑结构分
  • 总线型
  • 星型：有n个结点，则有n-1个链路
  • 环型
  • 网状型：常用于广域网（Internet）
• 按传输技术来分
  • 广播式网络：共享公共通信信道
  • 点对点网络：使用分组存储转发和路由选择机制，采用1对1的方式来通信

二、标准化工作及相关组织

​ 标准化对计算机网络至关重要，要实现不同厂商的硬、软件之间的相互连通，必须遵从统一的标准。

1. 标准的分类
   • 法定标准：由权威机构制定的正式的、合法的标准（OSI）
   • 事实标准：某些公司的产品在竞争中占据了主流，时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准（TCP/IP）
2. 因特网标准形式
   • RFC(Request For Comments):因特网标准的形式
   • RFC要上升为因特网正式标准需要经过四个阶段
     • 因特网草案（Internet Draft）：这个阶段还不是RFC文档
     • 建议标准（Proposed Standard）：从这个阶段开始成为RFC文档
     • 草案标准（Draft Standard）：交到IETF和IAB进行审核
       • IETF是互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force）的简写，负责互联网基础标准的开发和推动。
       • IAB因特网结构委员会，是由探讨与因特网结构有关问题的互联网研究员组成的委员会。其职责是任命各种与因特网相关的组织。
     • 因特网标准 （Internet Standard）
   • 从2011年开始草案标准阶段取消了
   • 标准化工作的组织：
     • ISO国际标准化组织：主要贡献有OSI参考模型、HDLC协议【HDLC(High-level Data Link Control，高级数据链路控)协议是一种面向比特的高效链路层协议】。
     • ITU国际电信联盟：制定通信规则
     • IEEE国际电气电子工程师协会：学术机构、IEEE802系列标准、5G
     • IETF Internet工程任务组：负责因特网相关标准的制定、RFC

三、速率相关的性能指标

1. 速率：

   • 速率即数据率或称数据传输率或比特率

   • 比特：数据传输的单位，只有1和0，缩写是b

   • 速率是指连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率

   • 单位是b/s kb/s Mb/s Gb/s Tb/s

   

2. 带宽

   • “带宽”原本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）
   • 计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络中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
   • 可以理解为网络设备所支持的最高速度
   • 链路的带宽是指在发送入口的位置发送数据的速率，如链路带宽为1Mb/s,则1um可以向链路发送1bit数据

3. 吞吐量

   • 表示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等
   • 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

四、其他性能指标

1. 时延

   • 指数据（报文、分组、比特流）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位是s。
   • 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的时间。发送时延=数据长度/信道带宽（发送速率），发生在中主内部
   • 传播时延：取决于电磁波传播速度和链路长度。传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率，发生在信道上
   • 排除时延：等待输出\输入链路可用
   • 处理时延：检错、找出口

2. 时延带宽积

   • 时延带宽积=传播时延*带宽
   • 时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度，即某段链路现在有多少比特（容量）

   

3. 往返时延RTT

   • 从发送方发送数据开始，到发送方收到接收的确认（接收方收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（在接收方上的处理所用的时间）

4. 利用率

   • 计算机领域利用率分为信道利用率和网络利用率
   • 信道利用率：有数据通过的时间/（有+无）数据通过时间
   • 网络利用率：信道利用率加权平均值
   • 

五、分层结构、协议、接口、服务

1. 发送文件前要完成的工作：
   1. 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。
   2. 要告诉网络如何识别目的主机。
   3. 发起通信的计算机要查明目的主机是否开机，并且与网络连接正常。
   4. 发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备工件。
   5. 确保差错和意外可以解决。
   6. ...
2. 为什么要分层
   • 因为计算机通信要完成的问题很多，将大问题分解为一个个小问题，在进行处理。
3. 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. 每层之间的界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能的少。
   3. 结构上可分割开。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. 整个分层结构应该能促进标准化工作。
4. 计算机网络分层

• 实体：第n层中的活动元素称为n层实体。同一层的实体叫对等实体。
• 协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。（水平）
• 协议的三大要要素：
  • 语法：规定传输数据的格式
  • 语义：规定所要完成的功能
  • 同步：规定各种操作顺序
• 接口（访问服务点SAP）：上层使用下层服务的入口
• 服务：下层为相邻上层提供的功能调用。（垂直 ）

• 服务数据单元SDU：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。
• 协议控制信息PCI:控制协议操作的信息。
• 协议控制单元PDU:对等层之间传送数据的单元。

5.补充

• 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构的，不是硬件。
• 计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构。
• 每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能。
• 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。
• 第n层在向第n+1层提供功能时，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。
• 体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件。

六、OSI参考模型

• 计算机网络分层结构：

  • 7层OSI参考模型：法定标准
  • 4层TCP/IP参考模型：事实标准
  • 为了学习的方便，研究的是5层参考模型

• ISO/OSI参考模型的产生

  • 为了解决计算机网络复杂的大问题，因此提出按功能进行分层的结构。
  • IBM公司首先提出第一个网络体系结构SNA，其他公司纷纷效仿，如DEC公司提出DNA网络体系结构，美国国防部提出TCP/IP网络体系结构，这样的弊端是各个公司的产品只能用在公司提出的网络体系结构中，对整个网络的互连互通是非常困难的
  • 为了支持异构网络系统的互连互通问题，国际标准化组织（ISO）于1984年提出开放系统互连（OSI）参考模型，但是，理论成功，市场失败。

• OSI参考模型内容

  

  

  • 中间系统没有上面四层，上面四层可以看做是端到端的通信，下面三层为点到点的通信

  

  • 上图所示为A-B通信过程，从第7层开始，每层需要加入一个首部，生成一个PDU,才会往下传，需注意数据链路层需要加首部和尾部，物理层不进行处理

• OSI参考模型各层

  • 应用层：所有能和用户交互产生流量的程序都属于应用层，典型的应用层服务：文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、万维网（HTTP）
  • 表示层：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）
    • 功能一：数据格式变换
    • 功能二：数据加密解密
    • 功能三：数据压缩和恢复
  • 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。这是会话，也是建立同步（SYN），主要协议：ADSP、ASP
    • 功能一：建立、管理、终止会话
    • 功能二：使用校验点可使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。适用于传输大文件。
  • 传输层：负责主机中两个进程的通信，即端到端(进程端口)的通信。传输单位是报文段或用户数据报。主要协议：TCP、UDP
    • 功能一：可靠传输、不可靠传输
    • 功能二：差错控制
    • 功能三：流量控制（控制发送端的发送速度）
    • 功能四：复用分用
      • 复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务
      • 分用：运输层把收到的信息分别交付到给上面应用层中相应的进程
  • 网络层：主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。数据报可以切成一个个分组。主要协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF
    • 功能一：路由选择
    • 功能二：流量控制
    • 功能三：差错控制
    • 功能四：拥塞控制
      • 若所有结点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施，缓解这种拥塞，是对整个全局来说的，而流量控制仅仅是对发送端的限制。
  • 数据链路层：主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。数据链路层/链路层的传输单位是帧。主要协议：SDLC、HDLC、PPP、STP
    • 功能一：成帧（定义帧的开始和结束）
    • 功能二：差错控制（帧错+位错）
    • 功能三：流量控制
    • 功能四：访问（接入）控制，控制对信道的访问
  • 物理层：主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。物理层的传输单位是比特 。主要协议：RJ45、802.3
    • 透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。
    • 将比特流转换成电信号直接传输
    • 功能一：定义接口特性
    • 功能二：定义传输模式（单工、半双工、双工）
    • 功能三：定义传输速率
    • 功能四：比特同步
    • 功能五：比特编码

七、TCP/IP模型（4层）

• OSI参考模型和TCP/IP参考模型的相同点
  • 都分层
  • 都是基于独立的协议栈和概念
  • 可以实现异构网络互联
• OSI参考模型和TCP/IP参考模型的不同点
  • OSI定义三点主要内容 ：服务、协议、接口
  • OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议
  • TCP/IP设计之初就考虑到异构网络互联问题，将IP作为重要层次
  • OSI参考模型在网络层是面向无连接+面向连接的，在传输层是面向连接的
  • TCP/IP模型是在网络层面向连接，在传输层面向无连接+面向连接
  • 面向连接：分为三个阶段，第一是建立连接，在此阶段，发送一个建立连接的请求。只有在连接成功建立后，才能开始数据传输，这是第二阶段。接着，数据传输完毕，必须释放连接。
  • 面向无连接：直接传输数据

八、5层参考模型

综合了OS和TCP/IP的优点，从上到上包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。

• 应用层：支持各种网络应用 （对应协议FTP、SMTP、HTTP）
• 传输层：负责进程与进程的数据传输（TCP、UDP）
• 网络层：源主机到目的主机的数据分组路由与转发（IP、ICMP、OSPF等）
• 数据链路层：把网络层传下来的数据报组装成帧（Ethernet、PPP）
• 物理层：比特传输

5层参考模型数据的封装与解封装的过程：