第一章-概述

1.学习重点

网络结构，协议，网络设备

2.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，通过通信设备和线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

3.功能

1）数据通信

保证各个主机之间的数据连通。

2）资源共享

硬件：打印机或者传真机并不是私有的，而是可以一起使用它的。

软件：软件并不是要下载到自己电脑上便可使用，在线软件。

数据：网上的数据是共享的，例如百度文库。

3）分布式处理

多台计算机共同承担同一个工作的不同部分。

4）提高可靠性

一台电脑挂了，另外一台电脑可以成为它的替代机。

5)负载均衡

4.组成

1）组成部分

硬件：主机、通信设备和链路。

软件：主机上的软件。

协议：是一系列规则和约定的集合。有了协议才能安全平稳地进行数据传输。

2）工作方式

（1）边缘部分

由所有连接在互联网上的主机组成，使用户直接使用的。两个主机的通信方式主要分为客户/服务器方式（C/S方式）和对等方式（P2P方式）。注：两个主机之间的通信是指两个应用层中的应用进程之间的通信。

<1>C/S方式（Clinet/Server）

客户：一个进程，向服务器请求服务，是请求方。

服务器：另一个进程，向客户提供服务，是服务方。

<2>P2P方式（Peer to Peer）

两台主机通信过程中不区分客户和服务器。对等连接中的每一台主机既是客户又是服务器。

（2）核心部分

由大量网络和路由器组成，为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）。

数据交换有三种方式：电路交换、报文交换和分组交换。分组交换又分为虚电路交换和数据报交换。

<1>术语解析

报文：电脑要发送的一整个文件，一句话，就是报文，在应用层。

报文段：报文太大了，对其进行切割，就形成了报文段，在传输层。

IP数据报：对报文段添加两个IP地址（源地址和目的地址），形成数据报，在网络层。

分组：IP数据报太大了，对其进行切割，每个分组添加IP信息和分组编号，在网络层。（一般都是用分组交换的，故说网络层一般传输的是分组）

帧：在分组/数据报头部加上MAC物理地址，尾部加上FCS帧检验序列，在数据链路层。（加头加尾）

信号：将比特数据转为信号的方式，连接传输媒介，在传输媒介上进行传播，在物理层。

<2>电路交换

电路交换的流程：建立连接→通话→释放连接。电路交换广泛应用于电话通信中。

建立连接：电路建立，必须事先规划好一条链路，等对方拿起电话，才算正式建立连接。

通话：直接进行数据的转发，无须存储。若该链路的带宽很宽，可以采用多路复用的方式，让链路分为几条道，每个人在打电话的过程中始终独占其中的一条道，称为独占资源。

释放连接：电路释放，把昂才占用的资源归还给电信网。

<3>报文交换

直接报文，在路由器处进行存储，存储到链路可用，链路赋闲的时候，再转发。而且路径并不是固定的，视当前的网络情况而选择路径。

<4>分组交换

分组交换亦是存储转发，但是两者转发的数据大小和数据类型是不同的。把之前的报文切割成一个个小的数据块，在进行存储和转发，故对交换设备的缓存要求不是很高。

[1] 分组交换的特点

分组时，新的数据块需要有源地址，目的地址，分组编号等额外的信息。

分组可以是相同大小也可以是不同大小，一般默认是相同大小。

[2] 分组交换的类型

连接服务：首先为分组的传输确定传输路径，然后沿该路径传输系列分组，系列分组传输路径相同，传输结束后拆除连接。

无连接服务：不事先确定路径，每个分组独立确定传输路径，不同的分组传输路径可能不同。

虚电路交换：为网络层提供连接服务，把电路交换和分组交换进行了融合，先建立电路交换，再进行分组的传输。

通过发送方发送“呼叫请求”分组，接收方返回“呼叫应答”分组，开始建立虚电路。每个分组不仅要包含源地址分组号，还要包含虚电路号。（建立连接的时候采用的是目的地址，后面传输的时候用虚电路号代替目的地址，作用一致，虚电路号更为细节）使得路由器可以根据虚电路号，将分组发送到刚刚建立起来的链路上。通信结束后，发送方发送“释放请求”，数据交换完毕。

数据报交换：需要对分组进行编号，然后可以实现按序重组的过程。

<5>三者比较

优缺点比较

3）功能组成

计算机网路的功能有资源子网和通信子网组成。

通信子网实现数据通信，资源子网实现资源共享、数据处理。

5.分类

6.性能

1）性能指标

（1）速率

计算机发送出的信号都是数字形式的。比特是数据量的单位，值是0/1，单位是位。数据传输时，也是一个比特一个比特进入信道。数据的传输速率，即是数据率或比特率，单位是b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s, Tb/s。

速率的比例是10^3，内存容量上是1024。

（2）带宽

<1>带宽的频域解释

带宽在频域上表示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）。

<2>带宽的时域解释

带宽在时域上表示单位时间内网络中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）。链路带宽指的是输入数据量的多少，发送端能发多少，发送的速率。

两者本质是一样的，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

（3）吞吐量

吞吐量表示单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量，是实际的数据率。

注：带宽是最高的数据率，吞吐量是实际的数据率，带宽是吞吐量的绝对上限值。

（4）时延

时延是指数据从网络一端到另一端所需的时间，主要由发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。

<1>发送时延（传输时延）

发送数据帧第一个比特算起，到该帧最后一个比特发送完毕所需的时间。

<2>传播时延

电磁波在信道中传播一定的距离所需要的时间。注：电磁波在信道上的传播速率是不变的，故传播时延仅与信道长度有关。

<3>处理时延

主机或路由器收到分组后要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或者查找适当的路由等。

<4>排队时延

路由器挺忙的，在输入和输出时，需要让数据先等待，数据进入路由器的缓存空间中待一会。

所以路由器执行的时延顺序是排队-处理-排队，好比过安检，排队，检查，拿行李。

（5）时延带宽积

时延带宽积是传播时延和带宽的乘积，描述数据量和信息量的属性。第一个比特开始传输，传输到碰到末端，停止，即以比特为单位的链路长度。时延带宽积反映此时此刻一个管道当中的数据容量。

（6）往返时间RTT

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延，即双向交互一次所需的时间。其把第一个比特位放到信道上的时间作为时间起点。

（7）利用率

利用率分为信道利用率和网络利用率两种。链路上一直有数据进行传输的，就链路利用的很好，利用率很高。如果数据量大，就有数据拥堵，故时延会上升。

2）非性能指标

（1）费用

（2）质量

（3）标准化

（4）可靠性

（5）可扩展性和可升级性

（6）易于管理和维护

7.计算机网络体系结构

1)分层的目的

激活：首先要把链路清一下，发送指令，使得要发送的文档能在该链路上传输。

准备工作：是否做好同意接受文件的准备，是否有空间存储要接受的文件。

通信过程中有很多问题，故分层结构要把大问题分层成一个一个的小问题。

2）分层结构

（1）相关术语

<1>实体

每一层的活动元素（进程）称为实体。同一层的实体称为对等实体（水平）。

<2>协议

为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则（水平）。

协议主要由语法、语义和同步构成。

<3>接口

上层使用下层服务的入口，即服务访问点SAP。

<4>服务

下层为相邻上层提供的功能调用（垂直）。上层使用下层的服务，下层为上层提供服务，故最上层使用的是下层服务的总和。仅仅相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽，是透明的。

SDU服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。

PCI协议控制信息：控制协议操作的信息。

PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位。

PDU=PCI=SDU，各层之间的传输以PDU为单位。

（2）体系结构

<1>总的体系

OSI参考模型：虽然有许多提出了网络架构，但是只适用于自己公司的产品，没达到互联互通。OSI解决了这一问题，它是开放的，全球通用的。但是复杂又不实用。

TCP/IP参考模型：实际上应用的体系。

<2>网络中组件使用的体系

中间系统最多经过三层，网桥交换机仅需要数据链路层和物理层。

物理层不对数据做太多的处理，傻瓜层，只是把数据转为0101，形成比特流，传送到传输介质上面进行传送，例如光纤。

数据传送到中间系统，经过三个层进行还原，看看发送端对数据做了什么操作，接下来查看路由转发表，将数据往接口处送。然后进行经过中间层三层包装，传到终端。数据在终端处经过一层一层的还原，得到原始的数据信息。

上面四层中间系统是没有的，好像两个主机直接相连，是端到端的通信，即起始端和终止端直接通信。

<3>每一层共同具有的功能

差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。

流量控制：发送端的发送速率必须是的接收端来得及接受，不能太快。

复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。

连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。

<4>应用层

功能：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。需要联网才能用的程序，才属于应用层。不需要联网的，如记事本，不属于应用层的范围。

协议：应用进程间通信和交互的规则。如：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。

<5>传输层

功能：负责两个主机进程之间通信的数据传输，即端对端通信。传输的单位是报文段或用户数据报。

由于一台主机可以有多个进程，因此传输层有复用和分用功能。每个进程都会用编号来标识他，即端口号。

复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务。（例如不同进程使用同一个传输层的传输协议）

分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。

协议：主要使用传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP。

● 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，其数据传输的单位是报文段。
● 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)，其数据传输的单位是用户数据报。

可靠传输：当接收端接收到一个报文段，返回一个确认，才可以进行下一个报文段的发送。若没收到，则要继续发送刚才的报文段，直至收到该报文段的确认信息为止，适用于比较大的文件。

不可靠传输：一直发送报文段，适用于比较小的文件。如信息在吗?采用一个数据包进行传输即可，不用建立连接和确认机制。如果传输的过程中出错了，传输层负责纠正这些错误。

面向连接：分为三个阶段，第一是建立连接，在此阶段，发出一个建立连接的请求。只有在连接成功建立之后，才能开始数据传输，这是第二阶段。接着，当数据传输完毕，必须释放连接。

面向无连接：没有这么多阶段，它直接进行数据传输。

<6>网络层

功能：把数据报从源端发送到目的端，选择合适的路由。网络层传输的单位是数据报，由于TCP/IP体系网络层中使用的是IP协议，故一般称为IP数据报。

协议：IP, IPX, ICMP, IGMP, ARP, RARP, OSPF。

<7>数据链路层

功能：将IP数据报组装成帧，传输的单位是帧。

协议：SDLC, HDLC, PPP, STP。

<8>物理层

功能：在物理媒体上实现比特流的透明传输，传输的单位是比特。

协议：Rj45, 802.3。

通信方式介绍：单工，只能一个主机发送一个主机接收，发送方和接受方是确定的。半双工，发送方和接受方不是确定的，均可，但数据传输时亦只能一个发送一个接收。双工，两个主机同时发送和接收。

<9>通信过程的解释

两个主机之间的通信是一个打包和拆包的过程。

数据链路层在头部和尾部均贴入信息，其他层在数据的头部贴入控制信息。

控制信息：检验差错，找下一个传输地址，规定数据包的优先级。