第一章计算机网络体系结构
计算机网络概述
计算机网络已由一种通信基础设施发展成为一种重要的信息服务基础设施。
计算机网络已经成为像水、电这些基础设时一样，成为我们生活重不可或缺的一部分。
一、概念&功能
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。
还需要软件的支持，才能实现。
计算机网络是互连的、自治的计算机集合。
互连：通过通信链路互联互通
自治：无主从关系
三网&三网融合——电信网络，有线电视网络，计算机网络，将三种网络的功能融合在一起
计算机网络的功能：数据通信和资源共享
二、组成&分类
边缘部分：由所有连接在因特网的主机组成，是用户直接使用的，用来通信和资源共享的设备。
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，这部分是为边缘服务提供服务的。
三、因特网(Internet)的发展史
背景
第一阶段
单网络ARANET——1969年美国国防部建立的第一个分组交换网
知识补充：
网络：网络由若干节点和连接这些节点的链路组成。（节点可以是计算机，集线器，交换机，路由器等）
互联网：是一个覆盖范围更大的网络，由多个网络还可以通过路由器连接起来，可以理解为互联网就是网络的网络
易混点：
internet：互联网，这是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互联而成的网络，网络之间的通信协议可以是任意的。
Internet：因特网，专有名词，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计算机网络，是采用TCP/IP协议族作为通信的规则。
第二阶段
三级结构的因特网——主干网，地区网，校园网
第三阶段
多层次IPS（因特网服务提供者）结构的因特网
因特网交换点IXP:（更快的转发分组，更有效地利用网络资源）允许两个网络直接相连并交换分组，不需要其他网络来转发分组，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互连起来（典型的IXP由一个或多个网络交换机组成，）
四、标准化工作及相关组织
五、性能指标
速率
速率指的是连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率，它也称为数据率或比特率，单位是bps。速率往往指的是额定速率或者标称速率
带宽
带宽，在模拟信号系统中表示的是信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围，也就是传输过程中最大频率与最小频率的范围。
在计算机网络中用来表示网络的通信线路传送数据的能力，因此网络带宽表示在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”
速率&带宽的理解：
用供水管来比喻，假设管子中有流动的水。这里的水就好比数据。单位时间内，从管子的某个横截面流出的水量可以看作是速率，当管子充满水时，单位时间内，从管子的某个横截面流出的水量可以看作是最大速率，即带宽；管子横截面越大，单位时间内流出的水量就越大，即带宽就越大。
吞吐量
吞吐量：在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。
时延
发送时延：发送端发送一个完整的数据帧所需要的时延（发生在网络适配器内的）
计算公式 = 数据长度 （b）/ 信道带宽（发送速率）（b/s）
发送速率 = min[网卡发送速率，信道带宽，交换机或路由器的接口速率]
发送效率是一个短板效应，由速率最低的模块决定，所以在选择网线、路由器等设备时，要考虑到整体的速率平衡问题。
高速链路：增大了带宽，减小了发送时延，传播时延并没有改变。
传播时延:分组在线路中传播产生的时延。（发生在链路上的）
计算公式 = 信道长度(m) / 电磁波传播速率(m/s)
排队时延：在路由器中等待分组时间（等待输出输入链路可用）
处理时延：路由器收到分组后对其进行存储转发产生的时延。（检错找转发出口）
时延带宽积
往返时延RTT
2倍的传播时延
利用率
计算机网络体系结构&参考模型
计算机网络为什么要分层？（分层的必要性）
答：计算机网络是个非常复杂的系统，“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题
各层的主要解决问题：
物理层：
- 采用怎样的传输媒体（介质）？
- 采用怎样的物理接口？
- 使用怎样的信号表示比特0和1？
解决以上问题后就可以实现01信号在计算机之间的传输。
数据链路层：
- 如何标识网络中的各主机（主机编址问题，例如MAC地址）？
- 如何从信号所表示的一连串比特流中区分出地址和数据？
- 如何协调各主机通信（例如，各主机争用总线，交换机的实现原理）？
解决此问题后可以实现分组在一个网络上传输。
网络层：
- 如何标识各网络以及网络中的各主机（网络和主机共同编址的问题，例如IP地址）？
- 路由器如何转发分组，如何进行路由选择?
- 解决此问题后可以实现分组在网络间传输。
运输层：
- 如何解决进程之间基于网络的通信？
- 出现传输错误时如何处理？
- 解决此问题后可以实现进程之间基于网络的通信。
应用层：
- 通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用。
- 例如：支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议，支持文件传送的FTP协议。
解决此问题后可以实现计算机网络所解决的所有问题。
在此一层一层的问题解决中边逐步从物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层解决问题，实现目的，这也是分层思想解决问题的最好提现。
体系结构中的术语
实体：指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
对等实体：指通信双方相同层次中的实体。
协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合，例如TCP/IP协议。
协议的三要素：语法，语义，同步。
语法规定传输数据的格式。例如，IP数据报的格式。
语义规定通信双方所要完成的功能。例如，主机HTTP的GET请求给Web服务器，Web服务器收到后执行相应的操作，然后给主机发回HTTP的响应。
同步规定通信双方的操作的顺序。例如，TCP的“三报文握手”建立连接。
服务：在协议中，每层不但要实现本层协议，还要使用下一层所提供的服务。并且在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信要是的本层能够向上一层提供服务。
服务访问点（SAP）：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型。
例如：
数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段。
网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”。
运输层的服务访问点为“端口号”。
服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令。
服务数据单元（SDU）：同一系统内，层与层之间交换的数据包。
多个SDU可以合成为一个PDU；一个SDU也可划分为几个PDU。
协议控制信息（PCI）：控制协议操作的信息
PCI + SDU = PDU
协议数据单元（PDU）：对等层次之间传送的数据包
例如：
应用层：报文(message)
运输层：TCP报文段(segment)或UDP用户数 据报(datagram)
网络层：分组(packet)或IP数据报
数据链路层：帧(frame)
物理层：比特流(bit stram)
以上的便是各层的协议数据单元PDU。
协议是水平的，服务是垂直的。
分层结构
为了实现异构网络系统的互联互通，国际标准化组织（ISO）于1984年提出开放系统互连（OSI）参考模型。
OSI七层参考模型（法律上的国际标准）：
TCP/IP四层参考模型（实际上的国际标准）：
OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点：
5层参考模型：
在五层结构中，各层负责任务如下：
应用层：按照http请求的协议，构建报文。然后交付给运输层处理。
运输层：给http请求加上一个头部，使其成为一个TOP报文段。其头部的作用是识别进程和实现可靠传输（TCP的特点）。而后交给网络层处理。
网络层：给TCP报文段加上一个IP头部，使其成为IP数据报。其首部作用是为了使该数据段可以在互联网上传输。而后将其交付给数据链路层处理。
数据链路层：给IP数据报添加一个首部和一个尾部，使其成为帧（按帧传输）。
其首部的作用是使其能够在一段链路或者网络上传输，以及被目的交换机接收并处理。
其尾部的作用是为了让目的主机检查是否有误码。
最后将其交给物理层。
物理层：将帧看作是比特流（01编码），由于是在以太网传输，因而给其加上前导码，便于传输。并且将其变成相应的信号发送到传输媒体。