[网络协议]计算机网络（谢希任）第一章-概述笔记

计算机网络概述

互联网具有连通性和共享的基本特点。

计算机网络由若干结点（node）和连接这些结点的链路（link）组成。

结点：计算机、集线器、交换机或者路由器等。

网络把许多计算机连接在一起，互连网通过路由器把许多网络连接在一起，与网络相连的计算机称作主机。

互连网基础结构发展的三个阶段

1. 从单个网络ARPANET向互连网发展；
   • 1983年TCP/IP协议成为ARPANET上的标准协议；
   • internet互连网：通用名词，泛指多个计算机网络互连而成的计算机网络；
   • Internet互联网：专用名词，指当前全球最大的、开放的、由众多网络互相连接而成的特定互连网，采用TCP/IP协议作为通信规则，前身是美国的ARPANET；
2. 建成了三级结构的互联网；
   • NSFNET三级计算机网络：主干网、地区网、校园网（企业网）
3. 形成多层次ISP结构的互联网；
   • ISP可以从互联网管理机构申请到许多IP地址，同时拥有通信线路以及路由器等联网设备；个人缴纳费用，通过ISP获得IP地址接入互联网；
   • 互联网成为“网络的网络”的原因：目前互联网不是某个单个组织拥有的而是全世界无数大大小小的ISP共同拥有的；
   • 不同层次：主干ISP、地区ISP、本地ISP；
   • 互联网交换点IXP：允许两个网络直接相连交换分组，不需要通过第三个网络转发分组；

互联网的组成

1. 边缘部分：所有连在互联网的主机（端系统）组成，用户直接使用进行通信和资源共享；
   • 计算机之间的通信：主机Ａ的某个进程和主机Ｂ的某个进程进行通信；
   • 端系统通信方式２种，客户－服务器方式（C/S方式）和对等方式（P2P方式）
     • C/S方式：客户程序被用户调用后主动向服务器发起通信请求服务，必须知道服务器程序的地址，不需要特殊硬件和复杂操作系统；服务器程序可同时处理多个本地或远程客户请求，启动后不断运行，被动等待请求，需要强大硬件和高级操作系统支持；
     • P2P方式：运行对等连接软件，每一台主机既是客户又是服务器；
2. 核心部分：网络和路由器组成，为边缘部分提供服务（连通性和交换）；

   • 路由器：实现分组交换（package switching）的关键构件，转发收到的分组；

   • 电路交换：经过建立连接、通话、释放连接三个步骤的交换方式；在通话时间内，两个用户始终占用端到端的通信资源；线路传输效率低，原因是计算机数据往往突发式出现在传输线路上；

   • 分组交换：采用存储转发技术，在数据通信的过程中动态分配传输带宽；

     • 我们要发送的整块数据叫做报文，较长的报文被划分为更小的等长数据段，在每个数据段前面加上首部（控制信息如目的地址、源地址组成）后，构成一个分组（packet）。
     • 路由器转发的是一个个短分组而不是长报文，短分组存储在路由器的存储器中而非磁盘例，保证了交换速率。分组到达一个路由器后，先暂存然后查找转发表，再从一条合适的链路转发出去。路由选择协议可以自动找到转发分组最合适的路径。
     • 优点：高效（动态分配带宽，逐段占用通信链路）、灵活（每个分组独立选择合适的转发路由）、迅速（以分组作为传送单位，无需先建立连接就能向其他主机发送分组）、可靠（保证可靠性的网络协议，分布式多路由的分组交换网）；
     • 缺点：分组在各路由器存储转发时需要排队，造成一定的时延；无法确保通信时端到端所需的带宽；各分组携带的控制信息造成一定开销；整个分组交换网需要专门的管理和控制机制；

   • 电路交换、分组交换、报文交换的对比：
     

计算机网络的类别

定义：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成，这些硬件并非专门用来实现某一特定目的，而能传送多种不同类型的数据，能支持广泛的和日益增长的应用；

• 按照作用范围分类
  • 广域网WAN：几十到几千公里
  • 城域网MAN：5~50kmm，一个城市
  • 局域网LAN：1km左右，较小范围
  • 个人区域网PAN：10m左右
• 按照使用者分类
  • 公用网：按照电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用的网络
  • 专用网：某个部门为满足本单位特殊业工作的需要而建造的网络
• 用于把用户接入到互联网的网络
  • 接入网AN，又称本地接入网或居民接入网，不属于核心部分和边缘部分，是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器之间的一种网络；

计算机网络的性能

• 性能指标
  • 速率：指的是数据的传送速率，也称数据率、比特率；M兆、G吉、T太、P拍、E艾、Z泽、Y尧
  • 带宽：原本表示某信道允许通过的信号频带范围（频域），计算机网络中表示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：单位时间内通过某网络的实际数据量；
  • 时延：数据从网络的一端传送到另一端所需要的时间；
    • 发送时延=$\frac{数据帧长度(bit)}{发送速率(bit/s)}$：主机或路由器发送数据帧需要的时间，从发送数据帧的第一个比特起到最后一个比特发送完成；
    • 传播时延=$\frac{信道长度(m)}{电磁波在信道上的传播速率(m/s)}$：电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间；
    • 处理时延：主机或路由器收到分组时需要花费一定时间进行处理；100MB的数据块=$100\times 2^{20}\times 8$bit
    • 排队时延：分组进入路由器后需要先在输入队列等待处理，确认转发接口后在输出队列中等待转发；取决于网络通信量；通信量很大时队列溢出发生分组丢失，此时排队时延为无穷大；
  • 时延带宽积(bit)=$传播时延(s)\times 带宽(bps)$：表示从发送端发出但尚未到达接收端的比特
  • 往返时间RTT
  • 利用率：信道利用率和网络利用率
    • 信道利用率：某信道有百分之几的时间被利用的（有数据通过）；并非越高越好的原因是，根据排队理论，某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也迅速增加；$D=\frac{D_0}{1?U}$，D网络当前时延，D₀网络空闲时延，U利用率。当信道利用率达到容量的1/2时，时延加倍，要准备增大线路带宽。
    • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值；
• 非性能特征：费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性和可升级性、易于管理和维护

计算机网络体系结构

网络协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准和约定称为网络协议；

网络协议三要素：

• 语法：数据与控制信息的接口或格式；
• 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及作出何种响应；
• 同步：事件实现顺序的详细说明；

体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构；

OSI的七层协议体系结构、TCP/IP的四层协议体系结构，学习时采用5层协议体系结构；

• 应用层（application layer）：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用；应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则；
• 传输层：向两台主机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：提供面向连接的、可靠的数据传输服务，数据传输的单位是报文段segement；
  • 用户数据报协议UDP：提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务，数据传输的单位是用户数据报；
• 网络层：为分组交换网上不同的主机提供通信服务；选择合适的路由，使得源主机传输层传下来的分组能够通过路由器找到目的主机；互联网的网络层也叫网际层、IP层；
• 数据链路层：将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在相邻两个节点的链路上传送站帧；每一帧包含数据和控制信息；数据链路层接收到一个帧后，根据控制信息提取数据部分，交付给网络层；
• 物理层：传送数据单位是比特，用多大电压代表0和1；