[网络协议]通信与网络技术笔记（一）

第一章 概述

1.1数据通信概述

通信——指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒体进行的信息交流与传递。

电(光)通信指由一地向另一地进行信息的传输与交换 的传递过程。通信的目的是传递消息(messsage)中包含的信息(information)

连续消息 指消息的状态随时间是连续变化的，如话 音等。

离散消息 指消息的状态是离散的，如符号、数据等。

信号的基本形式：

模拟信号 指该信号的波形可以表示为时间的函数。

数字信号 指该信号的幅度只能取有限离散值，如0和1。

数字通信与模拟通信相比较 ：

优点抗干扰性强，保密性好，设备易于集成， 便于计算机处理等。

缺点：占用较多的带宽，信道利用率低。

1.2 数据通信系统

1.2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、 传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

源系统

源点　它是生成数据的设备。如计算机输出的数字比特流。

发送器　通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能够成为在 传输系统中进行传输的电磁信号。典型的发送器是调制器，它将计算机输出的数字比特流转换成可在电话网上传输的模拟信号。

传输系统

传输线或网络系统。

目的系统

接收器　接收来自传输系统的信号，并将其转换成终点可处理的信息。典型的接收器是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，还原出发送端产生的数字比特流。

终点　获取来自接收器数据的设备。

1.2.2 数据通信系统的主要性能指标

有效性指标 指衡量数据通信系统的传输能力的指标。常用带宽、传输速率和频带利用率等指 标来表示。

特征性指标 指衡量数据通信系统的传输质量的指标。这些指标与有效性指标有很大关系。常 用有差错率、可靠性、通信的建立时间、适应 性和可维性、经济性、标准性。

1.3 数据通信网络

按照其覆盖范围的地理范围划分为一下3种主要类型

1、广域网

广域网采用分组交换技术

2. 局域网

覆盖范围小，局域网之间相连的设备均属同一个单位

目前应用较普遍的是以太网和无线局域网

3. 城域网

1.4计算机网络概述

1.4.1 计算机网络的发展过程

internet与Internet的区别

以小写字母 “i” 开始的 internet（互连网）是一 个通用名词，它泛指由多个计算机网络通过路由器互连而成的网络。

以大写字母 “I” 开始的的 Internet（因特网）则 是一个专用名词，它特指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成、覆盖全球的 特定计算机网络

互联网两个重要基本特点： 连通性(connectivity) 共享 (Sharing)

互联网+：指“互联网 + 各个传统行业”。

互联网基础结构发展的三个阶段

第一阶段：从单个网络 ARPANET （阿帕网） 向互联网发展的过程。

1983 年， TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议，使得所有使用 TCP/IP 协议的计算机都能利用互连网相互通信。

人们把 1983 年作为互联网的诞生时间。

1990年，ARPANET 正式宣布关闭。

第二阶段：建成了三级结构的互联网。

它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）

第三阶段：逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。

ISP：互联网服务提供者 (Internet Service Provider)。

万维网WW的问世
因特网已经成为世界上规模最大和增长速率最快的计算机网络。
因特网的迅猛发展始于20世纪90年代。由欧洲原子核研究组织CERN开发的万维网WWW( World Wide Web)被广泛使用在因特网上，大大方便了广大非网络专业人员对网络的使用，成为因特网的这种指数级增长的主要驱动力。发明者：蒂姆·伯纳斯·李（Tim Berners-Lee）

1.4.2英特网的组成

(1) 周边部分：由所有连接在互联网上的主机组成。用来进行资源共享和通信。

(2) 核心部分：由网络和路由器组成。为边缘部分提供服务（连通性和交换）。

互联网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，而主机处在互联网的边缘部分

互联网核心部分中的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。

主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和 其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用 来转发分组的，即进行分组交换的。

互联网的周边部分

主机之间通信的含义：

“主机 A 和主机 B 进行通信”实际上是指： “主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行 通信”。简称为“计算机之间通信”。

注：进程指正在运行着的程序

主机之间的通信方式通常可划分为两大类：

1、客户-服务器方式（C/S）Client/Serve

例：浏览网页

客户服务器方式：

客户 (client) 和服务器 (server) 都是指通信中所 涉及的两个应用进程。

客户—服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。

客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务。

客户和服务器软件的特点

客户软件的特点 ：

客户程序必须知道服务器程序的地址。

不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器软件的特点

可同时处理多个远地或本地客户的请求。

系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地 等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务 器程序不需要知道客户程序的地址。

一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

2、对等方式（P2P ）Peer-to-Peer

例：QQ传送文件

对等连接 (peer-to-peer，简写为 P2P) 是指两个主 机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务 提供方。

只要两个主机都运行了对等连接软件 (P2P 软件) ， 它们就可以进行平等的、对等连接通信。

双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方 式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又是服务器。

1.4.3 计算机网络的定义及类别

计算机网络的精确定义并未统一。

最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。

计算机网络有多种类别，常见的有以下几种。

1. 从网络的作用范围进行分类

个人局域网 PAN (Personal Area Network) ：

是在个 人工作的地方把属于个人的电子设备（如便携式电脑 等）用无线技术连接起来的自组网络，因此也常称为 无线个人局域网WPAN（Wireless PAN）。

PAN核心思想是，用无线电或红外线代替传统的有 线 电缆，实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化 的信息网络。从计算机网络的角度来看，PAN 是一个 局域网，其作用范围通常在10m左右。

局域网 LAN (Local Area Network) ：一般用微型计算 机或工作站通过高速通信线路相连（速率通常在 10Mbit/s以上），其地理范围通常为1km左右。通常 覆盖一个校园、一个单位、一栋建筑物等。

城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：其作用范围可跨越几个街区甚至整个城市，其作用距离约为 5km-50km。

广域网 WAN (Wide Area Network)：它使用结点交换 机连接各主机，广域网结点交换机之间的连接链路一 般是高速链路，具有较大的通信容量。其作用范围通 常为几十公里到几千公里，可跨越一个国家或一个洲 进行长距离发送数据。

2. 从网络的使用者进行分类

公用网 (public network)

指电信公司出资建造的面向大众提供服务的大型网 络，也称为公众网。

专用网 (private network)

某个部门为满足本单 位的特殊业务工作所建造的网 络，这种网络不向本单位以外的人提供服务。如电 力、军队、铁路、银行等均有本系统的专用网。

3. 用来把用户接入到互联网的网络

接入网 AN (Access Network)

它又称为本地接入网或居民 接入网，它是从某个端用户系统到因特网中的第一个路由 器之间的一种网络。由 ISP 提供的接入网只是起到让用户 能够与因特网连接的“桥梁”作用。从覆盖范围看，很多接入网属于局域网

1.4.4 计算机网络的功能及应用

1、计算机网络的功能

资源共享

数据通信

提高系统可靠性

有利于均衡负荷

提供灵活的工作环境

2、计算机网络的应用

各行各业都有应用

1.4.5 计算机网络的性能指标

1. 速率

速率指的是数据的传送速率，它也称为数据率 (data rate)或比特率 (bit rate)

2. 带宽

带宽(bandwidth)用来表示网络中某通道传送数据的能力。表 示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。 单位是 bit/s ，即“比特每秒”。

“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高

其实是软件中显示的数据单位，一般用字节来衡量。但是其 实我们听到运营商ISP给我们的衡量数据的单位是bit。 n所以拿1M宽带举个例子： 1Mb/s=1000Kb/s=1000/8KB/S=125KB/S

3. 吞吐量

吞吐量 (throughput) 表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

比较：**速率、**带宽、吞吐量

速率：在数据传输中，两个设备之间数据流动的物理速度，单位为bit/s(bps)。我们平常说的速率是额定速率。

带宽：计算机网络中的主机在数字信道上，单位时间内从一端传送到另一端的最大数据量，即最大速率，单位 bps。 吞吐量：主机之间实际传输速率，被称为吞吐量。就是单位时间内某个（信道、端口）实际的数据量，可以理解为实际的带宽

4. 时延 (delay 或 latency)

时延 (delay 或 latency) 是指数据（一个报文或 分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传 送到另一端所需的时间。

有时也称为延迟或迟延.

网络中的时延由以下几个不同的部分组成：

(1). 发送时延

也称为传输时延。

发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。

也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。

$$发送时延=\frac{数据帧长度（bit）}{发送速率(bit/s)}$$

(2). 传播时延

电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

$$传播时延=\frac{信道长度（米）}{信号在信道上的传播速率（米/秒）}$$

比较：发送时延和传播时延

理解两种时延发生的地方不同

发送时延：机器内部的发生器（网络适配器）

传播时延：机器外部的传输信道媒体上 n

发送时延与发送速率有关系，与传播速率无关系

传播时延与传播速率有关系，与发送速率无关系 n

例如：10辆车从高速收费站入口出发到50公里的目的 地，过收费站6秒/辆车，车速100公里/小时。

发车时间(发送时延)：6*10=60秒

行车时间(传播时延)：50/100=30分钟

(3). 处理时延

主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分 析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。

(4). 排队时延

分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。

排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

容易产生的错误概念:

5. 时延带宽积

链路的时延带宽积又称为以 。

时延带宽积 = 传播时延 X带宽

6. 往返时间 RTT

往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送 方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。

在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处 理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。

7. 利用率

分为信道利用率和网络利用率。

信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过)。完全空闲的信道的利用率是零。

信道(information channels)是信号的传输媒质。

网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平 均值。

信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率 增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

1.5 计算机网络的体系结构和模型

1.5.1 层次型的体系结构

国际电报与电话咨询委员会 CCITT( Consultative Committee on International Telegraph and Telephone)
国际标准化组织 ISO (International Standards Organization)

为进行网络中的数据交换而建立的规则、标 准或约定即网络协议(network protocol)，简 称为协议

网络协议主要由以下三个要素组成。

(1)语法 数据与控制信息的结构或格式，“要怎么做”。

(2)语义 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应，即“要做什么”。

(3)同步 事件实现顺序的详细说明，即“什么时候做”。

协议有两种类型：一种是文字描述，另一种是程序代码。

计算机网络协议的重要特点：必须把所有不利 的或异常的情况都估计在内。

分层的好处：

各层之间是独立的。

灵活性好；结构上可分割开；

易于实现和维护；能促进标准化工作。

缺点

降低效率。

有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产 生了额外开销

计算机网络的体系结构 (architecture) 是计算机网络的各层及其协议的集合。

体系结构是抽象的而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

1.5.2 计算机网络的模型

两种国际标准

法律上的 (de jure) 国际标准 OSI 并没有得到市 场的认可。

非国际标准 TCP/IP 却获得了最广泛的应用。 TCP/IP 常被称为事实上的 (de facto) 国际标准。

1. OSI参考模型

   开放系统互连基本参考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为 OSI。

   (1) 物理层

   物理层为数据链路层提供一个物理链接，在传输介质上透明的传输比特流。

   (2) 数据链路层

   在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧为单位的数据。

   (3) 网络层

   因特网主要的网络层协议：网际协议IP(Internet Protocol)和其他协议(如ARP、RARP、ICMP和 IGMP)。

   (4) 传输层

   负责端到端的差错控制和流量控制。

   (5) 会话层

   (6) 表示层

   (7) 应用层

2. TCP/IP模型

   (1)网络接口层

   (2)互联网层

   互联网层定义了IP分组的格式和所用的协议，包括网际协议IP和英特网控制报文协议（Internet Control Message Protocol）

   (3)传输层

   其功能和OSI传输层一样。

   该层定义了俩个端到端的传输协议，一个传输控制协议TCP（Transmission Control Protocol），另一个是用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol）

   (4)应用层

   确定进程间通信 的性质以满足用户的需求，直接为用户的应用进程提供服务

   因特网中的应用层协议很多，如支持万维网应用的 HTTP协议，支持email的SMTP，支持文件传送的 FTP协议等。

   数据单元为报文

   

具有五层协议的体系结构

OSI 的七层协议体系结构的概念清楚，理论也 较完整，但它既复杂又不实用。

TCP/IP 是四层体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。

但最下面的网络接口层并没有具体内容。

因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系 结构 。

1.5.3 若干重要概念

1. 应用进程间通信

OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位 称为该层的协议数据单元 PDU (Protocol Data Unit)。这个名词现已被许多非OSI 标准采用。

主机H1向主机H2发送数据：

应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层PDU（协议数据单元）

应用层PDU再传送到传输层加上运输层首部，成为传输层报文

传输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为 IP 数据报（或分组）

IP 数据报再传送到数据链路层 加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧

数据链路层帧再传送到物理层 最下面的物理层把比特流传送到物理媒体

电信号（或光信号）在物理媒体中传播 从发送端物理层传送到接收端物理层

物理层接收到比特流，上交给数据链路层

数据链路层剥去帧首部和帧尾部 取出数据部分，上交给网络层

网络层剥去首部，取出数据部分 上交给运输层

运输层剥去首部，取出数据部分 上交给应用层

应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程

2. 实体、协议、服务和服务访问点

实体 (entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件 或软件进程。

协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集 合。

在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。

要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。

协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之 间通信的规则。 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的

同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称 为服务访问点 SAP (Service Access Point)。服务访问点SAP是一个抽象的概念，它实际上 就是一个逻辑接口。

OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元 SDU (Service Data Unit)。

1.6 标准及其制定机构

1.6.1 标准

法定标准和事实标准

1.6.2 标准制定机构

1. 国际性标准化组织

（1）国际标准化组织ISO（International Organization for Standardization）

（2）国际电信联盟电信标准部ITU-T（International Telecommunication Union Telecommunication）

（3）电气电子工程师协会IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）

（4）电子工业委员会EIA（Electronic Industries Association）

2.英特网的标准化组织

制定因特网的正式标准要经历的四个阶段：

因特网草案

建议标准

草案标准

因特网标准

云计算是继20世纪80年代大型计算机的客户/服务器的大转变之后的又一种巨变。云计算是一种基于互联网的计算方式，通过这种计算方式，供共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。

云计算包括以下几个服务层次：

基础设施即服务IaaS（Infrastructure-as-a Service）

平台即服务PaaS（Platform-as-a Service）

软件即服务SaaS（Software-as-a Service）

大数据具有以下四个特点：

数据体量巨大

数据类别繁多

数据真实性高

处理速度快

补充：集线器、交换机、路由器