计算机网络概述

大家很熟悉三大类网络：电信网络（电话、电报）、有线电视网络（电视节目）、计算机网络（计算机之间传送数据文件）

后来电信网络和有线电视网络都融入了计算机网络，俗称“三网融合”
互联网的两个重要特点：连通性（不管多远，都可以交互信息）和共享（共享某一服务器的资源）。
计算机网络（简称为网络）：由若干结点(计算机、集线器、交换机或路由器等)和连接这些节点的链路(光纤等)组成

? 一个完整的计算机网络，离不开硬件、软件、协议三部分。
网络之间还可以通过路由器互连起来，这就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络，这样的网络成为互连网，因此互连网是网络的网络
网络把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络通过路由器连接起来。与网络相连的计算机常称为主机

【注意：网络并不是把计算机仅仅的在物理上连接起来，还必须安装许多使计算机能够交互信息的软件才可一连接】
互连网发展的三个阶段：

第一个阶段是从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。起初美国国防部创建的第一个分组交换网ARPANET只是一个单个的分组互换网（并不是一个互连的网络），所有要连接在ARPANET上的主机都直接与就近的结点交换机相连。后来人们认识到不可能仅使用一个单独的网络来满足所有的通信，于是出现了互连网络的出现。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进行通信，互联网诞生。
区分：internet和Internet
internet：互连网，泛指多个计算机网络互连而成的计算机网络，他们之间的通信协议可以任意选择。
Internet:互联网，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互连网，采用TCP/IP协议作为通信的规则。前身就是ARPANET
第二个阶段：三级结构的互联网，分为主干网、地区网、校园网（企业网）。起初分布在主要大学和研究生，后来世界上许多公司纷纷加入互联网，网络上的通信量急剧增大，互联网的容量已满足不了需要。于是政府决定将互联网的主干网转交给私人公司来经营，并对接入互联网的单位收费。（主干网就是我们常说的移动、联通公司这种）
第三个阶段：多层次ISP结构的互联网。从1993年开始，美国自主的NSFNET逐渐被若干个商用的互联网主干网替代，政府不再负责互联网的运营。出现了新的名词：互联网服务提供者（Internt
Service Provider）ISP，ISP是一个商业公司，被称为互联网服务提供商。移动、联通、电信就是我们最有名的ISP。
ISP业务介绍了解：ISP可以从互联网管理机构申请到很多IP地址(互联网上的主机都必须有IP地址才能上网)，同时拥有通信线路（大ISP自己建造通信线路，小ISP则向电信公司租用通信线路）以及路由器等联网设备。只要个人向某个ISP缴费，就可以从ISP获取所需IP地址的使用权，并可以该ISP接入互联网，这个过程也成为“上网”。IP地址的管理机构不会把单个的IP地址分配给用户，而是把一批IP地址有偿租赁给经审查合格的ISP（只批发IP地址），由此可见，现在的互联网已经不是某个组织所拥有的，而是全世界无数大大小小的ISP所共同拥有的。这就是互联网被成为网络的网络的原因。
ISP分为主干ISP、地区ISP、本地ISP 主干ISP：由几个专门的公司创建和维持，服务面积最大（一把能覆盖国家范围）
地区ISP：较小的IPS，数据率低一些。地区ISP通过一个或多个主干ISP连接起来。
本地ISP:给用户提供直接的服务，本地ISP可以连接到地区ISP，也可直接连接到主干ISP，绝大多数用户都是连接到本地ISP。本地ISP的范围（一个公司、大学等）。

下图是一个三层ISP的互联网概念示意图（红框里面表示通信的流程）

在这里插入图片描述

从原理上说，只要每个本地ISP都安装了路由器连接到某个地区ISP，而每个地区ISP也有路由器连接到主干ISP，那么在这些互相连接的ISP的共同作用下，就可以完成互联网中的所有的分组转发任务。但是随着数据流量不断增长，人们开始研究如何更快地转发分组，诞生了互联网交换点IXP.作用是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。

拿上图举例子，主机A和主机B交换分组时，不必再经过主干ISP，直接再两个地区ISP之间用高速链路对等地交换分组（ISP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）
欧洲开发了万维网（WWW）被广泛使用再互联网上，大大方便了网络专业人员对网络的使用，成为互联网这种指数级增长的主要驱动力。
互联网成立一个国际组织叫互联网协会（ISOC），对互联网进行全面管理以及在世界范围内促进其发展和使用。分为两个部门，互联网工程部（研究短期、中期问题）IETF和互联网研究部IRTF（研究长期问题）
所有互联网标准都是以RFC形式再互联网上发表的，RFC翻译过了叫“请求评论”
制定互联网的正式标准经历了3个阶段：1.互联网草案2.建议标准3.互联网标准

互联网的组成

互联网的拓扑结构非常复杂，但是从工作方式来看，可以划分为两大块：边缘部分和核心部分
边缘部分：由所有连接在互联网上的主机（端系统）组成，这部分是用户直接使用的，用来通信和资源共享。

详细介绍边缘部分：

1.边缘系统利用核心部分所提供的服务，使众多主机之间能够互相通信并交换或共享信息。通信指的就是主机A上的某个进程和主机B上的某个进行进行通信。
2.在网络边缘的端系统（主机）之间的通信方式通常分为两大类：客户-服务器方式（C/S方式）和对等方式（P2P方式）

3.客户-服务器方式：最常见的方式，客户是请求方，服务器是服务提供放，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。客户程序被用户调用后，主动向服务器发送请求，客户程序必须直到服务器程序的地址；服务器转门用来提供服务，可以同时处理多个远地或本地客户的请求，不需要直到客户程序地址。

4.对等连接方式：指两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方，只要两台主机都运行了对等连接软件（P2P软件），他们就可以进行平等的、对等连接通信。这时双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。可能在对等连接中的每一台主机既是客户有同时是服务器。

核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，提供连通性和交换

1.核心部分是互联网中最复杂的部分，因为网络核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分的任何一台主机都能向其他主机通信。
2.核心部分起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机（但不是主机）。
路由器是实现分组交换（paacket swithing）的关键组件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心最重要的功能，
3.电路交换：由来：在电话问世不久，人们发现要让所有电话机都两两连接是不现实的，如两部电话只需要一根线，但是5部电话就需要10对电线，导致电线数量太大，于是发明了电话交换机，将这些电话连接进来。一百年以来，随着电话交换机更新换代，但是交换方式一直都是电路交换。
交换的含义：按照某种方式动态地分配传输线路的资源，在使用电路交换通话之前，必须先拨号请求建立连接，当被叫用户听到交换机送来的振铃音并接听后，从主叫端到被叫端就建立了一条连接，也就是一条专用的物理通道，这条连接保证了双方通话时所需要的通信资源，而这些资源在双方通信时不会被其他用户占用。通完话挂机后，交换机释放刚才使用的这条专用物理通道，交还给电信网。
这种必须经过建立连接（占用通信资源）----->通话(一直占用通信资源)------->释放连接(归还通信资源)三个步骤的交换方式称为电路交换。（上面的内容借助图1-9理解）
如图1-10所示，用户线是电话用户到所连接的交换机的连接线路，是用户独占的传送模拟信号的专用线路，而交换机之间拥有大量话路的中继线（这些传输路线早已都数字化了）则是许多用户共享的，正在通话的用户只占用了中继线里面的一个话路。
《电路交换的一个重要特点是：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源》导致线路的传输效率往往很低，因为计算机数据是突发式地出现在传输路线上的，因此线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%，甚至1%。已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的。
5.分组交换：采用存储转发技术，表示把一个报文划分为几个分组后在进行传送。通常我门把要发送的整块数据称为一个报文。比如每个数据段1024bit，在每个数据段前面加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组（packet），分组又称为包，而分组的首部叫包头。分组是在互联网中传送的数据单元。分组的首部非常重要，正是由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在互联网中独立的选择传输路径，并被正确地交付到分组传输的终点。（如图1-11）
6.互联网核心部分的路由器之间一般都是高速链路相连接，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。位于网络编译的主机和位于网络核心部分的路由器都是计算机，但它们的作用却很不一样，主机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。路由器则是用来转发分组的，即进行分组交换的。路由器收到一个分组，先暂时存储一下，检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器，这样一步步地以存储转发方式，把分组交付给最终的目的主机。各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息，以便创建和动态维护路由器中的转发表，使得转发表能够在整个网络拓扑发生变化时及时更新。
7.路由器暂时存储的是一个个短分组，而不是整个长报文，短分组是暂存在路由器的存储器中，而不是存储在磁盘中。这样就保证了较高的交换速率。
8.【应该注意！】，分组交换在传达数据之前不必先占用一条端到端的链路的通信资源，分组在哪短链路上传达才占用这段链路的通信资源。分组到达一个路由器后，先暂存下来，查找转发表，然后从一条合适的链路转发出去。分组在传输时就这样一段一段地断续占用通信资源，而且还省去了建立连接和释放连接的开销，因而传输效率更高。当某些结点、链路出现故障时，在各路由器中运行的路由选择协议能够自动找到转发分组最合适的路径。综上所述，采用存储转发的分组交换，实质上是采用了在数据通信的过程中断续（或动态）分配传输宽带的策略，对通信线路的利用率大大提高。
9.为了提高分组交换的可靠性，互联网的核心部分采用网状拓扑结构，使得当发生网络拥塞或少数结点、链路出现故障时，路由器可灵活地改变转发路由而不致引起通信的中断或全网的瘫痪。
10.分组交换的优点：1.高效（断续分配，逐段占用）2.灵活（选择最合适的转发路由）3.迅速（分组作为传送，可以不建立连接就向其他主机发送分组） 4.可靠（保证可靠性的网络协议，分布式多路有的分组交换网，使网络有很好的生存性）
带来的问题：各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销，整个分组交换网还需要专门的管理和控制机制。

电路交换、报文交换、分组交换的区别
在这里插入图片描述

计算机在我国的发展

我国最先建设网络的是铁道局，后来公安、银行、军队也开始了。

搜狐（首家大型分类查询搜索引擎）网易（推出了中国第一家中文全文搜索引擎）新浪（全球最大的中文综合门户网站）

腾讯（最大的互联网综合服务提供商）百度（全球最大的中文搜索引擎）阿里巴巴（最大的网购零售平台）
计算机网络的分类：
- 按照网络的作用范围分类：广域网WAN(远程网，是互联网的核心，通过长距离运送主机所发送的数据)、城域网MAN（范围是一个城市，采用以太网技术）、局域网LAN（工作站、学校、工厂、校园网）、个人区域网PAN（笔记本用无线技术使用的网络）
- 按照使用者分类：公用网（交钱就能使用）、专用网（部队、铁路、银行）
- 按照拓扑结构来分类：总线型、星型、环型、网状型
- 按传输技术：广播式网络（共享一个公共通信通道）、点地点网络
- 用来把用户接入到互联网的网络，之前学习的是必须通过ISP才能接入互联网，这个比较特殊，叫接入网AN。
计算机性能指标：

速率：网络中的速率指的是数据的传送速率，称比特率，bit意思是二进制数字，0或1.
带宽：1.指某个信号具有的频带宽度（赫兹为单位）。2.通道传送数据的能力（bit/s）
吞吐量：表示在单位时间内通过某个网络的实际的数量，受网络的带宽或额定速率的限制
时延：数据从网络断传送到另一端所需的时间，分为：发送时延（主机或路由器发送数据帧所需要的时间）、传播时延（电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间）、处理时延（主机或路由器收到分组时要花费一定的时间进行处理）、排队时延（分组在进入路由器后现在输入队列中排队等待）
时延带宽积：时延?带宽
往返时间RRT：很多时候互联网上的信息不仅仅是单方向传输，还可能是双向交互。
利用率：信道利用率和网络利用率

计算机的非性能特征：

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
- 计算机网络体系结构的形成：

假设两台计算机要互相传送文件，必须有一条传送数据的通路，但是远远不够，至少还有以下几项工作：
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接受数据的计算机
3.发起通信的计算机必须查明对方计算机是否开机，并且于网络连接正常
4.发起通信的计算机中的应用程序必须弄清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好接收文件和储存文件的准备工作。
5.若计算机的文件格式不兼容给，至少其中一台计算机完成格式转换
6.对出现的各种差错和意外十五，如传输错误、重复、丢人，应当又可靠的措施保证对方计算机最终能接收到正确文件
由此看出，通信的两个计算机必须要高度协调才可以，于是提出了分层，将庞大复杂的问题转化为较小的局部问题。
1974年，美国IBM公司宣布了系统网络体系结构SNA，这个标准就是按照分层的方法指定的。后来其他公司相继推出了自己的体系结构，但由于体系结构不同，不同公司的设备很难互相连通。于是，为了让世界范围内互连，成立了开放系统互连基本参考模型OSI/RM，简称OSI，开放是指非独家垄断，只要遵守标准，任何地方都可以进行通信，后来称为正式文件，即七层协议。但是太过于理想，即让全世界计算机都遵守这个标准，虽然已经制作出来，但是被TCP/IP的互联网抢先运行，OSI只是获得了一些理论研究成果，但在市场方面失败了，如今覆盖全球的基于TCP/IP的互联网并未使用OSI标准。
失败原因：1.缺乏实际经验和商业区动力 2.实现过于复杂，运行效率低 3.指定周期长，按OSI标准进行的设备无法及时进入市场
4.层次划分不合理，有些功能在多个层次中重复出现。

协议与划分层次：在计算机要做到有条不紊地交换数据，比如遵守一些事先约好的规则，这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题，这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。网络协议主要有3个要素：语法(数据与控制信息的结构或格式)、语义(需要发出何种控制信息，完成何种动作)、同步(事件实现顺序的详细说明)
分层的好处：1.各层之间独立，某一层并不需要其他层是如何实现，一层只是先一种相对独立的功能，不至于那么复杂。

2.灵活性好：当任何一层发生变化，只需要对某一层进行修改即可 3.结构上可分割开：各层都可以采用最合适的技术

4.易于实现和维护：使得庞大的程序被分解，易于管理 5.能促进标准化工作：

坏处：有些功能会在不同的层次中重复出现，产生额外开销。

计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构

具有五层协议的体系结构
应用层：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程序间通信和交互的规则。应用层交互的数据单元称为报文
运输层：向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。应用进程利用该服务传送应用层报文。所谓的通用，指的是多种应用可以使用同一个运输层服务。由于一台主机可同时运行多个进行，因此运输层有复用和分用的功能，复用就是多个应用层进程可同时使用下面运输层服务，分用是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程

运输层主要使用以下两种协议：传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP

TCP：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

UDP：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
网络层：负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报。或简称为数据报。另一个功能是选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组，能够通过网络中的路由器找到目的主机。

【注意：1.不要将运输层的用户数据报UDP和网络层的IP数据报弄混，无论在那一层传送的数据单元，都可笼统地用分组来表示2.互联网是由大量的异构网络通过路由器相互连接起来的，互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和许多种路由选择协议，因此互联网的网络层也叫做网际层或IP层。】
数据链路层：数据链路层常简称链路层。两台主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传送的，这就需要使用专门的链路层协议。在两个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传送帧。每个帧包括数据和必要的控制信息
物理层：传数据的单位是比特，物理层要考虑用多大的电压代表“1”和“0”，确定连接电缆的插头应该有多少根引脚。

【现在经常提到TCP/IP并不一定是指TCP和IP，往往表示整个TCP/IP协议族】

五层协议的流程运转（PDU单元也是首部+数据的格式）
实体、协议、服务和服务访问点

实体：当研究开放系统中的信息交换时，往往使用实体这一较为抽象的名词表示任何可发送或接收信息的硬件或软件过程

协议：控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合。协议的语法方面的规则定义了所交换的信息的格式，而语义方面的规则定义了发送者或接收者所要完成的操作

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，还需要使用下面一层所提供的服务。

区分服务和协议：协议是水平的，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。

上层使用下层多提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI种称为服务原语。

在同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方，通常成为服务访问点SAP，是一个抽象的概念，实际上就是一个逻辑接口，有点像邮政信箱（可以把邮件放入信箱和从信箱中取走邮件）

OSI把层与层之间交换的数据的单位成为服务数据单元SDU，它可以与PDU不一样。例如，可以是多个SDU合成一个PDU，也可以是一个SDU划分为几个PDU
TCP/IP协议表明TCP/IP协议可以为各种各样的应用提供服务，同时TCP/IP协议也允许IP协议在各式各样的网络构成的互联网上运行。