计算机网络概述

如图中两个地区ISP通过一个IXP直接连接起来，主机A至主机B交换分组时，不再经过最上层的主干ISP。

特别情况：

内容提供者是在互联网上向所有用户提供视频文件的公司，这与前面所说的ISP不同，因为它们并不提供互联网的转接服务，这些公司都有独立于互联网的专门网络，并且能与各级ISP与IXP相连。

互联网的标准工作

互联网在制定其标准时一个很大的特点是面向公众。

所有的互联网标准都是以RFC的形式在互联网上发表，且都可以从互联网上免费下载
任何人都可以用电子邮件随时发表对某个文档的建议

ISOC 是一个国际性组织叫做**互联网协会，**便于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。

ISOC下面有个技术组织IAB ，叫做互联网体系结构委员会，负责管理有关互联网有关协议的开发，IAB下面又设有两个工程部：

互联网工程部IETF：负责研究短期和中期的工程问题，主要针对协议的开发和标准化
互联网研究部IRTF：研究一些长期考虑的问题，如互联网的一些协议、应用、体系构造等。

制定互联网的正式标准需经过以下三个阶段：

互联网草案------有效期六个月，在此阶段还不能算RFC文档
建议标准------从这个阶段开始成为RFC文档
互联网标准------经过长期检验，证明某标准可以成为互联网标准，就分配一个标准编号。

互联网的组成

边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享

核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的(提供连通性和交换)

边缘部分

处在互联网边缘部分就是连接在互联网上的所有主机，这些主机又被称为端系统。小的端系统可以是一个网络摄像头，而大的端系统可以是一台服务器；

我们说："主机A和主机B进行通信"，这也是指"主机A的某个进程与主机B的另一个进程进行通信。"，简称为"计算机之间的通信"。

网络边缘的端系统之间的通信方式可划为两大类：客户---服务器方式和对等方式。

客户---服务器方式

客户程序：

被用户调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信，因此客户还必须知道服务器程序的地址。
不需要特殊的硬件和复杂的操作系统

服务器程序：

是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
系统启动后一直在运行，被动等待并接受多个远地的客户请求
一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持

对等连接方式

简称为P2P，指两台主机在通信时，并不区分哪一个是请求方，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，它们就可以平等的对等连接通信。

互联网的核心部分

互联网核心部分是互联网中最复杂的部分，因为网络中的核心部分要向网络边缘部分中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一台主机都能够与其他主机通信。

在网络核心部分起特殊作用的是路由器 ，它是一种专用计算机。路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组。

电路交换

让所有电话机两两相连不现实，应当用一个交换机，让电话用户之间可以方便地通信。电话交换机虽然经过多次更新迭代，但交换方式一直都是电路交换

当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。这是因为计算机的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输数据的时间往往不到10%，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。

例如：当用户阅读终端屏幕上的信息或键盘输入和编辑一份文件时，或计算机正在进行处理而结果尚未返回时，宝贵的通信线路资源并未被利用而是白白被浪费了。

分组交换

分组交换采用存储转发技术，我们将要发送的整块数据称为一个报文，在发送它前，会将其划分为更小的数据段。

例如

每个数据段为1024bit，在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组。 分组又称为**"包"，** 而分组的首部也可称为**"包头"。**

分组是在互联网中传送的数据单元，分组中的首部非常重要，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选择传输路径，并被正确地交付到分组传输的终点。

另外，边缘部分的主机与核心部分的路由器**都是计算机，**但它们的作用很不一样。

主机：为用户进行信息处理，并且与其他主机通过网络交换信息
路由器：转发分组，即进行分组交换。

假定主机H1向H5发送数据，主机H1先将分组逐个地发往与它直接相连的路由器A。此时，除链路H1---A外，其他通信链路并不被占用，即便是链路H1---A，也只是当分组在传送时才被占用，在未传送期间，链路H1---A仍可为其他主机发送的分组使用。

路由器A把主机H1发来的分组放入缓存。假定从路由器A的转发表中查出应把该分组转发到链路A---C，于是分组就会传送到路由器C。当分组在链路A---C传送，并不占用网络其他部分的资源。

再假定在某一分组的传送过程中 ，链路A---C的通信量太大，那么路由器A可以把分组沿另一个路由传送。

需注意的是：路由器暂时存储的是一个个短分组，而不是整个的长报文。短分组是暂在路由器的存储器（即内存），而不是存储在磁盘中的，这就保证了较高的交换速率。

报文交换

电报通信采用的是基于存储转发原理的报文交换，报文交换延时较长，从几分钟到几小时不等，现在报文交换已不使用了。分组交换虽然也采用存储转发原理，但由于使用了计算机进行处理，因而分组的转发非常迅速。

三种交换的对比

计算机网络的类别

计算机网络的精确定义并未统一

简单定义：一些互联、自治的计算机集合

互联：计算机之间可以通过有线或者无线的方式进行数据通信
自治：独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独使用
集合：至少需要两台计算机

例如：

该图中就不属于计算机网络 ，因为终端机是一种特定的硬件设备，它用于连接到计算机系统或网络，以便用户可以输入命令或数据，并接收输出结果。终端机可以是简单的文本显示器和键盘组合。你可以从终端机的定义得知，它并不兼备软件，不能单独使用。不满足自治的条件

较好的定义：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件 互连而成的。而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的(例如，传送数据或视频信号)。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

计算机网络中所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机或智能电视机。
计算机网络并非专门用来传输数据，而是能够支持很多种应用。

按照网络的作用范围进行分类

广域网WAN

作用范围通常为几十到几千公里，有时也被称为远程网
广域网是互联网的核心部分，其任务是长距离运送主机所发送的数据。
连接广域网各节点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。

城域网MAN

作用范围是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，其作用距离约为5~50KM
城域网可以为一个或几个单位拥有，也可以是一种公用设施，用来将多个局域网进行互联。目前很多城域网采用的是以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围进行讨论。

局域网LAN

局域网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10MB以上），但地理上则局限在较小的范围

个人局域网PAN

个人区域网在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络
其范围很小，大约在10m左右。
若中央处理机之间的距离很近，则一般就称之为多处理机系统而不称它为计算机网络

按照网络的使用者分类

公用网

电信公司出资建造的大型网络。"公用"的意思就是所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都可以使用这种网络。

专用网

某个部门为满足本单位的特殊业务工作而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务。例如，军队、铁路、银行、电力等系统均有本系统的专用网

按拓扑结构分类

用来把用户接入互联网的网络

这种网络就是接入网AN，又称为本地接入网 或**居民接入网。**我们在之前已经知道用户必须通过本地ISP才能接入互联网。本地ISP可以使用多种接入网技术把用户的端系统接到互联网。

接入网实际上就是本地ISP所拥有的网络，它既不是互联网的核心部分，也不是互联网的边缘部分。接入网由某个端系统连接到本地ISP的第一个路由器之间的一些物理链路所组成。

从覆盖范围看，长度在几百米到几公里之间，很多接入网还是属于局域网

从作用上来看，接入网只是起到能让用户能够与互联网连接的作用

计算机网络的性能

计算机网络的性能指标

速率

计算机发送的信号都是数字形式的。比特（bit）意味着一个二进制数字 ，因此一个比特就是二进制数字一个1或0，它也是信息论中使用的信息量的单位。

而速率指的是数据的传输速率，即为数据率或比特率，速率单位为bit/s

当数据率较高时：

例题

带宽

带宽有两种意义：

在模拟信号中的意义：带宽原指某个信号具有的频带宽度 。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围。这种意义的带宽单位是赫（HZ） 。再过去一段时间，通信的主干线路传送的是模拟信号。因此，表示某信道允许通过的信号频带范围就该称为该信道的带宽
在计算机网络中的意义：网络中某通道传送数据的能力，表示在单位时间内某信道所能通过的最高数据率。 这种带宽的单位 就是数据率的单位bit/s ，是**"比特每秒"**

数据传输速率由主机接口速率、线路带宽、交换机或路由器的接口速率共同控制，并且具有"木桶短板效应"

吞吐量

吞吐量表示单位时间内通过某个网络的实际数据量。吞吐量更经常用于对现实世界的网络的一种测量，以便实际上到底有多少数据量可通过网络。显然，吞吐量受网络带宽或网络额定速率的限制。

时延

时延是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络的一端传送到另一端所需的时间。 又称为延迟。

发送时延 是主机和路由器发送数据所需要的时间；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。

传播时延 是电磁波在信道上传播所需要的时间，传播时延则发生在机器外部的传输信道媒体上，而与信号的发送速率无关。信号传送的距离越远，传播时延就越大。

**处理时延：**主机和路由器收到分组后需要处理的时间，例如分析分组首部、从分组中提取数据部分、进行差错校验或查找转发表

**排队时延：**分组在经过网络传输时，还要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先输入队列进行排队等待处理

图解时延问题

从这个图中也能看出为什么没有接收时延，因为发送的同时也在接收。发送时延的另一边就是接收时延。

当网络中存在多个路由器时，时延图解如下：

由图所示，每多一个接收媒介，就会多一次发送时延和传播时延。

关于时延的例题

以下是对该计算过程的分析：

不同类型时延的在不同条件下占主导地位

时延带宽积

时延带宽积 是传播时延 和带宽的乘积

用如上示意图来表示链路，管道长度是链路的传播时延，截面是带宽，因此时延带宽积就是这个管道的体积，表示该链路可容纳多少个比特。

时延带宽积的意义

链路的时延带宽积 也称为以比特为单位的链路长度

往返时间

往返时间指从发送端发送数据分组开始，到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止，总共耗费的时间。

例题

A向B发送数据，如果数据长度100MB，发送速率是100Mbit/s

假如B收完100MB的数据后，就立即向A发送确认。再假定A只有在收到B的确认信息后，才能继续向B发送数据。

显然，这需要等待一个往返时间RTT（此时可假定确认信息很短，可忽略B发送确认的发送时延），若RTT=2s，那么可以算出A向B发送数据的有效数据率。

比原来数据率100Mbit/s小不少。
往返时间的意义

在互联网中，往返时间还包括处理时延、发送时延、排队时延即传播时延。当使用卫星通信时，往返时间RTT相对较长。

利用率

利用率有信道利用率和网络利用率

信道利用率

网络利用率是指网络中所有链路的链路利用率的加权平均。

链路利用率

链路利用率是指某条链路有百分之几的时间是被利用的(即有数据通过)。

完全空闲的链路的利用率为零。
利用率与时延的关系

根据排队论可知，当某链路的利用率增大时，该链路引起的时延就会迅速增加。

当网络的通信量较少时，产生的时延并不大，但在网络通信量不断增大时，分组在交换节点（路由器或交换机）中的排队时延会随之增大，因此网络引起的时延就会增大。

信道利用率或网络利用率过高就会产生很大的时延，所以一些拥有较大主干网的ISP通常会控制信道利用率不超过50%，如果超过了就要准备扩容，增大线路带宽。

丢包率

一定时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率

分组丢失的情况

分组在传输过程中出现误码，被传输路径中的节点交换机（例如路由器）或目的主机检测出误码而丢弃。

节点交换机根据丢弃策略主动丢弃分组。

丢包率可以反映网络的拥塞情况:

无拥塞时路径丢包率为0。

轻度拥塞时路径丢包率为1%~4%。

严重拥塞时路径丢包率为5%~15%。

计算机网络体系结构

我们假设这样一个情况：连接在网络上的计算机需要文件互传，首先两者之间必须有条传送数据的通路，另外，还要如下步骤：

发出信号将数据的通路激活，保证数据可在该通路上正确发送和接受。
告诉网络如何识别接受的计算机
发起通信的计算机必须查明对方计算机是否开机，且网络是否连接正常
发起通信的计算机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受文件和存储文件的准备工作
若文件的格式不兼容，则其中一台计算机应完成格式转换功能
对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误等，应当有可靠的措施保证对方计算机最终能收到正确的文件。

由此可见，两个计算机系统需要高度相协调工作。"分层" 可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题。

OSI的失败原因：

专家没有实际经验完成标准时没有商业驱动力，协议实现过分复杂运行效率很低

标准的制定周期太长产品无法及时进入市场

层次划分不太合理

有些功能在多个层次中重复出现

网络中的TCP/IP体系结构的运用

因特网中的主机需要完整的TCP/IP体系结构，而路由器只要满足网络互联这一基本要求，只需要TCP/IP体系结构中的网际层和网络接口层

TCP/IP体系结构中的协议使用

IP协议可将不同协议的网络接口进行互联，并向其上的TCP协议和UDP协议提供网络互联协议。

TCP在享受IP协议网络互联的同时，向应用层的某些协议及其他协议提供可靠的传输服务

UDP在享受IP协议网络互联的同时，向应用层的某些协议及其他协议提供不可靠的传输服务

协议与划分层次

计算机网络中的数据交换需遵守规则，这些规则明确规定了交换数据的格式以及有关的同步问题。又称网络协议。主要有以下三个要素组成：

语法，数据与控制信息的结构或格式
语义，需要发出的何种控制信息，完成何种动作及做出何种响应。
同步，事件实现顺序的详细说明

网络协议是计算机网络不可缺少的组成部分。我们想对网络上的另一台计算机进行操作时，如从某台主机上下载文件，都需要协议；而在个人电脑上进行文件存储时，就不需要协议。

现在假定主机1与主机2之间进行网络传送文件

我们需要三类工作：

第一类工作与直接传送文件有关 ，如发送端的文件传送应用程序确信接收端文件管理程序已做好接受和存储文件的准备。另外，若两台主机所用格式不同，则至少其中一台还要完成文件格式转换。这两项工作都可以用一个文件传送模块完成。如此，两台主机可将文件传送模块作为最高一层。

为了不让文件传送模块完成全部工作细节而导致复杂化，第二类工作是 **设立一个通信服务模块，保证文件和文件传送命令可靠地在两个系统之间交换。**也就是说，让上面的文件传输模块用到下面的通信模块所提供的服务。

第三类工作就是构造一个网络接入模块，让这个模块负责与网络接口细节有关工作，并向上层提供服务，使上面的通信服务模块能完成可靠通信的任务。

从上方这个例子可得出分层的好处如下：

**各层之间是独立的：**某一层并不需要知道它的下层如何实现，而仅仅只需要该层通过该层见的接口所提供的服务。

**灵活性好：**当任何一层发生变化时，只要层间关系接口保持不变，那么在这层以上或以下各层均不受影响。

**结构上可分隔开：**各层都可以用最合适的技术实现

**易于实现和维护：**这种结构使得和调试一个庞大而复杂的系统，因为整个系统已被分解为若干个相对独立的子系统。

能促进标准化工作： 每一层功能及其所提供的服务主要有以下：

**差错控制：**使相应层次对等方通信更加可靠

**流量控制：**发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快

**分段和重装：**发送端将发送的数据划分为更小的单位，在接收端将其还原

**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。

计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构 ，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所完成功能的精确定义。

体系结构是抽象的，而实现是具体的，真正在运行的是计算机硬件和软件。

层次划分------应用层

应用层是体系结构中的最高层，应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应

用，它协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。

进程指的是主机中正在进行的程序， 不同网络应用有不同的应用层协议。如域名系统DNS、万维网HTTP协议、支持电子邮件的SMTP协议。我们将应用层交互的数据单元叫做报文。

层次划分------运输层

运输层的任务是负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据服务，应用进程利用该服务传送应用层报文。

多种应用可以使用同一个运输层服务。由于一台主机可以同时运行多个进程，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的服务，分用就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------提供面向连接、可靠的数据传输服务，其数据传输服务的单位是报文段。
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（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。

层次划分------网络层

网络层分别为分组交换网上的不同主机提供通信服务 。在发送数据时，网络层将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，所以分组报也叫做IP数据报。

网络层具体任务有两个：

通过一定算法，在互联网中的每一个路由器上生成用来转发分组的转发表。
在每一个路由器接收到一个分组时，将转发表中指明的路径转发到下一个路由器。这样就可以使源主机运输层传下来的分组，通过合适的路由器达到目的主机。

互联网是由大量异构网络通过路由器连接而成，互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和多种路由器选择协议。

层次划分------数据链路层

两台主机之间的数据传输，总是在一段一段的链路上传输的，这就需要专门的链路层协议。数据链路层把网络层交下来的IP数据组装成帧。

在两个相邻节点间的链路上传送帧，每一帧包括数据和必要的控制信息，如同步信息，地址信息等。

在接受数据时，控制信息使接收端能够知道一个帧从哪个比特开始和到哪个比特结束。这样，数据链路层在收到一个帧后，就可从中提取出数据部分，上交给网络层。

控制信息还能让接收端检测到所收到的帧中有无差错。如发现有差错，数据链路层就丢弃这个出现差错的帧，以免继续传送下去浪费网络资源。另外如果需要改正数据在链路层传输时的差错，那么就要采用可靠传输协议来纠错，这种方法会使数据链路层的协议复杂些。

层次划分------物理层

在物理层上所传数据单位是比特；发送方发送1（或0）时，接收方应当收到1（或0）。因此物理层要考虑多大的电压代表"1"或"0"，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。

物理层还需要确定电缆的插头应当有多少根引脚以及应当如何连接引脚。解释比特代表含义，并不是物理层的任务。请注意，传递信息所使用的一些物理传输媒体，也不是物理层协议之内，而是在物理层协议之下，所以也有人把物理层下面的物理传输媒体当做第0层。

层次划分小结

数据在层次中的传递过程

假定主机1中的应用进程AP1向主机2的应用进程AP2传送数据

AP1先将数据交给本主机的第5层（应用层），在第5层加上必要的控制信息H5就变成了下一层的数据单元。
第4层（运输层）收到该数据单元后，再加上本层的控制信息H4，再交给第3层（网络层），成为第3层的数据单元
经由相同步骤到达第2层后，控制信息被分为两部分，分别加到本层数据单元的首部H2和尾部T2
第1层（物理层）是比特流的传送，所以不再加上控制信息。传送比特流应从首部开始传送
当这一串比特流离开主机1经过网络的物理传输媒体到达路由器时，就从路由器的第1层一次上升到第3层。每一层都根据控制信息进行相应操作，然后将控制信息剥去。将剩下的数据单元上交到更高一层。
当分组到达第3层（网络层）时，就根据首部中的地址查找路由器的转发表，找出转发分组的接口，加上新的首部和尾部后，再到最下面一层。
在路由器物理传输媒体上把每一个比特发送出去。
当这串比特流离开主机2时，将之前进入路由器的从下到上的操作再完成一遍，到达第5层，将应用进程AP1发送的数据交给目的站的应用进程AP2

对等层的概念

如上图中，把数据通过水平虚线直接传递给对方，这就是**"对等层"之间的通信**。而提到的各层协议，实际上就是各个对等层之间传递数据时的各项规定。

注意：水平虚线为未对用户展示的数据传送过程，所以表现数据是直接传给了对方

计算机网络中的专业术语

实体

协议

前面已经初步了解了协议的大致内容，接下来逐个对其概念进行理解，网络协议主要有以下三个要素组成：

1.语法，数据与控制信息的结构或格式

这是IPV4数据报的首部格式，其中小格子称作字段或域，语法就是定义了这些一小格子的位置以及长度。

2.语义，需要发出的何种控制信息，完成何种动作及做出何种响应。

从主机发送HTTP的GET请求报文------web服务器接受并回复------主机运行并渲染。通信双方接收到数据包后应完成的操作，就是由语义定义的

同步，事件实现顺序的详细说明。

从主机发送HTTP的GET请求报文------web服务器接受并回复------主机运行并渲染。通信双方接收到数据包后应完成的操作，就是由语义定义的。

服务

在协议的控制下，两个对等实体在水平方向的逻辑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提供的协议。

协议是水平的，而服务是垂直的。

实体看得见下层提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议，下层协议对上层实体是"透明"（计算机术语中的透明是指什么也看不到）

相邻两层的实体进行交互的地方，即交换信息的逻辑接口，叫做服务访问点SAP。

帧的"类型"字段、IP数据报的"协议"字段，TCP报文段或UDP用户数据报的"端口号"字段都是SAP

上层要使用下层所提供的服务，必须通过与下层交换一些命令 ，这些命令称为服务用语。

对等层次之间传送的数据包 称为该层的协议数据单元，同一系统内层与层之间交换的数据包称为服务数据单元