互联网的组成
互联网从工作方式上，可以分为两大块：边缘部分 ，核心部分
- 边缘部分：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，用来进行通信和资源共享。边缘部分中的主机可以是台式电脑或大型服务器，也可以是笔记本电脑、平板电脑，还可以是智能手机、智能手表以及物联网智能硬件，例如空气质量监测仪、智能摄像头等。
- 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（提供连通和交换）。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，但我们不称它为主机。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，这是网络核心部分最重要的功能
端系统之间的两种通信方式：
（1）客户/服务器方式（Client / Server 方式，简称为 C/S 方式）
客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据。
2）对等方式（Peer to Peer 方式，简称为 P2P 方式）
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。
计算机网络的定义
计算机网络的精确定义并未统一，换句话说，全世界没有一个对计算机网络的公认的唯一定义。这里我们给一个最简单的定义：计算机网络（简称网络）：由若干结点（node） 和连接这些结点的**链路（link）**组成。
结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等。链路可以是有线链路、无线链路。
计算机网络的分类
从组成部分看
从组成部分： 硬件 （主机、通信设备、通信链路）、软件、协议。
从工作方式看
从工作方式：核心部分 （负责数据转发）和边缘部分（用户直接使用）
从逻辑功能看
从逻辑功能 ：资源子网 （主机+软件）、通信子网（实现网络通信的底层硬件、软件）。
性能指标
速率
速率（Speed）：指连接到网络上的节点在信道上传输数据的速率。也称数据率或比特率、数据传输速率。
常用的数据率单位有比特每秒，可以简写为小写字母b/s ，或者写为bps。其是速率的基本单位。
以下为计算机中速率的常见单位：
| 单位 | 大小 |
|---|---|
| 比特每秒 bit/s | 数字信道上每秒可以传输的比特数量 |
| 千比特每秒 kb/s | 1 kb/s = 8 b/s |
| 兆比特每秒 Mb/s | 1 Mb/s = 103 kb/s = 106 b/s |
| 吉比特每秒 Gb/s | 1 Gb/s = 103 Mb/s = 109 b/s |
| 太比特每秒 Tb/s | 1 Tb/s = 103 Gb/s = 1012 b/s |
带宽
模拟信号系统中：
带宽在模拟信号系统中的意义是指信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围，某信道允许通过的信号频带范围称为该信道的带宽（或通频带），其基本单位是赫兹Hz，常用单位有千赫兹kHz、兆赫兹MHz、吉赫兹GHz。
例如在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽为 3.1kHz，范围从 300Hz到 3.4kHz，这是话音的主要成分的频率范围。
计算机网络中：
带宽在计算机网络中的意义是用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力。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。基本单位是**b/s** 。常用单位有**kb/s** 、Mb/s、Gb/s、Tb/s。
两者的本质是相同的，一条通信线路的频带宽度越宽，其所能传输数据的最高数据率也就越高。
吞吐量
吞吐量表示在单位时间内实际通过某个网络或信道接口的数据量。
吞吐量受带宽限制、受复杂的网络负载情况影响。
举个例子：
• 信道1的吞吐量=1.8MB/s
• 信道2的吞吐量=93.3MB/s
• 网线的吞吐量= 1.8+93.3=95.1MB/s
• 电脑网卡的吞吐量=1.8+93.3=95.1MB/s
• 开机至今，电脑网卡的吞吐量=44.86GB+1.44GB
时延
时延（Delay） ：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
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
发送时延（传输时延）： 节点将数据推向信道所花的时间**。发送时延=数据长度(bit)/发送速率(bit/s)。**
传播时延： 电磁波在信道中传播一定的距离所花的时间。传播时延=信道长度(m)/电磁波在信道中的传播速度(m/s)
**处理时延:**被路由器处理所花的时间（如：分析首部、查找存储转发表）
**排队时延:**数据排队进入、排队发出路由器所花的时间。
电磁波的传播速率如下：
| 介质 | 速率 |
|---|---|
| 自由空间 | 3.0 × 108（光速） |
| 铜线 | 2.3 × 108 |
| 光纤 | 2.0 × 108 |
时延带宽积
时延带宽积：一条链路中，已 从发送端发出但尚未到达接收端 的最大比特数
时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
往返时延
往返时延 RTT（ Round-Trip Time ） ：表示从发送方发送完数据，到发送方收到来自接收方
的确认总共经历的时间。
信道利用率
信道利用率：某个信道有百分之多少的时间是有数据通过的。
信道利用率 = 有数据通过的时间/（有数据通过的时间+没有数据通过的时间）
注意：
信道利用率不能太低，浪费资源。信道利用率也不能太高，容易导致网络拥塞。
数据交换方式
典型交换技术包括：电路交换、分组交换、报文交换等。
互联网的核心部分采用分组交换技术
电路交换
电路交换（Circuit Switching）：通过物理线路的连接，动态地分配传输线路资源。
路交换的主要特点
分为三个阶段：
- 建立连接：建立一条专用的物理通路（占用通信资源）。
- 通话：主叫和被叫双方互相通电话（一直占用通信资源）。
- 释放连接：释放刚才使用的专用的物理通路（归还通信资源）。
电路交换特点：通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。
尽管采用电路交换可以实现计算机之间的数据传送，但是线路的传输效率往往很低，这是因为计算机数据是突发式的出现在传输线路上的。（突发性：计算机在传输数据时，不会一直在信道中传输数据，而是间歇性的传输数据）
分组交换
分组交换：将数据分割为带地址的独立分组，通过动态路径传输并在目的地重组。
分组交换的主要特点
- 采用存储转发技术
- 分组交换以"分组"作为数据传输单元
- 互联网采用分组交换技术。分组是在互联网中传送的数据单元。
- 发送端依次把各分组发送到接收端。
- 接收端收到分组后剥去首部，还原成原来的报文
分组在互联网中的转发：
分组交换的优点：
- 高效------在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。
- 灵活------为每一个分组独立地选择最合适的转发路由。
- 迅速------以分组作为传送单位，可以不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，使网络有很好的生存性。
分组交换的缺点：
- 相比于报文交换，控制信息占比增加
- 相比于电路交换，依然存在存储转发时延
- 报文被拆分为多个分组，传输过程中可能出现失序、丢失等问题，增加处理的复杂度
报文交换
报文交换中的交换节点也采用存储转发方式，但报文交换对报文的大小没有限制，这就要求交换节点需要有较大的缓存空间。需要注意的是，报文交换主要用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。
报文交换的优点：
- 通信前无需建立连接
- 数据以"报文"为单位被交换节点间"存储转发"，通信线路可以灵活分配
- 在通信时间内，两个用户无需独占一整条物理线路。相比于电路交换，线路利用率高
- 交换节点支持"差错控制"
报文交换的缺点：
- 报文不定长，不方便存储转发管理
- 长报文的存储转发时间开销大、缓存开销大
- 长报文容易出错，重传代价高
传输对比
| 电路交换 | 报文交换 | 分组交换 | |
|---|---|---|---|
| 完成传输所需时间 | 最少（排除建立/ 释放连接耗时） | 最多 | 较少 |
| 存储转发时延 | 无 | 较高 | 较低 |
| 通信前是否需要建立连接 | 是 | 否 | 否 |
| 缓存开销 | 无 | 高 | 低 |
| 是否支持差错控制 | 不支持 | 支持 | 支持 |
| 报文数据有序到达 | 是 | 是 | 否 |
| 是否需要额外的控制信息 | 否 | 是 | 是（控制信息 占比最大） |
| 线路分配灵活性 | 不灵活 | 灵活 | 非常灵活 |
| 线路利用率 | 低 | 高 | 非常高 |
分层体系结构
协议与划分层次
1）网络协议 (network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。（文字描述、程序代码）
三个组成要素：
- 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，完成何种动作以及做出何种响应。
- 同步：事件实现顺序的详细说明
2）层次式协议结构
分层的优点与缺点
优点：
- 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：**有些功能会重复出现，因而产生了额外开销。
注意：每一层的功能应非常明确。
层数太少，就会使每一层的协议太复杂。
层数太多，又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难
分层概述
五层协议体系结构
- 应用层:包含大量应用普遍需要的协议，支持网络应用。FTP, SMTP, HTTP
- 运输层: 主机到主机数据传输，负责从应用层接收消息，并传输应用层的message，到达目的后将消息上交应用。为终端设备之间的每个通信定义了数据分段、传输和重组服务。TCP, UDP
- 网络层: 从源到目的地数据报的选路。IP, 选路协议
- 链路层: 在邻近网元之间传输数据。PPP, 以太网
- 物理层: 物理层负责将链路层帧中每一位(bit)从链路的一端传输到另一端。
封装：在通过网络介质传输应用程序数据的过程中，随着数据沿协议栈向下传递，每层的各种协议都要向其添加信息。
解封：接收设备删除一个或多个协议报头的过程。
一段数据在任意协议层的表示形式称为协议数据单元 (PDU)
- 数据 - 应用层使用的 PDU
- 数据段 - 传输层 PDU
- 数据包 - 网络层 PDU
- 帧 - 数据链路层 PDU
- 位 - 通过介质实际传输数据时使用的物理层 PDU
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：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
TCP/IP 的体系结构
