《计算机网络》谢希仁第7版学习笔记之 概述
文章目录
网络分类
- 电信网络
- 有线电视网络
- 计算机网络
计算机网络定义
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。
计算机网络特点
- 连通性
互联网上用户不管距离多远，都能通信，就像这些用户终端都彼此连通
- 共享性
指资源共享，包含信息、软件、硬件等共享，就像资源在用户身边
计算机网络的分类
按照网络的作用范围进行分类
- 广域网 WAN (Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里
- 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：作用距离约为 5~50 公里。
- 局域网 LAN (Local Area Network) ：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。
- 个人区域网 PAN (Personal Area Network) ：范围很小，大约在 10 米左右。
若中央处理机之间的距离非常近（如仅 1 米的数量级甚至更小些），则一般就称之为多处理机系统，而不称它为计算机网络
按照网络的使用者进行分类
- 公用网 (public network)
按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。 - 专用网 (private network)
为特殊业务工作的需要而建造的网络。
公用网和专用网都可以提供多种服务。如传送的是计算机数据，则分别是公用计算机网络和专用计算机网络。
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。
- 接入网是一类比较特殊的计算机网络，用于将用户接入互联网。
- 接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分
- 接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络。
- 从覆盖的范围看，很多接入网还是属于局域网。
- 从作用上看，接入网只是起到让用户能够与互联网连接的“桥梁”作用。
互联网
互联网，特指 Internet，它起源于美国，是由数量极大的各种计算机网络互连起来而形成的一个互连网络。它采用 TCP/IP 协议族作为通信规则，是一个覆盖全球、实现全球范围内连通性和资源共享的计算机网络。
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互连而成的网络。
以大写字母 “I” 开始的的 Internet（互联网或因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET
任意把几个计算机网络互连起来（不管采用什么协议），并能够相互通信，这样构成的是一个互连网 (internet)，而不是互联网 (Internet)。
互联网的组成
从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块：
- 边缘部分： 由所有连接在互联网上的主机组成。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）。
“主机 A 和主机 B 进行通信”实际上是指：“运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信”。
主机
与网络互连的计算机称为主机
ISP层次
- 主干ISP
由几个专门的公司创建和维持，服务面积最大（一般能够覆盖国家范围），并且拥有高速主干网（例如10Gbit/s或更高）。有一些地区ISP也可以直接与主干ISP相连
- 地区ISP
地区ISP是一些较小的ISP。这些地区ISP通过一个或多个主干ISP链接起来，它们位于等级中的第二层，数据率也低一些
- 本地ISP
本地ISP给用户提供直接的服务（这些用户有时也称为端用户，强调是末端的用户）本地ISP可以连接到地区ISP，也可以直接连接到主干ISP。
绝大多数用户都是连接到本地ISP的。本地ISP可以是一个仅仅提供互联网服务的公司，也可以是一个拥有网络并向自己的雇员提供服务的企业，或者是一个运行自己的网络的非营利机构（如大学）
XIP（互联网交换点）
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
端系统之间的两种通信方式
- 客户服务器方式（C/S方式）
即 Client/Server 方式，简称为 C/S 方式。 - 对等方式（P2P方式）
即 Peer to Peer 方式 ，简称为 P2P 方式。
路由器
路由器是实现分组交换 (packet switching) 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
- 在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。
- 路由器处理分组的过程是：
- 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
- 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
- 把分组送到适当的端口转发出去。
典型交换技术包括：
“交换”的含义
从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
电路交换
N 部电话机两两直接相连，需 N(N –1)/2 对电线。这种直接连接方法所需要的电线对的数量与电话机数量的平方（N 2）成正比。
当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务
每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。
所采用的交换方式就是电路交换 (circuit switching)。
特点
-
电路交换必定是面向连接的。
电路交换分为三个阶段：
-
建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用；
-
通信：主叫和被叫双方就能互相通电话；
-
释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路（释放刚才占用的所有通信资源）。
-
计算机数据具有突发性。
这导致在传送计算机数据时，通信线路的利用率很低（用来传送数据的时间往往不到 10% 甚至不到 1% ）。
分组交换
特点
- 分组交换则采用存储转发技术。
- 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。
- 每一个数据段前面添加上首部构成分组 (packet)。
- 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。
- 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报文。
- 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。
分组交换的传输单元
- 每一个分组的首部都含有地址（诸如目的地址和源地址）等控制信息
- 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
- 每个分组在互联网中独立地选择传输路径。
- 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。
优点
| 优点 | 所采用的手段 |
|---|---|
| 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。 |
分组交换带来的问题
- 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
- 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。
报文交换
互联网的核心部分采用了分组交换技术。
三种交换的比较
- 若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。
- 报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。
- 由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。
计算机网络的性能
性能指标
速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，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)。
速率的单位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s等。
例如4 *1010 bit/s 的数据率就记为 40 Gbit/s。
速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。
“带宽”(bandwidth) 本来是指信号具有的频带宽度，其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
在计算机网络中，带宽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”。
在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。
在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄。
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。
吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。
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：
时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
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 = 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。
发送时延与传播时延有本质上的不同。
信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。
传播时延 = 信道长度（米）/ 信号在信道上的传播速率（米/秒）
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。
四种时延所产生的地方
对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。
提高链路带宽减小了数据的发送时延。
以下说法是错误的：
“在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送得更快些”
链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度
时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
互联网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互的。因此，有时很需要知道双向交互一次所需的时间。
往返时间 RTT (round-trip time) 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。
当使用卫星通信时，往返时间 RTT 相对较长，是很重要的一个性能指标。
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。
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。
时延与网络利用率的关系
根据排队论的理论，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。
若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0 之间的关系：
其中：U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。
计算机网络的体系结构
- 计算机网络是个非常复杂的系统。
- 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行，而这种“协调”是相当复杂的。
- “分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。
- 计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。
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（同步含有时序的意思）。 - 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。
网络协议的三个组成要素
- 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。
分层结构
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 。
主机 1 向主机 2 发送数据 流程
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（主机1）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（PDU (Protocol Data Unit)：协议数据单元。
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。） -
（主机1）应用层 PDU 再传送到运输层，加上运输层首部，成为运输层报文
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（主机1）运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）
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（主机1）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
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（主机1）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
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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（主机2）物理层
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（主机2）物理层接收到比特流，上交给数据链路层
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（主机2）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
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（主机2）网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层
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（主机2）运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层
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（主机2）应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程
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（主机2）应用进程收到数据
- 任何两个同样的层次把数据（即数据单元加上控制信息）通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的“对等层”(peer layers)之间的通信。
- 各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。
- 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。
- 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)。
- SDU 可以与 PDU 不一样，例如，可以是多个 SDU 合成为一个 PDU，也可以是一个 SDU 划分为几个 PDU。
分层的好处与缺点
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。
各层完成的主要功能
- 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。
- 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：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，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，在接收端再进行分用。
- 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。