计算机网络

三网：

1. 电信网络

2. 有线电视网络

3. 计算机网络

三网融合：三网融合是一种广义的、社会化的说法，在现阶段它并不意味着电信网、计算机网和有线电视网三大网络的物理合一，而主要是指高层业务应用的融合。

计算机网络的主要功能：

1. 连通性

2. 共享

互联网

基本概念：

• 网络（network），是由若干个结点（node）和连接这些节点的链路（link）组成。结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器

• 互联网（互连网），网络和网络之间通过路由器互连起来，就是覆盖范围更大的互连网，所以互连网是网络的网络（network of networks）

因特网是世界上最大的互连网络，连接在因特网上的计算机被称为主机。

互联网的组成分为两个部分：

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1. 边缘部分：由所有连接在因特网上的主机（也称作端系统 end system，代表互联网末端）构成，这部分是用户直接使用的，用来进行通讯和资源共享

2. 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组曾，这部分是为边缘部分提供服务的

边缘部分

边缘部分的主机通讯也成为端到端之间的通讯，是指两台主机的进程之间相互通讯，通常简称为计算机之间的通讯。

在边缘部分的主机之间的通讯方式分为两大类：

1. 客户/服务器（C/S）方式：是最常用与传统的方式，一方请求服务，一方提供服务，服务器要求性能较高，且可同时处理多个客户的请求

2. 对等方式（P2P）方式：两台主机不区分服务器和客户，只要都运行p2p软件，就可以进行平等对等连接通信，双方都可访问对方硬盘中的共享文档。可支持大量对等用户同时工作，数据且分散到不同的主机中

核心部分

核心部分主要用于向网络边缘部分的大量主机提供连通性，使边缘部分的任何一个主机都能够向其他主机通讯。核心部分的主要功能就是交换：按照某种方式动态分配传输线路的资源。

交换方式一：电路交换

没有电路交换的情况下，网络中的每个主机都要一一相连（如上图1和2），线路将会变得很复杂。电话交换机就是典型的电路交换，可以大大减少电话线的数量（如上图3）。电路交换可以分为三个步骤：

1. 建立连接(占用通信资源)

2. 通话(一直占用通信资源)

3. 释放连接(归还通信资源)

主要设备：交换机

主要缺点：当用户正在输入和编辑一份待传输的文件时（通话过程中），用户所与用的通信资源暂时未被利用，该通信资源也不能被其他用户利用，宝贵的线路资源就被白白浪费掉了，因此电路交换的传输效率非常低，不适用于计算机和计算机之间的通信。

电路交换可能经过多个交换机，交换机之间的传输线路成为中继线，下面是电路交换的传输过程：

交换方式二：报文交换

报文：要发送的整块数据（message）

工作方式：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发给下一个结点（是一种存储转发机制）

主要应用：电报，报文传输要经过报文交换中心，操作员会接收报文，根据报文目的站的地址，再使用相应的报机发送出去

交换方式三：分组交换

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。分组交换采用存储转发技术，把一个报文划分为几个分组后进行传送：

1. 分组：把较长的报文分成更小的等长数据段，再加上必要的控制信息组成的首部后，就构成一个分组；分组又称包，分组的首部又称包头

首部的重要性：包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，使每一个分组才能独立的选择传输路径，并正确交付到终点

存储转发技术：路由器收到分组后，先暂时存储，检查其首部，查找转发表，按照首部中目的地址，选择合适的接口转发出去

三种方式的特点：

1. 电路交换：整个报文的比特流连续的从源点直达终点，好像在管道中传送

2. 报文交换：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发给下一个结点

3. 分组交换：将报文拆分为多个分组报文，单个分组传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发给下一个结点

计算机网络类别

按照作用范围分类

1. 广域网(WAN)：作用范围几十到几千公里，是互联网的核心部分，其任务是通过长距离运送主机所发送的数据，广域网各结点采用高速链路，有较大通信容量

2. 城域网(MAN)：作用范围一个城市，用来将多个局域网进行互联，多采用以太网技术

3. 局域网(LAN)：作用范围1km左右，一般用微机或工作站通过高速通信线路相连

4. 个人区域网(PAN)：作用范围10m左右，把个人工作的地方属于个人的设备用无线技术相连，也叫无线个人区域网(WPAN)

按照网络使用者分类

1. 公用网：电信公司出资建造的大型网络，任何人都可付费使用，也称公众网

2. 专用网：为满足特殊业务需要建立的网络，不向外人提供服务

接入网

用来把用户进入到互联网的网络。

计算机网络性能

性能指标

常用的数据量单位

速率

• 连接在计算机网络中的主机在数字信道上传送数据的速率，也称为数据率(data rate)或者是比特率(bit rate)

• 速率常指额定速率或标称速率，并不是实际的速率

• 单位为b/s或者bit/s，也称作bps(bit per seconds)，如果数据量较高，可以使用kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s

速率的单位：

1. 注意，速率的单位与数据量的单位不同，数据量的单位大写（1K=1024），而速率的单位小写（1k=1000）

2. 

试题：

带宽

• 表示网络的通讯线路所能传送数据的能力，也就是单位时间内从网络中的某一个点到另一点所能通过的最高数据量

• 比如运营商的物理光纤的速率为1Gb/s，平均分配给十个客户，那么每个客户的带宽为100Mb/s

• 带宽的单位与速率相同

吞吐量

• 单位时间内通过某网络（或信道、接口）的数据量，常用于对现实世界中网络的测量，以便方便清楚实际上有多少数据量通过网络

• 单位同速率他、带宽相同

• 不同于带宽，带宽代表单位时间内通过的最高数据率，而吞吐量则代表单位时间内实际通过的数据量

查看计算机的吞吐量：

1. windows下是以按照波形展示的

2. 发送代表上行吞吐量，接收代表下行吞吐量

3. 吞吐量 = 上行吞吐量 + 下行吞吐量

时延

时延(delay 或 latency)：

1. 数据从网络的一段传送到另一端所需的时间；又称延迟或迟延

2. 网络时延由以下几个部分组成：

   1. 发送时延(transmission delay)：主机或者路由器发送数据帧所需要的时间，从发送数据真的第一个bit起，到该帧的最后一个bit所要的时间。发送时延 = 数据帧长度(bit) / 发送速率(bit/s)

   2. 传播时延(propagation delay)：是电磁波在信道中传播一定的举例需要花费的时间。传播时延 = 信道长度(m) / 电磁波在信道上的传播速率(m/s)。电磁波在在不同介质中传播速率不同，在自由空间中为光速3*10^5 km/s；在铜线中为2.3*10^5 km/s；在光纤中为2.0*10^5 km/s

   3. 处理时延：主机或路由器收到分组后处理分组所用的时间；如分析首部、提取数据、差错检验、转发路由查找等

   4. 排队时延：分组经过路由器时，在路由器中经历输入和输出的排队等待时间。各中转路由器中；取决于网络的通信量，通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，相当于时延无限大

3. 总时延：总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

4. 时延带宽积：时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

5. 往返时间RTT：双向交互一次所需的时间；包含中间各结点的处理时延、排队时延、转发数据时的发送时延

6. 利用率：

   1. 信道利用率：指某信道有百分之几的时间是被利用的

   2. 网络信道利用率：全网络的信道利用率的加权平均数

非性能指标

1. 费用

2. 质量

3. 标准化

4. 可靠性

5. 可扩展性和可升级性

6. 已于管理和维护

计算机网络体系结构

协议与划分层次

什么是网络协议？

1. 为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

2. 网络协议必须包含的三个要素：

   1. 语法：数据与控制信息的结构或格式

   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

   3. 同步：事件实现顺序的详细说明

为什么要采用网络分层？

如果不采用分层，那么一个模块将会完成所有的工作细节，会让这个模块变得很复杂，且如果某个部分需要改变，无法灵活的修改模块，故采用网络分层。

网络分层有哪些优点

1. 各层之间是独立的：某一层不需要知道下一次如何实现，只需要知道接口提供的服务

2. 灵活性高：当一层发生变化时，只要保证接口不变，就能方便修改

3. 结构上可分割：各层都可以采用最合适的技术实现

4. 易于实现和维护：这种结构使实现和调试一个庞大复杂的系统更容易，因为整个系统以被分解成若干相对独立的子系统

5. 促进标准化：因每一层的功能及其提供的服务都已精确说明

网络分层的拆分标准？

1. 差错控制：使相应层次对等方的通信更可靠

2. 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接受

3. 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小单位，在接收端将其还原

4. 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

5. 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

OSI七层协议与TCP/IP四层协议

OSI七层分别为：

1. 应用层，网络进程访问层，为应用程序进程（比如电子邮件、http服务）提供网络服务

2. 表示层，确认通信双方都可以读懂此数据

3. 会话层，建立、管理以及终止应用程序之间的会话

4. 传输层，用于定义数据如何传输，保证数据可靠性，比如数据的切片(快递公司将自行车拆分，并装箱)、重组(你收到快递后将自行车组装起来)

5. 网络层，用于寻址，即找到要进行数据传输的计算机，通常是IP （主要设备：路由器）

6. 数据链路层，IP地址用于表示点到点之间的地址，但是中间会经过很多交换机，这些路由器则是使用mac地址进行寻址的，数据链路层就是负责相邻设备间的寻址 （主要设备：交换机）

7. 物理层，用于二进制传输，比如光纤、电信号、光信号等

因为OSI七层理论清楚完整，但是复杂且不实用，所以TCP/IP四层协议更为广泛流传。为了学习计算机网络的所有特点，所以采用折中的办法，将其拆分为五层，这五层分别为：

1. 应用层：

   • 作用：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进程间通信和交互的规则

   • 常见协议：DNS、HTTP、SMTP、SSH、FTP等

   • 报文：应用层交互的数据单元

2. 运输层：

   • 作用：负责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；通用指多种应用可以使用同一运输层服务；有复用和分用功能

   • 主要协议：

     1. 传输控制协议TCP：提供面向连接的、可靠的数据传输服务，数据传输的单位是报文段

     2. 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，数据传输的单位是用户数据报

3. 网络层：

   • 作用：负责为分组交换网上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；选择合适路由，使运输层传下来的分组能通过网络中的路由器找到目的主机

   • 主要协议：IP协议、多种路由选择协议

4. 数据链路层：

   • 作用：负责两主机间链路上的传输；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，帧中包含数据和必要的控制信息；在接收数据时，提取出数据部分交给网络层；通过控制信息监测差错，丢弃差错帧或纠正错误

5. 物理层：

   • 作用：考虑用多大电压代表0或1，如何识别对方发送的比特；确定电缆插头的物理结构

数据在各层之间的传递过程：

各层之间的协议

各层协议

1. 应用层：HTTP、SMTP

2. 传输层：TCP、UDP

3. 网络层：IP、ICMP(控制报文协议)、IGMP(internet 组管理协议)

4. 链路层：硬件接口、ARP(地址解析协议)、RAPP(反向地址转换协议)

5. 物理层：物理传输介质

实体、协议、服务、服务访问点

1. 实体：表示任何可发送或接受信息的硬件或软件进程；很多情况下，实体就是一个特点的软件模块

2. 协议：控制两个或多个对等实体进行通信的规则的集合

3. 服务：由下层向上层通过层间接口提供的功能

4. 服务访问点：在同一系统相邻两层的时间进行交互的地方

协议与服务：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，还需要使用下面层提供的服务；

协议是"水平的"，即协议是控制对等实体间通信的规则，服务是"垂直的"，即服务是由下层向上层通过接口提供的。