1.计算机网络在信息时代中的作用
21世纪的重要特征：数字化、网络化、信息化。21世纪是一个以网络为核心的信息时代。
三类常见的网络：电信网络、有线电视网络、计算机网络。按照最初的分工，它们各自的功能如下所示。本课程讨论的内容是计算机网络。
- 电信网络：提供电话、电报和传真服务。
- 有线电视网络：传送各种电视节目。
- 计算机网络：在计算机之间传送数据文件。
互联网和互连网的区别：互连网是指局部范围内相互连接起来的计算机网络，也就是网络的网络；而互连网是特指覆盖全球的因特网。
互联网的基本特点：
- 连通性：互联网的用于无论距离相距多远都可以便捷经济地交换信息。
- 共享：也就是资源共享。
2.互联网概述
2.1.网络的网络
互联网的起源地：美国。
计算机网络的组成：计算机网络由若干个节点和连接这些节点的链路组成。网络中的节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。
基本概念：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一些路由器连接在一起。
- 主机：与网络相连的计算机称为主机。
- 路由器：一种特殊的计算机，有中央处理器和操作系统等部件，但是不是主机。
2.2.互联网基础结构发展的三个阶段
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第一阶段：美国国防部的阿帕网向互联网发展的过程。
- 因特网：用大写字母I开头的Internet是一个专有名词，指的是当今全球最大的、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，且其前身是美国的阿帕网。
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第二阶段：建成了三级结构的互联网。也就是主干网、地区网和校园网（或企业网）。
- 地区网：管辖本地区内各个校园网或企业网之间的相互通信。
- 主干网：使得不同地区的互联网用户可以相互通信。
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第三阶段：逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网。
- 互联网服务提供者（ISP）：
- 互联网服务提供者（ISP）的概念：从1993年开始，阿帕网逐渐被多个商用的互联网主干网取代，这些商用主干网的提供者就被称为ISP。中国的著名ISP包括中国电信、中国移动和中国国联通等。
- 互联网服务提供者的作用：互联网服务提供者可以从互联网管理机构申请到很多整块的IP地址，并有偿为用户提供IP地址的使用权。
- 互联网服务提供者的层次：主干ISP、地区ISP和本地ISP。主干ISP由几个专门的公司负责创建和维护，服务面积最大；地区ISP是较小的ISP；本地ISP给用户提供直接的服务，绝大多数用户都是连接到本地ISP的。
- 互联网交换点（IXP）：
- 主要作用： 允许两个ISP网络直接相连并交换分组，而不需要通过第三个网络来转发分组。这样就减少了分组转发的迟延时间，并且降低了费用。
- 应用例子：如果没有互联网交换点，两台主机A和B之间进行通信时，通信路径可能是：主机A→本地ISP→地区ISP→主干ISP→地区ISP→本地ISP→主机B；但是如果使用了互联网交换点，则两个地区ISP之间就可能可以不经过主干ISP传递信息。
- IXP的结构：IXP的结构非常复杂。典型的IXP由一个或网络交换机组成，这些网络交换机通过局域网互连起来。
- 我国的IXP数量：截止到2020年8月，我国有32个IXP。
- 内容提供者：当前互联网的最主要流量是视频文件的传送，内容提供者就是在互联网上向所有用户提供视频文件的公司。由于传送视频文件的流量非常大，为了提高传输效率，这些公司都有独立于互联网的专门网络，并且能够与各级ISP和IXP互连。
- 互联网服务提供者（ISP）：
互联网的指数级增长：20世纪90年代欧洲原子核研究组织开发出万维网（WWW），成为互联网指数级增长的主要驱动力。
2.3.互联网的标准化工作
互联网有关协议的开发机构：国际性组织**互联网协会（ISOC）下有一个技术组织互联网体系结构委员会（IAB）**负责互联网有关协议的开发，这个组织下面又设置有两个工程部门：
- 互联网工程部：这个部门是由多个工作组组成的论坛。具体工作由互联网工程指导小组管理。这些工作组划分为若干个领域，每个领域集中研究某一个特定的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：这个部门是由一些研究组组成的论坛。具体工作由互联网研究指导小组管理。该部门的任务是研究一些需要长期考虑的问题，包括互联网的一些协议、应用和体系结构。
RFC（Request For Comments）：
- 所有的互联网标准都是以RFC的形式在互联网上发表的，意思是请求评论。所有RFC文档都可以从互联网上免费下载，并且任何人都可以通过电子邮件的方式发表对某个文档的建议或意见。
- 并非所有的RFC文档最终都会成为互联网标准，只有很少部分的RFC文档最后能够变成互联网标准。
- RFC文档按照发表的时间先后进行数字编号，文档更新后就需要使用一个新的编号，并且在新文档中指出原来老编号的文档已经成为陈旧的或已经更新。但是，旧版本的RFC文档并不会被删除。
互联网正式标准制定的三个阶段：
- 互联网草案：有效期只有六个月，在这个阶段还不能算是RFC文档。
- 建议标准：在这个阶段成为RFC文档。
- 互联网标准：如果经过了长期的检验，证明了某个建议标准可以成为互联网标准时，则给它分配一个标准编号，记为STDxx。这里的STD表示Standard。一个互联网标准可以与多个RFC文档关联。
3.互联网的组成
互联网组成的两部分：
- 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。这一部分是用户直接使用的。
- 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这一部分是为边缘部分提供服务的。
3.1.互联网的边缘部分
端系统：边缘部分是指连接在互联网上的所有主机，这些主机也被称为端系统。
边缘部分的作用概述：边缘部分利用核心部分提供的服务，使得众多主机之间能够相互通信并交换或共享信息。
服务器：服务器是一些大的端系统，是一台非常昂贵的大型计算机。现在大部分服务器都不再是一个孤立的服务器，而是属于某个大型数据中心。
两台计算机的通信：两台计算机的通信实际上是指一台主机的某个进程与另一台主机的某个进程进行通信。
网络边缘端系统之间的通信方式分类：可以划分为“客户-服务器方式”（C/S方式）和对等方式（P2P方式）。
3.1.1.客户-服务器方式
地位：互联网上最常用，也是最传统的方式。我们在上网发送电子邮件或者在网站上查找资料时，都是使用这种方式。
基本内容：
- 客户和服务器都是指通信中所涉及到的两个应用进程，客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
- 客户是服务请求方，服务器是服务提供方。服务的请求方和提供方都需要网络核心部分所提供的服务。
- 客户程序的特点：
- 被用户调用后运行，在通信时主动向远程服务器发起通信（请求服务）。因此客户程序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。
- 服务器程序的特点：
- 是一种专门用来提供某种服务的程序，可以同时处理多个远地或本地用户的请求；
- 系统启动后不断运行等待，被动地接受来自各地的客户的通信请求，而不需要知道客户程序的地址。
- 一般需要强大的硬件和很复杂的操作系统。
- 客户机和服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务机都可以发送和接受数据。
3.1.2.对等连接方式（P2P方式）
定义：两台主机进行通信时，并不区分哪一个是服务请求方以及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，它们就可以进行平等连接通信。双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。
与客户-服务器方式的关系：对等连接方式可以视为每一台主机既是客户又是服务器的客户-服务器方式。
3.2.互联网的核心部分
核心部分的地位：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中的大量主机提供连通性，使得边缘部分的任何一台主机都可以与其他主机通信。
核心部分的关键构件：路由器是互联网核心部分实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组。
3.2.1.电路交换
交换的概念：交换就是按照某一种方式动态地分配传输线路的资源。
电路交换：
- 定义：必须经过
建立连接（占用通信资源）→通信（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被称为电路交换。 - 特点：在通信的全部时间内，通信的两个用户始终占用端到端的通信资源。
- 不适合传输计算机数据的原因：计算机的数据是突发式地出现在传输线路上的，因此线路上真正用于传送数据的时间占比非常低，造成严重的资源浪费。
3.2.2.分组交换
分组交换的技术：存储转发技术。
分组交换的相关概念：
- 报文：需要进行发送的一整块数据。
- 分组（包）：把较长的报文划分为一个个较小的等长数据段，并在每一个数据段的前面加上一些必要的控制信息组成的首部，这就构成了一个分组，也被称为包。
- 包头（首部）：分组的首部也被称为包头。首部中包含了诸如目的地址和源地址之类的重要控制信息。
主机和路由器的区别：
- 主机：为用户进行信息处理，并且可以与其他主机通过网络交换信息。
- 路由器：
- 用来进行转发分组，也就是进行分组交换。
- 路由器收到一个包后，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，把包交给下一个路由器。这一一步步以存储转发的形式，把分组交付给目的主机。
- 各台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的转发表，使得转发表能够在整个网络拓扑结构发生变化时及时更新。
链路的概念：
- 链路的定义：当我们讨论互联网核心部分中的路由器转发分组的过程时，往往把单个的网络简化为一条链路，而路由器成为核心部分的节点。
- 链路的占用情况：只有在链路中正在进行分组传输时链路才会被占用；另外，在各个分组传输之间的空闲时间，链路仍然可以为其他主机发送的分组使用。
- 链路的选择：当某一个分组传送过程中，一条链路的通信量太大，则路由器可以把分组沿着另一条路由进行传送，从而保证效率。
- 故障情况：当网络中某些节点或链路突然出故障时，在各个路由器中运行的路由选择协议可以自动找到转发分组最合适的路径。
- 不同类型的链路：互联网核心部分的路由器之间一般通过高速链路相连接，而互联网边缘部分的主机接入到核心部分则通常以相对速率较低的链路相连接。
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，不先建立连接就可以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，使得网络有很好的生存性。
分组交换带来的新问题：
- 时延问题：分组在各个路由器存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延；
- 首部开销问题：每个分组必须携带控制信息，这就造成了额外的开销。
报文交换：报文交换是另一种交换方式，是指整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来以后再查找转发表并转发到下一个节点。
不同交换方式的比较：
- 如果需要传送大量数据，并且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以提高整个网络的信道利用率。
4.计算机网络在我国的发展
5.计算机网络的类别
5.1.计算机网络的定义
计算机网络的定义：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来实现某一个特定目的。这些可编程的硬件能够用于传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的日益增长的应用。
5.2.几种不同类别的计算机网络
按照网络的作用范围进行分类：
- 广域网WAN：
- 广域网的范围通常是几十到几千公里，因此也被称为远程网；
- 广域网是互联网的核心部分，其任务是长距离运送主机发送的数据；
- 连接广域网各个节点交换机的链路一般是高速链路，具有较大的通信容量。
- 城域网MAN：
- 城域网的作用范围一般是一个城市，有时可以跨越几个街区或者整个城市，其作用距离约为5-50千米。
- 城域网可以为一个或多个单位1所拥有，也可以是一种公用设施，用来将多个局域网互连；
- 目前很多城域网都采用的以太网技术。
- 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，但是地理上局限于一个较小的范围（如1km左右）。
- 现在学校或企业大多用你有多个互连的局域网（这样的网络常被称为校园网或企业网）。
- 个人区域网PAN：
- 个人区域网就是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，因此也被称为无线个人区域网。
按照网络的使用者进行分类：
- 公用网：电信公司出资建造的大型网络，所有愿意缴纳费用的人都可以使用这种网络。
- 专用网：某个部门为了满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。
接入网AN：
- 接入网又被称为本地接入网或居民接入网，是一种较为特殊的计算机网络；
- 接入网实际就是本地ISP拥有的网络，既不是互联网的核心部分，也不是边缘部分；
- 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组成；
- 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。
6.计算机网络的性能
计算机网络的性能可以通过几个性能指标以及非性能指标进行描述。
6.1.计算机网络的性能指标
速率：
- 定义：速率是指数据的传送速率，也被称为数据率或比特率；
- 单位：速率的单位是bit/s（比特每秒）；当数据率较高时，就常常在bit/s之前加一个字母，例如k、M、G、T等。
- 注意事项：当提到网络速率时往往指的是额定速率或标称速率，而非网络的实际运行速率。
带宽：带宽具有两种不同的含义。
- 带宽的本意：
- 指的是某个信号具有的频带宽度；这种意义下带宽的单位是赫兹。
- 表示某信道允许通过的信号频带范围就称为该信道的带宽（或通频带）。
- 计算机网络中的带宽：
- 带宽用于表示网络中某信道传送数据的能力，因此网络带宽表示单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。
- 这种意义的带宽的单位就是数据率的单位，也就是比特每秒。 可以认为带宽实际上就是最大的网络传输速率。
备注：额定速率是对设备的限制，而带宽是对接入的网络线路的限制。
吞吐量：
- 定义：吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的实际数据量，其更经常地用于现实世界中的网络测量。
- 宽带的实际概念：我们缴纳的宽带费用只保证了从家里到运营商ISP的某个路由器之间的数据传输速率，再往后的速率就取决于整个互联网的流量分布了。
时延：时延是指数据从网络的一端传送到另一端所需要的时间，有时也被称为延迟或迟延。时延由发送时延、传播时延、处理时延和排队时延四部分构成。
- 发送时延：
- 定义：发送时延是指主机或路由器发送数据帧所需要的时间。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成所需要的时间。发送时延也被称为传输时延。
- 计算公式：发送时延=数据帧长度/发送速率。由此可知帧越长，以及发送速率越低，发送时延越长。
- 注意事项：发送时延与传输信道的长度没有任何关系。
- 传播时延：
- 定义：传播时延是指电磁波在信道中传播一定距离所需要花费的时间。
- 传播时延的计算公式：传播时延=信道长度/电磁波在信道上的传播速率。
- 注意事项：传播时延与信号的发送速率无关。
- 处理时延：主机在收到分组时要花费一定的时间进行处理，这就产生了处理时延。
- 排队时延：
- 定义：分组在经过网络传输时需要经过很多路由器，在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。
- 排队时延的长短：往往取决于网络当时的通信量，当网络通信量很大时发生队列溢出使得分组丢失，这就相当于排队时延无穷大。
备注：
①一般来说，小时延的网络优于大时延的网络。在某些情况下，一个低速率，小时延的网络很可能优于一个高速率但大时延的网络。
②在总时延中，是哪一种时延占据主导地位需要具体情况具体分析。
③高速网络链路：高速网络链路仅仅是提高了数据的发送速率而非数据在链路上的传播速率。
传播时延带宽积：
- 定义：传播时延带宽积就是传播时延和带宽的乘积。
- 链路的充分利用：对于一条正在传送数据的链路，只有在代表链路的管道都充满比特时，链路才能得到最充分的利用。
往返时间RTT：
- 定义：往返时间是指发送方发送数据后，至少要经过多少时间才能知道自己所发送的数据被对方接收了（也就是得到了接收方的回应）。
- 往返时间的包含内容：往返时间包含了各个中间节点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延，但是不包括发送方的发送时延。
利用率：
- 利用率分类：利用率可以分为信道利用率和网络利用率两种。
- 信道利用率：信道利用率指出某个信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道利用率为零。
- 网络利用率： 网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均值。
- 利用率的高低：信道利用率并非越高越好，因为利用率增大时在该信道引起的时延也会迅速增加。信道利用率或网络利用率过高就会产生非常大的时延。
6.2.计算机网络的非性能特征
- 费用：一般来说网络的速率越高，其价格也就越高。
- 质量：一般来说高质量的网络价格也会比较高。
- 标准化：网络的硬件和软件设计最好采用国际标准的设计，这样可以获得更好的互操作性，更容易升级换代和维修，也更容易得到技术上的支持。
- 可靠性：高速网络要可靠地运行，往往更加困难，并且需要更高的费用。
- 可扩展性和可升级性：网络的性能越好，其扩展费用往往越高，难度也会相应增加。
- 易于管理和维护。
7.计算机网络体系结构
计算机网络体系结构的重要性：相互通信的两台计算机必须高度协调工作，而这个协调工作是相当复杂的。计算机网络体系结构中分层的思想，把这个复杂的问题尽可能地简单化。
7.1.计算机网络体系结构的形成
开放系统互连基本参考模型OSI/RM：
- 由国际标准化组织ISO提出，试图让全球计算机网络遵循这个统一标准。
- 只获得了一些理论研究的成果，但是在市场化方面则事与愿违地失败了。
- 现今的互联网并未使用OSI标准，TCP/IP协议成了得到最广泛应用的事实上的国际标准。
7.2.协议与划分层次
协议的定义：协议的全称是网络协议，是指为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。协议规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。
协议的三要素：
- 语法：数据与控制信息的结构或格式；
- 语义：需要发出哪一种控制信息，完成什么动作以及作出什么响应；
- 同步：事件实现顺序的详细说明；
协议的两种形式：一种是便于人来阅读和理解的文字描述，另一种是使用能够让计算机理解的程序代码。
计算机网络体系结构的概念：
- 层次式的计算机网络体系结构：对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应该式层次式的，这样可以带来诸多好处。
- 计算机网络体系结构的定义：计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构。换种说法，计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所应该完成功能的精确定义。
- 体系结构和实现：体系结构是抽象的，而实现是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。
7.3.具有五层协议的体系结构
三种不同的计算机网络体系结构：
- OSI体系结构：OSI定义了一种七层协议体系结构，其概念清楚，理论完整，但是复杂且不实用。
- TCP/IP体系结构：TCP/IP是一个四层体系结构，包含了应用层、运输层、网际层和链路层（网络接口层）。
- 网际层：网际层强调本层解决不同网络的互连问题。
- 链路层：从本质上说，TCP/IP只有最上面的三层，因为最下面的链路层并没有属于TCP/IP体系的具体协议。
- 教学所用的五层体系结构： 综合了OSI和TCP/IP的优点。
应用层：
- 地位：体系结构中的最高层；
- 任务：通过应用进程之间的交互来完成特定的网络应用；
- 应用层协议：定义的是应用进程间通信和交互的规则；常见的应用层协议包括域名系统DNS、支持万维网报文的HTTP协议、支持电子邮件的SMTP协议等。
- 报文：应用层交互的数据单元被称为报文。
运输层：
- 任务：负责向两台主机进程之间的通信提供通用的数据传输服务。这里的通用的是指并不针对某个特定的网络应用，而是多种应用可以使用同一个运输层服务。
- 复用和分用功能：复用就是多个应用进程可以同时使用下面运输层的服务，分用是指运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。
- 运输层的两种主要协议：
- 传输控制协议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。
- 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。
网络层：
- 概要任务：负责为分组交换网上不同的主机提供通信服务。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。
- IP数据报：在TCP/IP协议中，由于网络层使用的时IP协议，因此分组也被称为IP数据报，或者简称为数据报。
- 网络层的具体任务：
- 通过一定的算法，在互联网中每一个路由器上生成一个用来转发分组的转发表；
- 每一个路由器在接收到一个分组时，依据转发表中的路径把分组转发到下一个路由器。
- 网络层的别称：网际层或IP层。
数据链路层：
- 任务：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，在两个相邻节点之间的链路上传送帧。
- 帧的内容：每一帧都包含数据和必要的控制信息。这样，在接收数据时，控制信息使得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，从而提取出数据部分上交给网络层。
- 差错检测和纠错：如果发现帧中存在差错，就需要简单地丢弃这个出错的帧以免继续在网络中传送下去浪费网络资源。有时还需要通过可靠传输协议来进行纠错。
物理层：
- 数据单位：物理层上传送的数据单位是比特。
- 任务：物理层需要考虑用多大的电压表示0和1，以及确定连接电缆的插头应该有多少根引脚以及各个引脚如何连接。
- 注意事项：
- 解释比特代表的意思并非物理层的任务。
- 传递信息所用的物理传输媒体并不在物理层协议之内，而是在物理层协议的下面。
两台计算机的通信过程类比：有一封信从最高层向下传，每经过一层就包上一个新的信封并写上必要的地址信息；包有多个信封的信件到达目的站之后，从第一层开始每层拆开一个信封后就把信封中的信交给它的上一层，传到最高层后，取出发件人所发的信交给收信人。
7.4.实体、协议、服务和服务访问点
实体的概念：
- 在研究开放系统中的信息交换时，往往使用实体这个较为抽象的名词表示任何可以发送或接收信息的硬件或软件进程。
- 多数情况下，实体是一个特定的软件模块。
协议的概念：
- 协议时控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
- 协议的语法规定了所交换的信息的格式，而协议的语义方面的规则定义了发送者或接收者所要完成的操作。
- 协议是水平的，也就是说协议控制对等实体之间通信的规则。
服务的概念：
- 在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层可以向上一层提供服务。要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。也就是说，下面的协议对上面的实体是透明的。
- 服务是垂直的，也就是服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
- 服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令在OSI中被称为服务原语。
- 服务访问点SAP：同一系统中相邻两层实体进行信息交换的地方通常被称为服务访问点、
协议的重要特点：协议必须把所有不利的条件事先估计到，而不能假定一切都是非常正常和理想的。也就是，看一个计算机网络协议是否正确，不能只看正常情况下是否正确，还必须非常仔细地检查协议是否能够应付任何一种出现概率极小的情况。