计算机网络 —— 概论

一、基本概念

互联网：或因特网(Internet)，是当今世界上最大的计算机网络。是由数量极大的各种计算机网络互连起来的。
计算机网络：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、交换机或路由器等。
通过路由器将网络互连起来，就构成了一个覆盖范围更大的计算机网络(internet而非Internet 网络的网络)。
主机(host)：或端系统(end system)，与网络相连的计算机。
实体(entity)：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

二、发展阶段

从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程：1983，TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。1983年为互联网的诞生时间。1990年 ARPANET 正式关闭。
建成了三级结构的互联网：主干网，地区网和校园网(或企业网)。
逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网：出现了互联网服务提供者 ISP(Internet Service Provider)，如中国电信联通移动。任何机构和个人只要向某个 ISP 交纳规定的费用，就可从该 ISP 获取所需 IP 地址的使用权，并可通过该 ISP 接入到互联网。根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP 也分成为不同层次的 ISP：主干 ISP、地区 ISP 和本地 ISP。

三、组成

边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。由用户直接使用。
核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务。

端系统之间的通信

端系统之间的通信实际上是运行在主机A上的某个程序与运行在主机B上的某个程序进行通信。
通信方式:

客户-服务器(Client/Server)：客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
对等连接(peer-to-peer P2P)：不区分服务请求方和服务提供方。双方都可以下载对方已存储在硬盘中的共享文档。本质上仍是C/S方式，每一个主机既是客户又是服务器。

核心部分

路由器(router)：是一种专用计算机，是在网络核心实现分组交换(packet switching)的关键构件，任务是转发收到的分组。
路由器处理分组的过程：

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。

典型的交换技术：

电路交换：电话交换机的交换方式。面向连接。在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。适合连续传送大量数据，且传送时间远大于连接建立时间。
分组交换：网络核心采用分组交换。分组交换采用存储转发技术。
- 在发送端，先把较长的报文(message)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(header)构成分组(packet)。
- 分组交换网以分组作为数据传输单元。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。最终发送到接收端。
- 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。
优点：动态分配传输带宽，为每个分组独立选择转发路由，不建立连接，保证可靠性的网络协议。不需预先分配传输带宽，适合传送突发数据。

四、网络分类

按作用范围分类：广域网(WAN 几十到几千公里)，城域网(MAN 5-50公里)，局域网(LAN 1公里左右)，个人区域网(PAN 10米左右)。
按使用者分类：公用网和专用网。
用来把用户接入到互联网的网络：接入网(Access Network)，用于将用户接入互联网。是从某端系统到互联网中第一个路由器(边缘路由器)之间的一种网络，不属于核心部分，也不属于边缘部分。

五、性能指标

速率：或数据率，比特率，代表数据的传送速率，单位 bit/s(bps)。k = 10^3
带宽：某通道传送数据的能力，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 bit/s。
吞吐量：单位时间内通过某个网络的实际的数据量。
时延：
- 发送时延：数据帧长度(bit) / 发送速率(bit/s)
- 传播时延：信道长度(m) / 电磁波在信道上的传播速率(m/s) 高速网络链路减小传播时延
- 处理时延
- 排队时延
时延带宽积：传播时延 * 带宽
往返时间(RTT)：从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认的总时间。
利用率：$ D = D_0 / (1 - U) D为时延 D_0为网络空闲时延 U为利用率$

六、计算机网络体系结构

网络协议(network protocol)，简称协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

分层的优缺点：

各层独立
灵活性好
结构可分割
易于实现和维护
能促进标准化工作
有些功能重复出现，产生额外开销

应用层(application layer)
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。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。如域名系统DNS，支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议等等。我们把应用层交互的数据单元称为报文(message)。
运输层(transport layer)
运输层的任务就是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。由于一台主机可同时运行多个进程，因此运输层有复用和分用的功能。主要使用 TCP 和 UDP 两种协议。
网络层(network layer)
网络层负责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。另一个任务就是要选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组，能够通过网络中的路由器找到目的主机。
数据链路层(data link layer)
简称为链路层。链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻结点间的链路上传送帧(frame)。每一帧包括数据和必要的控制信息(如同步信息、地址信息、差错控制等)。
物理层(physical layer)
在物理层上所传数据的单位是比特。

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。
而要实现本层协议，需要使用下层所提供的服务。
本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。即下面的协议对上面的服务用户是透明的。

协议是水平的，即协议是控制对等实体之间通信的规则。
服务是垂直的，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
上层使用服务原语获得下层所提供的服务。

PDU：协议数据单元，对等层次之间传送的数据单位。
SAP：服务访问点，同一系统相邻两层的实体进行交互的地方。
SDU：服务数据单元，层与层之间交换数据的单位。

中间设备：

层次	中间设备
物理层	转发器(repeater)
数据链路层	网桥(bridge)
网络层	路由器(router)
运输层/应用层	网管(gateway)

参考资料：《计算机网络》谢希仁著