一、绪论
计算机网络的概念
计算机网络：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
计算机网络是互连的、自治的计算机集合。互连，通过通信链路互联互通。自治，无主从关系。
计算机网络的功能
| 功能 | |
|---|
| 数据通信 | |
| 资源共享 | 同一个计算机网络上的其他计算机可使用某台计算机的计算机资源的行为，可共享硬件、软件、数据。 |
| 分布式处理 | 多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分。提高可靠性、负载均衡。 |
计算机网络的组成
| 1.组成部分 | 2.工作方式 | 3.功能组成 |
|---|
| 硬件、软件、协议 (一系列规则和约定的集合)。 | 边缘部分：（1）C/S方式、B/S方式。(2) 对等网络（Peer-to-Peer，P2P）。 核心部分：为边缘部分服务。 | 通信子网实现数据通信（下三层）。资源子网实现资源共享/数据处理（上三层）。 |
计算机网络的类别
| 按分布范围 | |
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| 广域网（Wide Area Network，WAN） | 因特网，交换技术。 |
| 城域网（Metropolitan Area Network，MAN） | |
| 局域网（Local Area Network，LAN） | 广播技术。 |
| 个人区域网（Personal Area Network，PAN） | |
| 按数据交换技术 | |
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| 电路交换 | 它是通过在发送数据之前在源节点和目标节点之间建立一条独占的物理连接来进行数据传输，这条连接会一直保持直到传输结束，中途不会有其他节点利用该连接进行通讯。换句话说，电路交换在通讯双方之间建立了一条点对点的通讯路径，并在此路径上传输数据。 |
| 报文交换 | 存储转发 |
| 分组交换 | 存储转发 |
| 按拓扑结构 | 概念 | 应用范围 |
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| 总线型 | | 广播式网络 |
| 星型 | 所有的设备都连接到一个中心节点，通常是一个集线器或交换机。这个中心节点充当数据传输的聚集点，所有的通信都通过中心节点进行。单点故障。 | |
| 环型 | 其中每个设备都与相邻设备相连，形成一个闭合的环路。每个设备都充当数据传输的中继点，通过将数据包从一个设备传递到下一个设备，实现数据的传输。单点故障。 | |
| 网状型 | 各节点通过传输线互联连接起来，并且每一个节点至少与其他两个节点相连。 | 常用于广域网。 |
| 树型 | 采用了层级结构，类似于自然界中的树状结构。树型网络拓扑由一个根节点和多个子节点构成，每个子节点可以进一步连接其他子节点，以形成更深层次的结构。数据传输的路径是从上到下的单向流动。单点故障。 | 应用于中小型局域网和广域网，特别适合组织结构较为层次化的环境，如企业、学校和政府机构等。它可以提供有效的数据传输路径，并支持灵活的网络扩展和管理。然而，在大规模网络中，树型拓扑可能不是最佳选择，因为它可能会带来较长的延迟和较高的复杂性。 |
| 混合型拓扑结构 | 由两种以上简单拓扑结构混合连接而成的网络。 | |
| 逻辑拓扑结构 | 物理拓扑结构 | 区别 | 联系 |
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| 逻辑拓扑结构指的是网络中各个节点之间的连接方式，以及数据在网络中的流动方式。它关注的是数据传输的逻辑路径和规则。 | 物理拓扑结构指的是网络中各个节点的实际物理连接方式，即实际的布线、接口和设备之间的物理连接。它关注的是网络设备的物理连接方式和位置关系。 | 1.视角不同：逻辑拓扑结构从数据传输和流动的角度考虑，而物理拓扑结构从物理连接和设备布局的角度考虑。 | 1.逻辑拓扑结构和物理拓扑结构之间存在一定的关联，因为物理连接方式影响了数据的传输规则和路径选择。 |
| | 2.焦点不同：逻辑拓扑结构注重数据的传输路径和规则，而物理拓扑结构注重网络设备之间的实际物理连接方式。 | 2.在设计和部署网络时，需要考虑逻辑拓扑结构和物理拓扑结构的匹配，以达到网络性能和可靠性的要求。 |
| | 3.可能存在差异：在某些情况下，逻辑拓扑结构和物理拓扑结构可能不完全一致，即逻辑上的连接方式与物理上的连接方式可能存在差异。 | |
| 按传输技术 | |
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| 广播式网络 | 共享公共通信信道，使用总线型拓扑结构。 |
| 点对点网络 | 使用分组存储转发和路由选择机制。 |
计算机网络的发展
网络把许多计算机连接在一起，互联网则把许多网络连接在一起，因特网是世界上最大的互联网。
因特网（Internet）。
互联网(interconnected network)。
计算机网络性能
| 速率 |
|---|
| 速率即数据率或称数据传输率或比特率。连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率。 |
| 比特 ：1/0位。一秒发送端发送10比特数据到接收端：10b/s。 |
| 单位是b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s。 千1kb/s=10^3 b/s 兆1Mb/s=10^3 kb/s 吉1Gb/s=10^3 Mb/s 太1Tb/s=10^3 Gb/s 比特每秒（Bits Per Second，bps）：kbps、Mbps。 |
| 存储容量：1KB=2^10B=1024B=1024*8b 1 MB=2^10 KB=1024 KB 1 GB=2^10 MB=1024 MB 1 TB=2^10 GB=1024 GB |
| 带宽 |
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| (1)“带宽”原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(HZ)。（2)计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指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”。 |
| 网络设备所支持的最高速度：交换机端口100M。 |
| 发送端入口最高的数据率。 |
| 单位是“比特每秒”，b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。 |
| s、ms 、（微秒）us |
| 吞吐量 |
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| 表示在单位时间内通过某个网络 (或信道、接口)的数据量。 |
| 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。 |
| 单位b/s，kb/s，Mb/s等。 |
| 例：信道速率相加，吞吐量 = 20Mb/s+10Mb/s |
| 速率、带宽、吞吐量之间的关系 |
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| 带宽说的是最高数据率，理想状态。速率是指平均的速率。 |
| 时延 |
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| 指数据(报文/分组/比特流)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位是s。 |
| 发送时延(传输时延） |
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| 从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。 |
| 只是传到信道上，接收端还没有接受。 |
| 发送时延 = 数据长度 / 信道带宽(发送速率) |
| 传播时延 |
|---|
| 取决于电磁波传播速度和链路长度。 |
| 电磁波传播速率为 2 x10^8 m/s，电磁波1us可向前传播200m。 |
| 传播时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率 |
| 排队时延 |
|---|
| 排队时延是指数据在经过网络传输时，需要在路由器或其他网络设备中排队等待处理的时间。当一个网络中有大量数据需要传输时，这些数据需要经过多个路由器或其他网络设备，而这些设备处理数据的速度有限，因此数据需要在队列中等待处理。排队时延的长短取决于网络当时的通信量，当网络的通信量很大时，排队时延可能会增加，甚至发生队列溢出，导致数据丢失。因此，减小排队时延对于提高网络的稳定性和可靠性具有重要意义。 |
| 等待输出/输入链路可用。 |
| 处理时延 |
|---|
| 指网络设备（如路由器、交换机等）在接收到数据后需要进行处理所花费的时间。这种时延包括对数据的解析、检查、查找路由等操作所需要的时间。由于网络设备处理数据的速度有限，因此当网络中有大量数据需要处理时，处理时延可能会增加。为了减小处理时延，可以采用更快的硬件设备、优化数据处理算法等方式。 |
| 检错、找出口。 |
| 时延带宽积 |
|---|
| 时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度，即“某段链路现在有多少比特”。 |
| 时延带宽积 = 传播时延 X 带宽 |
| 往返时延(Round-Trip Time，RTT) |
|---|
| 从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认(接收方收到数据后立即发送确认)，总共经历的时延。 |
| RTT越大，那么在在收到确认之前，发送方有更多的时间来发送更多的数据。 |
| RTT包括:（1）往返传播时延=传播时延 x 2（2）末端处理时间 |
| 信道利用率 |
|---|
| 信道利用率 = 有数据通过时间 / (有+无)数据通过时间 |
| 网络利用率 |
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| 指网络中数据传输的繁忙程度，是全网络的信道利用率的加权平均值。 |
| 例如，假设一个网络中有两个信道，信道A的权重为0.6，利用率是80%；信道B的权重为0.4，利用率是50%。 网络信道利用率 = 0.6 X 80% + 0.4 X 50% = 0.48 + 0.2 = 68% |
| 网络利用率并非越高越好，过高的利用率会导致数据传输的时延增加，甚至发生数据丢失的情况。因此，一些拥有较大主干网的ISP通常会控制信道利用率不超过50%，以减小时延和保证网络的稳定性和可靠性。同时，网络设备的处理能力和网络带宽也会影响网络利用率，采用更快的硬件设备、优化数据处理算法等方式可以减小处理时延和增加网络带宽，从而降低网络利用率。 |
计算机网络体系结构
1.体系结构的发展
| 为什么要分层？ |
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| 解决网络通信过程中遇到的一系列问题。 |
| 大问题拆分成小问题。 |
| 怎么分层？ |
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| 分层的基本原则 |
| 1.各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能。 |
| 2.每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。 |
| 3.结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现。 |
| 4.保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。 |
| 5.整个分层结构应该能促进标准化工作。 |
| 分层结构 | |
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| 1.实体：第n层中的活动元素称为n层实体。同一层的实体叫对等实体。 | 对等实体之间有协议。 |
| 2.协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。【水平】 | |
| 3.接口(访问服务点SAP): 上层使用下层服务的入口。 | 上下两层之间接口。 |
| 4.服务：下层为相邻上层提供的功能调用。【垂直】 | 下层为上层提供服务。 |
| 服务数据单元（SDU）：为完成用户所要求的功能而应传送的数据。 | |
| 协议控制信息（protocol control information，PCI）：控制协议操作的信息。 | |
| 协议数据单元（PDU）：对等层次之间传送的数据单位。PCI＋ＳＤＵ | |
| 协议 |
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| 语法：规定传输数据的格式 |
| 语义：规定所要完成的功能 |
| 同步：规定各种操作的顺序 |
| 计算机网络体系结构 |
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| 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。 |
| 计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构。 |
| 每层遵循某个/某些网络协议以完成本层功能。 |
| 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合。 |
| 第n层在向n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能。 |
| 仅仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。 |
| 体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件。 |
2. OSI参考模型（法定标准）
国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）
开放系统互联（Open Systems Interconnection，OSI）
| 层次 | 名称 | 概念 | 功能 | 协议 |
|---|
| 7 | 应用层 | 所有能和用户交互产生网络流量的程序。 | | 文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、HTTP |
| 6 | 表示层 | 用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式(语法和语义)。 | 1.数据格式变换：将传输的数据从发送方的格式转换为接收方的格式。 2.数据加密/解密：对数据进行加密以确保数据的安全，对数据进行解密以确保正确解释数据。 3.数据压缩和恢复：将数据压缩以减少数据传输的带宽，将接收到的压缩数据解压缩以正确解析数据。 4.数据签名和鉴别：对数据进行数字签名，以确保数据的发件人和接收人都可以进行身份鉴别，以确保数据未被篡改。 | JPEG、ASCIl |
| 5 | 会话层（Session Layer） | 向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据。 会话，也是建立同步 (synchronization，SYN)。 | 功能一：建立、管理、终止会话； 功能二：使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信，实现数据同步。 | ADSP、ASP |
| 4 | 传输层 | 负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报。 点到点：下三层。 | 功能一：可靠传输、不可靠传输。可靠传输，确认机制。 功能二：差错控制。 功能三：流量控制。 功能四：复用分用。复用，多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务。分用，运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程。 | TCP、UDP |
| 3 | 网络层 | 主要任务是把分组从源端传到目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务。网络层传输单位是数据报。 | 功能一：路由选择，最佳路径。 功能二：流量控制； 功能三：差错控制； 功能四：拥塞控制。若所有节点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施缓解这种拥塞。 | IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF |
| 2 | 数据链路层 | 主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧。数据链路层/链路层的传输单位是帧。 | 功能一：成帧(定义帧的开始和结束)； 功能二：差错控制，帧错+位错； 功能三：流量控制； 功能四：访问(接入)控制，控制对信道的访问。 | SDLC、HDLC、PPP、STP |
| 1 | 物理层 | 主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。物理层传输单位是比特。 透明传输：指不管所传数据是什么样的比特组合,都应当能够在链路上传送。 | 功能一：定义接口特性。 功能二：定义传输模式，单工、半双工、双工。 功能三：定义传输速率。 功能四：比特同步(bit synchronization)，时钟，实现比特同步的方法有外同步法和自同步法。 功能五：比特编码。 | Rj45、802.3 |
3. TCP/ I P参考模型（事实标准）
先有TCP／IP协议栈，再有TCP/IP参考模型。
| TCP／ＩＰ与OSI参考模型比较 | |
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| 相同点 | 1.都分层。 2.基于独立的协议栈的概念。 3.可以实现异构网络互联。 |
| 不同点 | 1.0SI定义三点：服务、协议、接口。 2.0SI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议。 3.TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联问题，将IP作为重要层次。 4.面向连接或无连接。 |
面向连接分为三个阶段，第一是建立连接，在此阶段，发出一个建立连接的请求。只有在连接成功建立之后，才能开始数据传输，这是第二阶段接着，当数据传输完毕，必须释放连接。而面向无连接没有这么多阶段，它直接进行数据传输。
| ＯＳＩ参考模型 | TCP/IP模型 |
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| 网络层 | 无连接+面向连接 | 无连接 |
| 传输层 | 面向连接 | 无连接+面向连接 |
4.五层体系结构
综合了OSI和TCP/IP的优点。
标准化工作
| 标准分类 | |
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| 法定标准 | 由权威机构制定的正式的、合法的标准。 OS I |
| 事实标准 | 某些公司的产品在竞争中占据了主流时间长了，这些产品中的协议和技术就成了标准。TCP/I P |
| RFC( Request For Comments )因特网标准的形式 |
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| RFC要上升为因特网正式标准的四个阶段 |
| 1)因特网草案(Internet Draft) 这个阶段还不是RFC文档。 |
| 2)建议标准(Proposed standard) 从这个阶段开始成为RFC文档。 |
| 3)草案标准(Draft Standard)。 |
| 4)因特网标准(lnter net Standard) |
| 标准化工作相关组织 | |
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| 国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO） | OSI参考模型、HDLC协议 |
| 国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU） | 制定通信规则 |
| 电气电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE） | 学术机构、IEEE802系列标准、5G |
| Internet工程任务组 （The Internet Engineering Task Force，IETF） | 负责因特网相关标准的制定 RFC XXXX |
