計算機網路：第一章 概述
重點：
- 網際網路邊緣部分和核心部分的作用，其中包含分組交換的概念
- 計算機網路的效能指標
- 計算機網路分層次的體系結構，包含協議和服務的概念
1.1 計算機網路在資訊時代的作用
有三類大家都非常熟悉的網路，即電信網路、有線電視網路和計算機網路。
網際網路的兩個基本特點：連通性（資料通訊）和共享（資源共享）
1.2 網際網路概述
1.2.1 網路的網路
- 網路(network)：由若干結點(node) 和連線這些結點的鏈路(link)組成。 結點可以是計算機、路由器、交換機、智慧手機等。
- 互連網（internet）：“網路的網路”，網路之間通過路由器互連。
- 網際網路（Internet）：起源於美國，把許多網路連線在一起，現已發展成為世界上最大的、開放的國際性計算機網際網路。它採用 TCP/IP 協議族作為通訊的規則，其前身是美國的 ARPANET。
網路把許多計算機連線在一起，而網際網路則把許多網路通過路由器連線在一起。與網路連線的計算機常稱為主機。網際網路是全球最大的特定互連網。
1.2.2
網際網路發展的三個階段：
- 第一階段是從單個網路ARPANET向網際網路發展的過程。
- 第二階段的特點是組成了三級結構的網際網路。它是一個三級計算機網路，分為主幹網、地區網和校園網。
- 第三階段的特點是逐漸形成了多層次ISP結構的網際網路。網際網路服務提供者ISP。在許多情況下，ISP就是一個進行商業活動的公司，因此ISP又常常譯為網際網路服務提供商ISP。
根據提供服務的覆蓋面積大小以及所擁有的IP地址數目不同，ISP也可以分為不同的層次的ISP：主幹ISP、地區ISP和本地ISP。
1.2.3 網際網路的標準化工作
全球資訊網WWW（World Wide Web）由歐洲原子核研究組織CERN開發，被廣泛使用在網際網路上（莫名有種不務正業的感覺。
制定網際網路的正式標準要經過三個階段：
- 網際網路草案（還不能算是RFC文件）
- 建議標準（成為RFC文件）
- 網際網路標準（達到正式標準）
1.3 網際網路的組成
網際網路的拓撲結構雖然非常複雜，但從其工作方式上看，可以分為邊緣部分（資源子網）和核心部分（通訊子網）。
- 邊緣部分：由所有連線在網際網路上的主機組成。這部分是使用者直接使用的，用來進行通訊（傳送資料、音訊或視訊）和資源共享
- 核心部分：由大量網路和連線這些網路的路由器組成。這部分是為邊緣部分提供服務的（提供連通性和交換）
1.3.1 網際網路的邊緣部分
計算機之間的通訊：主機A的某個程序和主機B上的另一個程序進行通訊
計算機的通訊方式通常可以劃分為兩大類：客戶-伺服器方式（C/S方式）和對等方式（P2P方式）
1. 客戶端-伺服器方式
這種方式在網際網路上是最常用的，也是傳統的方式：就像我們平時上網發郵件或者找資料的時候。客戶和伺服器的通訊關係建立後，通訊可以是雙向的，客戶和伺服器都可傳送和接收資料。這裡說的客戶和伺服器都是指計算機程序
客戶是服務的請求方，伺服器是服務提供方
客戶程式:
- 被使用者呼叫後執行，在通訊時主動向遠地伺服器發起通訊（請求服務）。因此，客戶程式必須知道伺服器程式的地址
- 不需要特殊的硬體和很複雜的作業系統
伺服器程式：
- 是一種專門用來提供某種服務的程式，可同時處理多個遠地或本地客戶的請求
- 系統啟動後即自動呼叫並一直不斷地執行著，被動地等待並接受來自各地的客戶的通訊請求，因此，伺服器並不需要知道客戶程式的地址
- 一般需要有強大的硬體和高階作業系統支援
2. 對等連線方式
對等連線是指兩臺主機在通訊時並不區分哪一個是服務請求方哪一個是服務提供方。只要兩臺主機都運行了對等連線軟體（P2P軟體），他們就可以進行平等的、對等連線通訊。從對等連線的本質上看，它仍然是使用客戶-伺服器方式，只是對等連線中的每一臺主機既是客戶又同時是伺服器。
1.3.2 網際網路的核心部分
- 網路核心部分是網際網路中最複雜的部分
- 網路中的核心部分要向網路邊緣中的大量主機提供連通性，使邊緣部分中的任何一臺主機都能夠向其他主機通訊
- 網路核心部分起特殊作用的是路由器（router）
- 路由器是實現分組交換（packet switching）的關鍵構件，其任務轉發收到的分組，這是網路核心部分最重要的內容
1.電路交換的主要特點
- 電路交換必定是面向連線的
- 電路交換的三個階段
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- 建立連線（佔用通道資源）
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- 通話（一直佔用通訊資源）
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- 釋放資源（歸還通訊資源）
- 在通話時，兩使用者間佔用端到端的資源
若使用電路交換來傳送計算機資料時，由於計算機資料具有突發性，所以其線路的傳輸效率往往很低，除此之外還會浪費通道資源
2. 分組交換的主要特點
- 分組交換採用儲存轉發技術，也就是：收到分組->儲存分組->查詢路由表（路由選擇協議）->轉發分組
- 在傳送端，先把較長的報文（要傳送的整塊資料）劃分成較短的、固定長度的資料段
- 每一個數據段前加上首部（由必要的控制資訊組成，也可稱為“包頭”）構成分組（又稱為“包”）
- 分組交換網以“分組”作為資料傳輸單元，依次把各分組傳送到接收端
主機是為使用者進行資訊處理的，並且可以和其他主機通過網路交換資訊。路由器則是用來轉發分組的，即進行分組交換的。
分組交換的優點：
存在的問題：
- 分組在各路由儲存轉發時需要排隊，就會造成一定的時延
- 分組必須攜帶的控制資訊（首部）也造成了一定的開銷
電路交換、報文交換和分組交換的比較:
- 電路交換————整個報文的位元流連續地從源點直達終點，好像在一個管道中傳送
- 報文交換————整個報文先傳送到相鄰節點，全部儲存下來後查詢轉發表，轉發到下一個節點
- 分組交換————單個分組（整個報文的一部分），傳送到相鄰節點，儲存下來在查錶轉發至下一節點
1.5 計算機網路的類別
1.5.1 計算機網路的定義
計算機網路主要是由一些通用的、可程式設計的硬體互連而成的，而這些硬體並非專門用來實現某一特定目的。這些可程式設計的硬體能夠用來傳送多種不同型別的資料，並能支援廣泛的和日益增長的應用。
1.按照網路的作用範圍來分：
- 廣域網 WAN（Wide Area Network）：網際網路的核心部分
- 都會網路 MAN（Metropolitan Area Network）：目前很多都會網路採用的是乙太網技術
- 區域網 LAN（Local Area Network）
- 個人區域網 PAN（Personal Area Network）
2.按照網路的使用者來分類
- 公用網
- 專有網
3.用來把使用者接入到網際網路的網路
這種網路就是接入網路或者稱為本地接入網或者居民接入網路
1.6 計算機網路的效能
1.6.1 計算機網路的效能指標
1. 速率
網路技術中的數率指的是資料的傳送數率，往往指的是額定數率或標稱數率，並非實際執行數率。bit/s
2.頻寬
頻寬用來表示網路中某通道傳送資料的能力，一般表示的是某通道所能通過的“最高資料率”
3.吞吐量
單位時間內通過某個網路（或通道、介面）的實際的資料量，其絕對上限值等於頻寬
4.時延
資料（一個報文或分組，甚至位元）從網路（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。時延是個很重要的效能指標
- 傳送時延：主機或路由器傳送資料幀所需要的時間，也就是從傳送資料幀的第一個位元算起，到該幀的最後一個位元傳送完畢所需的時間
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- 傳送時延 = 資料幀長度（bit）/傳送數率（bit/s）
- 傳播時延：電磁波在通道中傳播一定的距離所需要花的時間
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- 傳播時延 = 通道長度（m）/電磁波在通道上的傳播速率（m/s）
- 處理時延：主機或路由器在收到分組需要花費一定的時間進行處理
- 排隊時延：分組在路由器額的輸入佇列中等待的時間和在輸出佇列中等待的時間
- 總時延 = 傳送時延 + 傳播時延 + 處理時延 + 排隊時延
- 對於高速網路鏈路，我們提高的僅僅是資料的傳送數率而並不是傳播數率
5.時延頻寬積
傳播時延*頻寬，表示鏈路的容量
時延頻寬積 = 傳播時延 X 頻寬
若傳送端連續的傳送資料，則在傳送的第一個位元即將到達終點時，傳送端就已經發送了20萬個位元，而這20萬個位元正在鏈路上向前移動。因此鏈路的時延頻寬積又稱為位元的單位鏈路長度。
6.往返時間RTT
從資料傳送方開始，到傳送的資料收到，且收到接收方的確認為止，所花費的時間
7.利用率
- 通道利用率：某通道有百分之幾的時間是被利用的（有資料通過）
- 網路利用率：全網路的通道利用率的加權平均值
- 通道或網路利用率越高，則會產生越大的延遲
- D = D0/(1-U) U是網路利用率
D表示網路當前的時延，D0表示網路空閒的時延，U表示網路利用率。
1.6.2 計算機非效能指標
- 費用
- 質量
- 標準化
- 可靠性
- 可擴充套件性和可升級性
1.7 計算機網路體系
1.7.1 計算機網路體系結構的形成
兩種國際標準：
- OSI（開放系統互連基本參考模型）是法律上的國際標準，不過並沒有得到市場的認可，而非法律上的國際標準TCP/IP獲得了最廣泛的應用，故TCP/IP常被稱為事實上的國際標準。
1.7.2 協議與劃分層次
為進行網路中的資料交換而建立的規則、標準或約定稱為網路協議（network protocol）,由以下三個要素組成：
- 語法：資料與控制資訊的結構或格式
- 語義：需要發出何種控制資訊，完成何種動作以及做出何種響應
- 同步：即事件實現順序的詳細資訊（時序）
網路協議
為進行網路中的資料交換而建立的規則、標準或約定
- 分層好處多
- 層數要適當
1.7.3 具有五層協議的體系結構
- TCP/IP的四層結構
- 應用層
- 運輸層
- 網際層
- 網路介面層
- 五層協議
- 應用層(application layer) ：通過應用程序間的互動來完成特定網路應用。
- 運輸層(transport layer) ：向兩臺主機中程序之間的通訊提供通用的資料傳輸服務。TCP、UDP。
- 網路層(network layer) ：分組轉發、路由選擇。IP。
- 資料鏈路層(data link layer) ：在兩相鄰結點間的線路上傳送以“幀”為單位的資料。
- 物理層(physical layer) ：透明地傳送位元流。
1.應用層
應用層的任務就是通過應用程序間的互動來完成特定網路應用。應用層協議定義的是應用程序間通訊的規則和互動的規則。 通常HTTP協議和SMTP協議就屬於應用層協議。我們把應用層互動的資料單元稱為報文(Message)。
2.運輸層
運輸層的任務就是負責在兩臺計算機中程序之間的通訊提供通用的資料傳輸服務。
運輸層的主要有以下兩個協議：
- 傳輸控制協議TCP：提供面向連線的、可靠地資料傳輸服務，其資料傳輸單元是報文段(Segment)。
- 使用者資料報協議UDP：提供無連線的，盡最大努力資料傳輸的服務，其資料傳輸單位是使用者資料報。
3.網路層
網路層負責為分組交換網的不同主機之間提供通訊服務。在傳送資料時、網路層把運輸層產生的報文段或使用者資料包封裝成分組或者包進行交換。因此分組也叫做IP資料報。
網路層的另一個任務就是選擇合適的路由，是源主機運輸層所傳下來的分組，能夠通過網路中的路由器找到目的主機。
網際網路使用的網路層協議是無連線的網路協議IP和多種路由選擇協議。
4.資料鏈路層
資料鏈路層也簡稱為鏈路層。我們知道，兩臺主機之間的資料傳輸，總是在一段一段的鏈路上傳送的，這就需要使用專門的鏈路層協議。在兩個鄰接節點間的鏈路上傳送幀(frame)，每一幀包括資料和必要使用的控制資訊（同步資訊、地址資訊、差錯控制等）
5.物理層
在物理層上所傳送的單位是位元。傳送方傳送1時，接收方應當收到1.
6.實體和協議
實體表示任何可傳送或接受資訊的硬體或軟體程序
協議是控制兩個對等實體（或多個實體）進行通訊的規則的集合
在協議的控制下，兩個對等實體間的通訊使得本層能夠向上一層提供服務，要實現本層協議，還需要使用下面一層所提供的的服務
7.協議與服務
協議是“水平的”，即協議是控制對等實體之間通訊的規則。
服務是“垂直的”，即服務是由下層向上層通過層間介面提供的。
下面的協議對上面的服務是“透明”的，即本層的服務使用者只能看見服務而無法看見下面的協議
同一系統相鄰兩層的實體進行互動的地方，稱為服務訪問點SAP(Service Access Point)
協議必須把所有不利的條件事先都估計到，而不能假定一切都是正常的和非常理想的，還必須非常仔細的檢查這個協議能否應付各種異常情況。
1.7.5 TCP/IP的體系結構
TCP/IP協議族，它的特點是下兩頭大而中間小：應用層和網路介面層有許多協議，而中間的IP層很小，上層的各種協議都匯聚到一個IP協議中。
