计算机网络第1章（概述）- 湖科大计算机网络课程笔记整理
笔记整理湖科大计算机网络
一、 计算机网络在信息时代的作用
（1）计算机网络已由一种通信基础设施发展成为一种重要的信息服务基础设施；
（2）计算机网络已经像水，电，煤气这些基础设施一样，成为我们生活中不可或缺的一部分。
二、 因特网概述
1、网络、互连网（互联网）和因特网的基本概念
| - | 简介 |
|---|---|
| 网络 | 网络（Network）由若干结点（Node）和连接这些结点的链路（Link）组成 |
| 互连网（互联网） | 多个网络通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互连网（互联网）。因此，互联网又称为“网络的网络（Network of Networks）” |
| 因特网 | 因特网（Internet）是世界上最大的互连网络（用户数以亿计，互连的网络数以百万计） |
展现图：
网络：
互连网（互联网）：
因特网：
2、因特网发展的三个阶段
因特网服务提供者ISP(Internet Service Provider)
中国的三大ISP：中国电信，中国联通和中国移动
3、因特网的标准化工作
制订因特网的正式标准要经过一下4个阶段：
（1）因特网草案（在这个阶段还不是RFC文档）
（2）建议标准（从这个阶段开始就成为RFC文档）
（3）草案标准
（4）因特网标准
RFC：(Request For Comments)技术文档
三、 三种交换方式
从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
三种交换方式：电路交换、分组交换、报文交换
1、电路交换
传统两两相连的方式，当电话数量很多时，电话线也很多，就很不方便。所以要使得每一部电话能够很方便地和另一部电话进行通信，就应该使用一个中间设备将这些电话连接起来，这个中间设备就是电话交换机。
电话交换机接通电话线的方式称为电路交换。
电路交换的三个步骤：
（1）建立连接（分配通信资源）（2）通话（一直占用通信资源）（3）释放连接（归还通信资源）。
当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的。所以计算机通常采用的是分组交换，而不是线路交换。
2、分组交换（重点）
也称为包交换。其原理是将数据分为较短的固定长度的数据块，在每个数据块中加上目的地址，源地址等辅助信息组成分组（包），以存储-转发方式传输。
发送方：构造分组、发送分组
路由器：缓存分组、转发分组
接收方：接收分组、还原报文
路由器处理分组的过程是：
（1）把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
（2）查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
（3）把分组送到适当的端口转发出去。
3、报文交换
报文交换中的交换结点也采用存储转发方式，但报文交换对报文的大小没有限制，这就要求交换结点需要较大的缓存空间。报文交换主要用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。
三种交换方式的对比
| 电路交换 | 分组交换 | 报文交换 |
|---|---|---|
| 通信之前首先要建立连接；连接建立好之后，就可以使用已建立好的连接进行数据传送；数据传送后，需释放连接，以归还之前建立连接所占用的通信线路资源。一旦建立连接，中间的各结点交换机就是直通形式的，比特流可以直达终点； | 可以随时发送分组，而不需要事先建立连接。构成原始报文的一个个分组，依次在各结点交换机上存储转发。各结点交换机在发送分组的同时，还缓存接收到的分组。构成原始报文的一个个分组，在各结点交换机上进行存储转发，相比报文交换，减少了转发时延，还可以避免过长的报文长时间占用链路，同时也有利于进行差错控制。 | 可以随时发送报文，而不需要事先建立连接；整个报文先传送到相邻结点交换机，全部存储下来后进行查表转发，转发到下一个结点交换机。整个报文需要在各结点交换机上进行存储转发，由于不限制报文大小，因此需要各结点交换机都具有较大的缓存空间。 |
四、 计算机网络的定义和分类
1、定义
没有精确同一的定义；
最简单的定义： 互连、自治、计算机集合；
互连：是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信；
自治：是指独立的计算机，他有自己的硬件和软件，可以单独运行使用；
集合：是指至少需要两台计算机。
计算机网络的较好的定义是：计算机网络主要是由一些通用的，可编程的硬件（一定包含有中央处理机CPU）互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
不同阶段定义不同，反映当时的网络技术发展水平。
2、分类
| - | 分类 |
|---|---|
| 按交换技术 | 电路交换网络、分组交换网络、报文交换网络 |
| 按使用者 | 公用网、专用网 |
| 按传输介质 | 有线网络、无线网络 |
| 按覆盖范围 | 广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个域网PAN |
| 按拓扑结构 | 总线型网络、星型网络、环形网络、网状型网络 |
五、 计算机网络性能指标
1、速率
2、带宽
3、吞吐量
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。
4、时延（重点）
时延时指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间，它由四部分组成：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。
| - | 说明 |
|---|---|
| 发送时延 | 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毕所需的时间 |
| 传播时延 | 电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间 |
| 处理时延 | 主机或路由器在收到分组时要花费一定时间进行处理 |
| 排队时延 | 分组在进过网络传输时，要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理 |
有时会把排队时延看成处理时延 一部分
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 （处理时延 + 排队时延）
5、时延带宽积
若发送端连续发送数据，在发送的第一个比特即将到达终点时，表示发送端已经发出的比特数。即，时延带宽积 = 传播时延 × 信道带宽。
6、往返时间RTT
通信双方交互一次所需的时间。
7、利用率（重点）
利用率有信道利用率和网络利用率两种。
8、丢包率
丢包率即分组丢失率。是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
六、 计算机网络的体系结构
1、常见的计算机网络体系结构
（1）OSI的七层体系结构 - 法律上的国际标准
（2）TCP/IP的四层体系结构 - 事实上的国际标准
如今用的最多的是 TCP/IP 体系结构，现今规模最大的、覆盖全球的、基于TCP/IP的互联网并未使用OSI标准。TCP/IP体系结构相当于将OSI体系结构的物理层和数据链路层合并为了网络接口层，并去掉了会话层和表示层。TCP/IP在网络层使用的协议是IP协议，IP协议的意思是网际协议，因此TCP/IP体系结构的网络层称为网际层。
| - | 说明 |
|---|---|
| 网络接口层 | 并没有规定具体内容，这样做的目的是可以互连全世界各种不同的网络接口，例如：有线的以太网接口，无线局域网的WIFI接口等。 |
| 网际层 | 它的核心协议是IP协议。 |
| 运输层 | TCP和UDP是这层的两个重要协议。 |
| 应用层 | 这层包含了大量的应用层协议，如 HTTP , DNS 等。 |
各层使用的协议：
IP协议（网际层）可以将不同的网络接口（网络接口层）进行互连，并向其上的TCP协议和UDP协议（运输层）提供网络互连服务
TCP协议在享受IP协议提供的网络互连服务的基础上，可向应用层的相应协议提供可靠的传输服务。
UDP协议在享受IP协议提供的网络互连服务的基础上，可向应用层的相应协议提供不可靠的传输服务。
（3）五层协议的原理体系结构 - 便于教学
教学时把TCP/IP体系结构的网络接口层分成了物理层和数据链路层。
2、分层的必要性
计算机网络是个非常复杂的系统；
分层可以将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题。
以五层原理体系结构为例，说明分层的必要性：
| - | 要解决的问题 |
|---|---|
| 物理层 | 解决使用何种信号来传输比特的问题 |
| 数据链路层 | 解决分组在一个网络（或一段链路）上传输的问题 |
| 网络层 | 解决分组在多个网络间传输（路由）的问题 |
| 运输层 | 解决进程之间基于网络的通信问题 |
| 应用层 | 解决应用进程间交互来实现特定网络应用的问题 |
OSI模型：
3、分层思想举例
示例：主机的浏览器如何与Web服务器进行通信
主机和Web服务器之间基于网络的通信，实际上是主机中的浏览器应用进程与Web服务器中的Web服务器应用进程之间基于网络的通信。
| – | 步骤 |
|---|---|
| （1）发送方 | 第一步：应用层按照HTTP协议的规定构建一个HTTP请求报文；应用层将HTTP请求报文交付给运输层处理 |
| （1） | 第二步：运输层给HTTP请求报文添加一个TCP首部，使之成为TCP报文段；TCP报文段的首部格式作用是区分应用进程以及实现可靠传输；运输层将TCP报文段交付给网络层处理 |
| （1） | 第三步：网络层给TCP报文段添加一个IP首部，使之成为IP数据报；IP数据报的首部格式作用是使IP数据报可以在互联网传输，也就是被路由器转发；网络层将IP数据报交付给数据链路层处理 |
| （1） | 第四步：数据链路层给IP数据报添加一个首部和一个尾部，使之成为帧；该首部的作用主要是为了让帧能够在一段链路上或一个网络上传输，能够被相应的目的主机接收；该尾部的作用是让目的主机检查所接收到的帧是否有误码；数据链路层将帧交付给物理层 |
| （1） | 第五步：物理层先将帧看做是比特流，这里的网络N1假设是以太网，所以物理层还会给该比特流前面添加前导码；前导码的作用是为了让目的主机做好接收帧的准备；物理层将装有前导码的比特流变换成相应的信号发送给传输媒体 |
| （1） | 第六步：信号通过传输媒体到达路由器 |
| – | --------------------------------------------------------------—————————————————— |
| （2）路由器转发 | 在路由器中物理层将信号变为比特流，然后去掉前导码后，将其交付给数据链路层；数据链路层将帧的首部和尾部去掉后，将其交付给网络层，这实际交付的是IP数据报；网络层解析IP数据报的首部，从中提取目的网络地址 |
| （2） | 提取目的网络地址后查找自身路由表。确定转发端口， 以便进行转发 |
| （2） | 网络层将IP数据报交付给数据链路层 |
| （2） | 数据链路层给IP数据报添加一个首部和一个尾部，使之成为帧 |
| （2） | 数据链路层将帧交付给物理层 |
| （2） | 物理层先将帧看成比特流，这里的网络N2假设是以太网，所以物理层还会给该比特流前面添加前导码 |
| （2） | 物理层将装有前导码的比特流变换成相应的信号发送给传输媒体，信号通过传输媒体到达Web服务器 |
| – | --------------------------------------------------------------—————————————————— |
| （3）接收方 | 和发送方（主机）发送过程的封装正好是反着来 |
| （3） | 在Web 服务器上，物理层将信号变换为比特流，然后去掉前导码后成为帧，交付给数据链路层；数据链路层将帧的首部和尾部去掉后成为IP数据报，将其交付给网络层；网络层将IP数据报的首部去掉后成为TCP报文段，将其交付给运输层；运输层将TCP报文段的首部去掉后成为HTTP请求报文，将其交付给应用层；应用层对HTTP请求报文进行解析，然后给主机发回响应报文；发回响应报文的步骤和之前过程类似 |
4、专业术语
实体：是指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程；
对等实体：是指通信双方相同层次中的实体。
协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合；
协议三要素：
语法：定义所交换信息的格式；
语义：定义收发双方所要完成的操作；
同步：定义收发双发的时序关系。
服务：
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