本文自学计算机网络时所写笔记，网课为B站湖科大教书匠的计算机网络微课堂。（强烈安利这个课程，讲课思路条理清晰，PPT美轮美奂、通俗易懂）

本文为第一章笔记，陆续会更新余下内容

因特网概述

1. 网络、互连网（互连网）和因特网

网络（Network）由若干结点（Node）和连接这些结点的链路（Link）组成
多个网络还可以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，即互联网（互连网）
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）

注意：internet 和 Internet 的区别

2. 因特网发展三阶段

因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)

普通用户可以通过 ISP 接入因特网
ISP可以从因特网管理机构申请成块的IP地址，同时拥有通信线路以及路由器等连网设备
因特网上的主机必须有IP地址才可以通信
我国主要的ISP是：中国电信、中国移动、中国联通这三大电信运行商

基于ISP三层结构的因特网

Internet分为三个层次：底层网、中间层网、主干网

底层网为大学校园网或企业网，

中间层网为地区网络和商用网络，

最高层为主干网，一般由国家或大型公司投资组建，目前美国高级网络服务（Advanced Network Services,ANS）公司所建设的ANSNET为因特网的主干网

第一层ISP通常被称为因特网主干网，一般都能覆盖国际性区域范围，并拥有高速链路和交换设备。第一层 ISP之间直接互联
第二层ISP和一些大公司都是第一层ISP的用户，通常具有区域性或国家性覆盖规模，与少数第一层ISP相连接
第三层ISP又称为本地ISP，它们是第二层ISP的用户，且只拥有本地范围内的网络。比如一般的校园网或企业网，以及住宅用户和无线移动用户，都是第三层ISP的用户

由此可以看出，因特网逐渐演变成基于ISP的多层次网络

3. 因特网的标准化工作

因特网的标准化工作对因特网的发展起到了非常重要的作用

因特网在制定其标准上的一个很大的特点是面向公众

因特网所有的RFC(Request For Comments)技术文档都可从因特网上免费下载;
(http://www.ietf.org/rfc.html)
任何人都可以随时用电子邮件发表对某个文档的意见或建议

因特网协会ISOC 是一个国际性组织，它负责对因特网进行全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用

因特网体系结构委员会IAB，负责管理因特网有关协议的开发
因特网工程部IETF，负责研究中短期工程问题，主要针对协议的开发和标准化
因特网研究部IRTF，从事理论方面的研究和开发一些需要长期考虑的问题

制订因特网的正式标准要经过以下4个阶段：

因特网草案（在这个阶段还不是RFC文档)
建议标准（从这个阶段开始就成为RFC文档)
草案标准
因特网标准

4. 因特网的组成

从功能上看，因特网可以被划分为两部分：

边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享
核心部分：由 大量网络 和连接这些网络的 路由器 组成。这部分是 为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）

在网络核心部分起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算器，但我们不称它为主机。路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组

三种交换方式

1. 电路交换（Circuit Switching）

如果有很多部电话机需要两两相连，那么一共需要多少对电线呢？

这个数量是非常巨大的。于是人们意识到，要使得电话间很方便的通信，就应到使用一个中间设备将这些电话连接，这个中间设备就是电话交换机。电话增多时依靠彼此连接的电话交换机来完成全网的交换任务，用这种方法构成了覆盖全世界的电信网。

电话交换机接通电话线的方式称为 电路交换
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
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)

但是，当电路交换用来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。计算机网络通常采用分组交换，而不是电路交换

2. 分组交换 (Packet Switching) ★

这里我们通过一个示例来讲解分组交换：主机H6 向主机H2 发送消息

通常我们将表示消息的整块称为一个报文

步骤讲解

在发送报文之前，先把较长的报文分成一个个更小的等长数据段。在每个数据段前面加上一些由必要的控制信息（组成的源地址、目的地址等）组成的首部后，就构成了一个分组，也可简称为 “包”，首部也可称为包头
分组交换机（各路由器）收到分组后，先将分组暂时存储下来，再检查其首部，根据首部中的目的地址进行查表转发，找到合适的转发接口，通过该接口将分组转发给下一个分组交换机。经过各分组交换机的存储转发，最终到达目标主机
目标主机收到分组后，去掉其首部，将各数据段组合还原出原始报文

分组交换过程中，发送方、分组交换机（路由器）、接收方的任务如下：

3. 报文交换（Message Switching）

与分组交换类似，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有较大的缓存空间

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

4. 电路交换、报文交换、分组交换的对比

计算机网络的定义和分类

1. 计算机网络的定义

计算机网络的精确定义并未统一

计算机网络的最简单的定义是：一些 互相连接 的、自治 的计算机的 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，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用
集合：是指至少两台计算机

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

计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机等智能硬件
计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用（包括今后可能出现的各种应用)

2. 计算机网络的分类

1. 按交换技术分类

2. 按使用者分类

公用网是指电信公司出资建造的大型网络，也可称公众网
“公用” 的意思是指所有按电信公司的规定交纳费用的人都可以使用此网络
专用网是指某个部门为单位的特殊业务需要所建立的网络，例如军队、铁路、电力系统均有本系统的专用网

3. 按传输介质分类

有线网络包括双绞线网络、光纤网络等
无线局域网所使用的WIFI技术目前比较普遍

4. 按覆盖范围分类

广域网

广域网的覆盖范围通常为 几十公里到几千公里，可以覆盖一个国家、地区、甚至横跨几个洲，因而也称为远程网
广域网是因特网的核心部分，其任务是为核心路由器提供远距离（如跨不同国家）高速连接，互连分布在不同地区的城域网和局域网

城域网

城域网的覆盖范围一般为一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，其作用距离为 5至50公里
城域网通常作为城市骨干网，互连大量企业、机构和校园局域网

局域网

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，速率通常在100Mbit/s以上。但地理上局限在较小的范围内，如一个实验室、一栋楼或一个校园内，距离一般在 1公里左右
局域网通常由某个单位单独拥有、使用和维护

个域网

个域网是个人区域网络的简称，不是用来连接普通计算机的，而是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备（便携式计算机、打印机、鼠标、键盘等）用无线技术连接起来的网络，覆盖范围大概为 10米
个域网也常称为无限个人区域网WPAN

5. 按拓扑结构分类

总线型网络

总线型网络使用单根传输线把计算机连接起来
它的优点是建网容易、增减结点方便、节省线路；缺点是重负载时通信效率不高，总线任意一处出故障，则全网瘫痪

星型网络

星型网络是将每个计算机都以单独的线路与中央设备相连。中央设备现在一般是交换机或路由器
这种网络拓扑便于网络的集中控制和管理，因为端用户之间的通信必须经过中央设备；缺点是成本高，中央设备对故障敏感

环型网络

环型网络是将所有计算机设备的网络接口连接成一个环
环可以是单环，也可以是双环，环中信号是单向传输的

网状型网络

一般情况下，每个结点至少由两条路径与其他结点相连，多用在广域网中
其优点是可靠性高，缺点是控制复杂、线路成本高

以上四种基本的网络拓扑还可以互连为更复杂的网络

计算机网络的性能指标

性能指标可以从不同的方面来度量计算机网络的性能

常用的计算机网络的性能指标有以下8个:

速率
带宽
吞吐量
时延
时延带宽积
往返时间
利用率
丢包率

1. 速率

讲述速率之前，先要了解比特（bit）的概念

顺便提一下平时常见的一个问题

问题：购买硬盘时，操作系统给出的容量与厂家标称的容量不同

例如：上述固态硬盘，标称容量为 250GB，但操作系统给出的容量为 232.8GB，这是什么原因呢？

原因：厂家给出的单位 GB 中的 G 为10的9次方；而操作系统中的 G 为2的30次方

下面正式介绍一下速率

例题：

2. 带宽

例如，在传统线路上传送电话的标准带宽为3.1kHz，范围从300Hz 到 3.4kHz，这是话音的主要成分的频率范围

其实，“带宽” 的这两种表述之间有着密切的联系。一条通信线路的 “频带宽度” 越宽，其所传输数据的 “最高数据率” 也越高

3. 吞吐量

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
吞吐量被经常用于对现实世界中网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络
吞吐量受网络带宽和额定速率的限制，如下图
- 1 Gb/s的以太网，其吞吐量受带宽限制，最高为 1Gb/s，通常只能达到 700Mb/s

4. 时延 ★

网络时延分为三部分：发送时延、传播时延、处理时延

1. 发送时延

计算公式
网卡的发送速率，信道带宽，交换机的接口速率，它们共同决定主机的发送速率

在构建网络时，应该做到各设备间以及传输介质间的速率匹配，这样才能发挥出本应具有的传输性能

2. 传播时延

计算公式

3. 处理时延

一般不方便计算。因为网络中的数据流量是动态变化的，进而路由器的繁忙程度也在动态变化；而且不同路由器的软硬件性能也可能有所不同

问题：在处理时延忽略不计的情况下，发送时延和传播时延究竟谁占主导？

因此，不能想当然的以为两者谁会占主导，而是具体问题具体分析

下面更深入的探讨一下发送时延和传播时延

题目拓展

无论有多少个比特，在总时延中只包含一个传播时延。增加比特数量，只是增大了发送时延，而传播时延数量不变

下面是分组在分组交换网（也就是多段链路）上的传输情况

5. 时延带宽积

时延带宽积分 = 传播时延 × 带宽
若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特
链路的时延带宽积又称 以比特为单位的链路长度

6. 往返时间

在许多情况下，因特网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互，我们有时很需要知道双向交互一次所需的时间。因此，往返时间 RTT (Round-Trip Time) 也是一个重要的性能指标

往返时间：从源主机发送发送开始，直到源主机收到来自目的主机的确认分组为止，所需要的时间

时延分析：相比于以太网和无线局域网，分组在卫星链路上耗时较多。原因是，卫星链路距离比较远，传播时延比较大

7. 利用率 ★

利用率有两种：信道利用率、网络利用率

根据排队论，当某信道的利用率增大时，该信道的时延也会迅速增加。因此，信道利用率并非越高越好

当然，也不能使信道利用率太低，这会使宝贵的通信资源白白被浪费。应使用一些机制，可以根据情况动态调整输入到网络中的通信量，使网络利用率保持在一个合理的范围内

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
丢包率具体可分为接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等

分组丢失主要有两种情况：

分组在传输过程中出现 误码，被结点丢弃
分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃；在通信量较大时就可能造成 网络拥塞

丢包率反映了网络的拥塞情况：

无拥塞时路径丢包率为 0
轻度拥塞时路径丢包率为 1% ~ 4%
严重拥塞时路径丢包率为 5% ~ 15%
当丢包率较高时，通常无法使网络应用正常工作

计算机网络体系结构

1. 常见的计算机网络体系结构

1. OSI 体系结构

OSI 体系结构，意为开放式系统互联。国际标准组织（国际标准化组织）制定了 OSI 模型。这个模型把网络通信的工作分为 7 层，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。1至4层被认为是低层，这些层与数据移动密切相关。5至7层是高层，包含应用程序级的数据。每一层负责一项具体的工作，然后把数据传送到下一层。

各层的分工及主要任务

这里说一下OSI标准失败的几个原因：OSI的专家们缺乏实际经验；没有商业推动力；OSI的协议过分复杂，执行效率低；指定周期太长，导致此标准设备无法及时进入市场

2. TCP/IP 体系结构

TCP/IP 是一组用于实现网络互连的通信协议。Internet网络体系结构以 TCP/IP 为核心。基于 TCP/IP 的参考模型将协议分成四个层次，它们分别是：网络访问层、网际互联层（主机到主机）、传输层、和应用层。

TCP/IP 体系结构相当于将 OSI 体系结构中的 物理层 和 数据链路层 合并成了网络接口层，并去掉了 会话层 和 表示层
用于网络互连的路由器中，也带有符合 TCP/IP 体系结构标准的 TCP/IP 协议族：一般只包含 网际层 和 网络接口层
TCP/IP 体系结构的网络接口层并没有规定什么具体的内容，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。因此，本质上 TCP/IP 体系结构只有上面三层

IP协议作为TCP/IP体系结构中的核心协议，一方面负责互连不同的网络接口（IP over everything）
另一方面，为各种网络应用提供服务（Everything over IP）

3. 原理体系结构

在学习计算机网络原理时往往采用折中的办法，综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种五层协议的原理体系结构

2. 计算机网络分层的必要性

计算机网络是个非常复杂的系统。早在最初的 ARPANET设计时就提出了分层的设计理念。

“分层” 可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

3. 计算机网络体系结构中的专用术语

这些术语来自于 OSI 的七层协议体系结构，但也适用于 TCP/IP 的四层体系结构和五层原理体系结构

分为实体、协议、服务三部分来讲述

1. 实体

实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
对等实体：收发双方相同层次中的实体

2. 协议

协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合

协议的三要素：语法、语义、同步

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：定义收发双方的时序关系

3. 同步

在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务；要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务

协议是 “水平的”，服务是 “垂直的”
实体看得见相邻下层所提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。也就是说，下面的协议对上面的实体是"透明"的

服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型

数据链路层的服务访问点为帧的 “类型” 字段
网络层的服务访问点为IP数据报首部中的 “协议字段”
运输层的服务访问点为 “端口号”

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，这些命令称为服务原语。

协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元
服务数据单元SDU：同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元

多个SDU可以合成为一个PDU;一个SDU也可划分为几个PDU。

第一章计算机网络概述部分内容到此结束，后续部分在余下文章，陆续更新…

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1. 电路交换（Circuit Switching）

2. 分组交换 (Packet Switching) ★

3. 报文交换（Message Switching）

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1. 速率

2. 带宽

3. 吞吐量

4. 时延 ★

5. 时延带宽积

6. 往返时间

7. 利用率 ★

8. 丢包率

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