《计算机网络 自顶向下》第一章==计算机网络和因特网==随堂笔记
文章目录
- 第一章 计算机网络和因特网
- 1.1 什么是因特网
- 从具体构成角度
- 从服务角度
- 从组成类型角度
- 1.2 网络边缘
- 1.3 网络核心
- 电路交换（存储-转发）
- 分组交换
- 统计多路复用
- 1.4 接入网
- 1.5 物理媒体
- 1.6 Internet和ISP
- 1.7 分组延时、丢失和吞吐量
- 分组延时
- 分组丢失
- 吞吐量
- 1.8 协议层次及服务模型
- 复杂的网络功能如何实现？
- 专用术语
- 服务类型
- 服务和协议
- Internet协议栈
- Internet协议栈各层次数据单元
- 1.9 Internet历史
第一章 计算机网络和因特网
1.1 什么是因特网
从具体构成角度
网络是由节点、边和协议组成。例如：人类之间的关系，蜘蛛网，大脑的神经网络等。
- 节点（或者称为主机host 或 端系统end system）
根据作用的不同，节点分为两种：
1、源节点或目标节点（如电脑主机或服务器）。2、交换节点（如路由器、交换机和负载均衡设备）。 - 边（通信链路）
根据链路两端连接的节点不同，边也分为两种：
1、链路两端是源节点或目标节点时，该链路称为接入网链路。2、路由器之间的链路被称为主干链路。 - 协议（protocol）
协议就是节点的对等层实体之间通信的过程中需要遵守的规则集合（大家都遵守规则，所以不同厂商生产的网络设备、不同系统上的网络产品就可以通信）。
协议的定义：协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文格式和次序，以及在报文传输/或接收/或其他事件方面所采取的的动作。
从服务角度
网络是由分布式应用和为分布式应用提供服务的基础设施构成。
- 分布式应用
应用软件，如QQ、浏览器等 - 基础设施
为应用交互提供服务，如电脑主机、光纤、交换机等等。
通信服务又分为：
- 无连接不可靠服务。UDP
- 面向连接的可靠服务。TCP
从组成类型角度
互联网是由一个个的子系统组成，主机和上面的网络程序是一个系统。
- 网络边缘：主机+应用程序
- 网络核心：路由器、网络
- 接入网：有线或无线通信链路
1.2 网络边缘
- 端系统（主机）
运行应用程序，如web、email，在网络的边缘。 - 客户端/服务器
客户端向服务器请求、接收服务，如email客户端/服务器。
客户端、服务器属于集中式处理请求，所有请求都要来服务器端处理，就需要大量的服务器主机，相应的网络传输设备也要升级。可维护性较差。
- 对等模式
很少有专门的服务器，如KaZaA。
每个节点既是客户端，又是服务器。如迅雷。随着客户端的增多，服务器也会增多，你可以向其他节点请求资源，也可以为其他客户端提供资源。 同时，可以将一份资源同时向多个节点请求，每个节点提供一部分，就可以同时建立多个传输进程。
从传输方式来说，网络边缘又包含面向连接的服务和无连接的服务。
- 采用网络设施的面向连接服务
传输前要先进行握手
TCP服务：传输控制协议（HTTP,FTP）
1.可靠的，按顺序的传送数据（确认和重传）
2.流量控制（发送方不会淹没接收方数据）
3.拥塞控制（当网络阻塞时，发送方降低发送速率）
优点：数据可靠
缺点：需要握手，有各种特性，耗费时间
- 采用基础设施的无连接服务
不需要握手
UDP服务：用户数据报协议(流媒体，远程会议)
1.无连接
2.不可靠数据传输
3.无流量控制
4.无拥塞控制
优点：实时性高
缺点：数据不可靠
1.3 网络核心
网络核心即是由众多路由器组成的网状网络。
网络核心的传输方式有两种，分别是电路交换和分组交换。
电路交换（存储-转发）
- 特点
1、为每个呼叫预留一条专有电路：如电话网。
2、只使用一部分资源，如一条线路最大传输能力为1M/s，一条专有线路的资源占用为100k/s,那么一条专有线路，最多就能传输100k/s的数据，其他资源不可以使用。 - 优点
独享资源，占有资源后，不会有其他人来抢夺资源，保证性能。 - 缺点
通信前需要建立呼叫连接，耗时较长
会造成资源浪费，只要建立专有电路后，无论是否在传输消息，相应资源都不会再被其他人使用。
分组交换
- 特点
1、将要传输的数据分成一个个单位（分组），将“分组”从一个路由器传到相邻路由器，最终传输到目标端。
2、每次转发之前，节点必须收到整个分组。
2、可以使用全部资源，如一条线路最大传输能力为1M/s，那么建立分组交换的连接时，最多能传输1M/s的数据，根据当前剩余可用资源决定。 - 优点
不需要提前建立连接，实时性较好。资源共享，按需使用。
同样的网络资源，分组交换允许更多的用户使用网络。 - 缺点
延迟比电路交换要大。
如果到达速率>链路的输出速率：分组将会排队，等待传输。如果路由器的缓存用完了，分组将会被丢弃。
分组的存储转发一段一段从源端传到目标端，按照有无网络层的连接，分成
1.数据报网络（在通信建立之前，无需建立连接。每一个分组都有独立路由，可能会失序。Internet）
2.虚电路网络（每个分组都带标签，标签决定下一跳。在呼叫建立时决定路径，过程中保持不变，路由器维持每个呼叫的状态信息。ATM）
网络核心的功能：
- 路由：决定分组采用的源到目标的路径。（路由算法）
- 转发：将分组从路由器的输入链路转移到输出链路。
统计多路复用
各个机器在链路中没有固定的模式，按需获取链路资源，如A机器在第一秒使用链路资源。B机器在2-3秒使用链路资源。
1.4 接入网
- 住宅接入网络
通过电话线接入，
通过有线电视信号线缆双向改造，
通过线缆和光纤网络将家庭用户接入到ISP服务器。 - 单位接入网络
经常被企业或大学等机构采用
现在，端系统经常直接接到以太网络交换机上 - 无线接入网络
无线WLAN
广域无线接入（4G、5G等）
1.5 物理媒体
按照传播介质分为：
导引型媒体：信号沿着固体媒介被引导：同轴电缆、光纤、双绞线等。
非导引型媒体：开放空间传输电磁波或者光信号，在电磁或光信号中承载字数据。
双绞线：两根绝缘铜导线拧合
同轴电缆：两根同轴的铜导线。双向。电缆上有一个单个信道（基带电缆），电缆上有多个信道（宽带电缆）。
光纤和光缆：光脉冲，每个脉冲表示一个bit，在玻璃纤维中传输。高速，低误码率，不受电磁噪声干扰。安全。
无线链路：开放空间传输电磁波，携带需要传输的数据。无需物理线缆。双向。易受电磁环境干扰。（WIFI、4G、5G、卫星）
1.6 Internet和ISP
Internet:网络的网络
端系统通过ISP连接到互联网.(ISP:Internet Service Providers)
ISP设备必须互联才能够互相交换信息。但是不可能将每个ISP设备两两相连。
所以：ISP分为接入ISP和全局ISP.
接入ISP不需要两两相连，只需要连接全局ISP，就可以互相通信。
全局ISP有不同厂商都在做，不同厂商的全局ISP设备会互联，从而完成自己的业务扩展。
除ISP外，还有一种联网方式：ICP（Internet Content Providers）
很多网络服务提供商（如google、baidu），为了减少ISP使用相关费用，同时为了提升网速，向用户提供更好的服务，会通过铺设专用线缆等方式搭建自己的专属网络。
1.7 分组延时、丢失和吞吐量
分组延时
造成分组延时的原因：
- 节点处理延时（检查bit级差错、检查分组首部和决定将分组导向何处）
- 排队延时（在传输链路上等待传输的时间，依赖于路由器的拥塞程度）
- 传输延时（分组长度/链路宽带）
- 传播延时（物理链路的长度/在媒体上的传播速度）
分组丢失
造成分组丢失的原因：
链路的队列缓冲区容量有限，
当分组达到一个满的队列时，该分组将丢失。
丢失的分组可能被前一个节点或者源端系统重传，或者根本不重传。
吞吐量
在源端和目标端之间传输的速率（数据量/单位时间）
- 瞬间吞吐量
- 平均吞吐量
吞吐量有木桶效应，实际吞吐量取决于吞吐量最小的那一段链路。
1.8 协议层次及服务模型
网络是一个复杂的系统！
网络功能繁杂：数字信号的物理信号承载、点到点、路由、进程区分、应用等。
复杂的网络功能如何实现？
层次化
将网络复杂的功能分成功能明确的层次，每一层实现了其中一个或一组功能，功能上有其上层可以使用的功能：服务。
本层协议实体相互交互执行本层的协议动作，目的是实现本层功能，通过接口为上层提供更好的服务。
在实现本层协议的时候，直接利用了下层提供的服务。
本层的服务：借助下层服务实现的本层协议实体之间交互带来的新功能（上层可以利用的）+更下层所提供的的服务。
层次化实现的好处是什么？
- 概念化
结构清晰，便于标示网络组件，以及描述其相互关系 - 结构化
更易于维护和系统升级
改变某一层的服务的实现不影响系统中的其他层次
专用术语
服务：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力。
服务访问点：上层使用下层童工的服务通过层间的接口——地点。
原语：上层使用下层服务的形式，高层使用低层提供的服务，以及低层向高层提供的服务都是通过服务访问原语来进行交互的——形式。
服务类型
- 面向连接的服务
特点：保序
通信过程：建立连接，通信，拆除连接。
适用范围：大的数据块传输，不适合小的零星报文。
服务类型：可靠的信息流（传送页面）、可靠的字节流（远程登录）、不可靠的连接（数字化声音） - 无连接的服务
特点：不可靠，可能重复，可能失序
通信过程：无需提前建立连接，无需预留资源，不需要通信双方活跃（如：寄信）
适用范围：适合传输零星数据
服务类型：不可靠的数据报（电子方式的函件）、有确认的数据报（挂号信）、请求回答（信息查询）
服务和协议
- 服务和协议的区别
服务：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力，是通过原语来操作的
协议：对等层实体之间在相互通信的过程中，需要遵循 的规则的集合 - 服务和协议的联系
本层协议的实现要靠下层提供的服务来实现
本层实体通过协议为上层提供更高级的服务
Internet协议栈
- 应用层：网络应用
为人类用户或者其他应用进程提供网络应用服务
FTP、SMTP、HTTP、DNS - 传输层：主机之间的数据传输
在网络层提供的端到端通信的基础上，细分为进程到进程，将不可靠通信转化为可靠通信 - 网络层：为数据报从源到目的地选择路由
主机和主机之间的通信，端到端通信，不可靠
IP、路由协议 - 链路层：相邻网络节点间的数据传输
相邻两个网络结点间的数据传输，点到点通信，可靠或不可靠
点对点协议PPP、802.11（wifi） - 物理层：在线路上传送bit
Internet协议栈各层次数据单元
- 应用层（报文message）
- 传输层（保文段segment）TCP段、UDP数据报
- 网络层（分组packet）如果无连接方式：数据报
- 链路层（帧frame）
- 物理层（位bit）
1.9 Internet历史
- 1960年以前：线路交换网络
- 1961-1972：早期的分组交换概念
- 1972-1980：专用网络和网络忽略
- 1980-1990：体系结构变化，网络数量激增，应用丰富
- 1990-21世纪：商业化、web、新应用
- 2005-现在：50亿+主机、移动互联时代、在线社交等新型应用出现、内容提供商（google等）创建自己的网络
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