计算机网络学习笔记：基础知识

一、计算机网络的定义

什么是网络？

“网络”是一个泛称，泛指把人和物互联在一起而形成的系统。（下图来自百度百科）

计算机网络的定义：

计算机网络是通过通信线路和通信设备将分布在不同位置的、具有独立自治功能的计算机彼此连接起来，并配置相应的网络软件，以实现计算机之间的信息交换和资源共享。

自治：自治是指每台计算机的功能是完整的、可以独立工作
彼此连接：指计算机之间在物理上是互联的，在逻辑上能够彼此交换信息

计算机网络的组成：

计算机网络，依据完成功能的不同，可以分解为两个部分：通信子网和资源子网。

通信子网——由通信线路和通信设备所构成的通信子网，通信设备包括转发器、交换机、路由器等。

它为资源子网的计算机提供数据传输服务。
它覆盖的地理范围可以是很小的局域区域，如一个单位，也可以是很大的区域，如一个城市、一个国家。

资源子网——位于网络的边缘，资源子网中的计算机负责运行对信息进行处理的应用程序。

它们是信息流动的源和宿，也叫做端系统。

将通信子网和资源子网分离开来，使得这两部分可以单独规划和管理，简化了整个网络的设计和管理。

在进程局域范围内，一个单位可同时拥有通信子网和资源子网。

在远程广域范围内，通信子网可以由*部门或电信运行上拥有和经营（如：联通、电信、移动三大运营商）

它向社会提供服务
拥有计算机的用户通过申请接入通信子网，成为计算机网络中的成员，使用网络服务。

端系统之间的两种通信方式：

端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：

客户-服务器方式（C/S 方式）即 Client/Server 方式，简称为 C/S 方式。
对等方式（P2P 方式）即 Peer-to-Peer 方式，简称为 P2P 方式。

客户-服务器方式：

客户 (client) 和服务器 (server) 都是指通信中所涉及的两个应用进程。

客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。

对等连接方式：

对等连接 (peer-to-peer，简写为 P2P) 是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。

只要两个主机都运行了对等连接软件 (P2P 软件) ，它们就可以进行平等的、对等连接通信。

双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。

对等连接方式的特点：

对等连接方式从本质上看仍然是使用客户-服务器方式客户又是服务器。

（例如：主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户，D 是服务器。但如果 C 又同时，只是对等连接中的每一个主机既是向 F提供服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。）

对等连接工作方式可支持大量对等用户（如上百万个）同时工作。

二、计算机网络的分类

计算机网络的拓扑结构：

计算机网络的拓扑结构指网络节点和链路之间的分布和互连形成的物理形状。

计算机网络拓扑分类：

星形拓扑结构：一种以*节点为中心，把若干外围节点连接起来的辐射状互联结构。

优点：①易扩充②控制简单（*节点实施对全网的控制）

缺点：①*节点会成为系统的瓶颈②存在单点故障问题

适用场合：

传统场合：网络智能集中于*节点的场合
新场合：在计算机从集中的主机系统发展到功能很强的微型机和工作站，以高速交换设备为中心的星形拓扑结构发展迅猛，应用也越来越广。

环形拓扑结构：所有网络节点通过通信链路连接成一个闭合环，每个节点能够接受从一段链路传来的数据，并把该数据沿环送到另一端链路上。

链路可单向，也可双向
数据在环上的传送由分布式策略控制

优点：①通信链路长度比星形拓扑结构要短②可使用光纤③增加/删除结点容易；

缺点： ①任一结点或链路发生故障会导致全网故障，且故障检测和定位比较困难；

场合示例：IEEE802.5令牌环网记为采用拓扑的网络

总线拓扑结构：采用一个共享信道作为传输介质，所有结点都通过相应的硬件接口直接连到被称为总线的传输介质上。

共享信道：任何一个站点发送的数据信号都沿着传输介质传播，并且能被其他站点接收

优点：①拓扑结构简单②无源线路、有较高的可靠性③便于扩充，便于节点的增加和删除；

缺点：①传输距离有限，通信范围受限制②故障诊断和隔离比较困难

场合示例：

早期的以太网采用总线拓扑结构的网络
现行的电缆因特网接入方案

树形拓扑结构：

顶端是根结点，根节点下有分支，每个分支还可再带子分支。
根节点接收各网络结点发送的数据，然后再广播发送到全网。

优点：①扩展容易②管理简单、方便维护

缺点：①资源共享能力差②可靠性低，根节点是系统瓶颈

场合示例：军事单位、*单位等上下界相当严格和层次分明的网络结构

网形拓扑结构：各网络节点之间根据需要将通信线路互连，形成网状。

优点：①可靠性高：不受瓶颈问题和单点故障问题的影响；

缺点：①结构复杂、成本高②网络协议复杂

场合示例：

广域网中得到广泛应用
因特网

计算机网络覆盖范围分类：

局域网（Local Area Network, LAN）：

定义：指覆盖范围在几公里内的计算机相互连接所构成的计算机网络。

使用场景：

这类网络被广泛应用在一个实验室、一栋或几栋大楼、一个学校、一个单位等，便于区域内人们进行资源共享和数据通信
局域网由某个单位单独拥有、使用和维护

特点：结构简单、传输速率高、延时小、管理方便、造假低廉。

局域网一般面对的通信问题和对应解决技术：

一般采用共享传输介质的广播通信技术，会有冲突问题
冲突问题是指多个结点进行数据传输时造成的数据帧碰撞
在局域网中，必须引入介质访问控制协议来解决结点对介质的争用问题

常用的局域网标准：以太网和令牌环网

城域网（Metropolitan Area Network,MAN）：

定义：城域网是一个城市范围内所建立的计算机网络，一般5到50公里。

城域网通常被用作城市骨干网
IEEE成立的城域网标准：IEEE 802.6

分布式队列双总线（Distributed Queue Dual Bus，简写DQDB）是 IEEE 802.6 标准中定义的城域网（MAN）数据链路层通信协议，主要应用于城域网（MAN）。DQDB 被设计来用于数据，还有语音和视频的传输，它基于信元交换（cell switching）技术（类似于 ATM）。此外，DQDB 是开放标准（open standard），其设计与载波传输标准（如 SMDS）相兼容，使用两根单向逻辑总线进行多路系统的相互连接。（来源自百度百科）

广域网（Wide Area Network, WAN）：

定义：广域网，也称远程网，是指覆盖范围广阔的网络（几十到几千公里）

覆盖范围可以是一个国家或地区
广域网将分布在不同地区的宽带城域网或计算机系统互连起来，提供各种网络服务

广域网的典型代表：Internet

覆盖范围与传输速率的关系：

计算机网络其他分类方式及其汇总：

三、计算机网络的功能

四、计算机网络体系结构

分层模型示例：

分层的思想：

将复杂问题，分解为若干个功能相对独立的子问题。
不同的子问题由不同的模块单独处理，模块之间形成单向依赖关系。

网络层次模型：

两台计算机A和B要进行通信，考虑进行通信涉及的所有问题。
将系统划分成若干个模块，这些功能模块间具有层次依赖关系。
底层负责完成系统功能的基本部分。
第n层利用第n-1层向其提供的服务来完成本层要实现的功能，并向它的上一层—第n+1层提供相应的服务。

分层的好处与缺点：

层数的多少要适当：

层数太少，就会使每一层的协议太复杂。
层数太多，又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。

各层完成的主要功能：

① 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠。

② 流量控制：发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快。

③ 分段和重装 ：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原。

④ 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。

⑤ 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接。

计算机网络体系结构的形成：

1974 年，美国的 IBM 公司宣布了系统网络体系结构SNA (System Network Architecture)。这个著名的网络标准就是按照分层的方法制定的。
不久后，其他一些公司也相继推出自己公司的具有不同名称的体系结构。
由于网络体系结构的不同，不同公司的设备很难互相连通。
为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织 ISO 于 1977 年成立了专门机构研究该问题。
他们提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为 OSI。（只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。）
但是OSI 只获得了一些理论研究的成果，在市场化方面却失败了。

法律上的 (de jure) 国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。非国际标准 TCP/IP 却获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的 (de facto) 国际标准。

协议与划分层次：

计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。
这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题（同步含有时序的意思）。
网络协议 (network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。

网络协议的三个组成要素：

语法：数据与控制信息的结构或格式。
语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
同步：事件实现顺序的详细说明

协议的两种形式：

一种是使用便于人来阅读和理解的文字描述。
另一种是使用让计算机能够理解的程序代码。
这两种不同形式的协议都必须能够对网络上信息交换过程做出精确的解释。

实体、协议、服务和接口：

实体 (entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。
在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。
要实现本层协议，还需要使用下层所提供的服务。

协议与服务之间有什么不同？

协议的实现保证了能够向上一层提供服务。
本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。即下面的协议对上面的服务用户是透明的。
协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。
服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
上层使用服务原语获得下层所提供的服务。

服务访问点（接口）的介绍：

同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。
服务访问点SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。
接口定义相邻层之间上层如何访问或使用下层所提供的服务
第n+1层通过n+1层与n层的层间接口处的SAP来调用第n层的服务

服务原语的介绍：

上层使用下层必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语(primitive)，原语可以带参数。
服务在形式上用一组原语来描述
服务原语可以划分为四类：请求（Request），指示（Indication），响应（Response），确认（Confirm）。

◇请求(Request)——由服务用户发往服务提供者，请求完成某项工作。

◇指示(Indication)——由服务提供者发往服务用户，指示发生了某些事件。

◇响应(Response)——由服务用户发往服务提供者，作为对指示的响应。

◇确认(Confirm)——由服务提供者发往服务用户，作为对请求的确认。

层次协议的集合，称为网络体系结构。

网络体系结构的描述必须包含足够信息：

以便网络设计者能够为每一层设计相应的硬件或软件，但实现的细节和接口对外界是不可见的
每台机器只需正确地使用网络体系结构所定义的协议即可

一个特定的系统所使用的一组协议称为协议栈。

五、网络参考模型

OSI参考模型：

物理层：

功能：在物理介质上传输原始比特流。

为“数据链路层”提供一个物理连接。
物理层定义传输信号的电气特征、连接器的机械形状、交换电路的功能和进行比特传输过程 4个规章特性，用以确定如何使用物理传输介质来实现两个结点间的物理连接。

处理的数据：二进制比特信号（如：二进制的基带信号或模拟信号。）

处理的地址：直接面向物理端口的各个管脚，如RS-232的管脚。

数据链路层：

功能：负责在两个相邻结点间的线路上，无差错地传送以“帧”为单位的数据

数据链路层（Data Link Layer）传送的比特信息是有意义和规范的结构

主要功能：成帧、差错控制、流量控制和传输管理等

处理的数据单元：数据帧

处理的地址：硬件的物理地址

网络层：

主要任务：如何把网络层的协议数据单元（分组）从源传送到目的

功能：

路由选择
拥塞控制
网络互连

处理的数据单元：分组

处理的地址：逻辑地址（如：IP地址）

传输层：

为高层用户提供可靠的、透明的、有效的数据传输服务。

传输层提供的服务大体分：面向连接的传输服务和面向无连接的传输服务。

处理的数据单元：报文段。

处理的地址：进程标识(TCP/UDP,端口号)

会话层：

功能：主要实现会话连接到传输连接的映射、加强会话管理等功能

会话（Session）是一种建立在传输层之上的连接，这种连接提供了一种建立连接并有序传输数据的方法

处理的数据单元：报文

表示层：

功能：处理结点间或通信系统间信息表示方式方面的问题。

不同生产商的计算机具有不同的内部数据表示，所以不同类型计算机之间交换的数据，一般需要经过格式转换才能保证其意义不变。

应用层：

应用层是开放系统互连参考模型的最高层，是用户与网络的接口，其功能是为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段。

处理的数据单元：报文

TCP/IP参考模型：

是在ARPANet的发展过程中逐渐形成的参考体系结构。

TCP/IP参考模型特点：

开放的协议标准
独立于特定的计算机硬件和操作系统
独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、城域网和广域网上，使用该模型易于实现网络互联
具有统一的网络地址分配方案
标准化的应用层协议，可以提供多种可靠的网络服务

应用层包含所有的高层协议

传输层负责在源主机和目的主机的应用程序间提供端-端的数据传输服务，使主机上的对等实体可以进行会话

互联层负责将报文独立地从源主机传送到目的主机，主要解决路由选择、拥塞控制和网络互连等问题

主机至网络层，负责将相邻高层提交的IP报文封装成适合在物理网络上传输的帧格式并传输，或将从物理网络接收到的帧解封，从中取出IP报文并提交给相邻高层。

两种网络参考模型比较：

相同之处：

二者都是基于独立的协议栈的概念；
二者都采取分层体系结构，而且各层的功能也大体相似。

相异之处：

OSI参考模型中清晰的定义了3个主要概念：服务、接口和协议，TCP/IP参考模型最初没有明确区分服务、接口和协议。
模型和协议的产生时间。
模型层数不同，某些层实现服务不同。

五层协议的体系结构：

数据发送过程：

六、网络发展历程

计算机网络发展历史：

1961-1972: 早期分组交换原则

1961:

Kleinrock – 排队理论显示了分组交换的有效性（ effectiveness）

1964:

Baran – 军队网络中的分组交换

1967:

ARPAnet ——由 Advanced Research Projects Agency构想

1969:

第一个 ARPAnet 节点运转

1972:

ARPAnet 发布 demo
NCP (Network Control Protocol) 第一个主机之间的协议
第一个 e-mail 程序
ARPAnet 有 15 个节点

1972-1980: 网络互连, 新的网络，专用网络

1970:

ALOHAnet satellite network in Hawaii

1974:

Cerf and Kahn - architecture for interconnecting networks

1976:

Ethernet at Xerox PARC

late70’s:

体系结构: DECnet, SNA, XNA

late 70’s:

交换固定长度分组 (ATM 雏形)

1979:

ARPAnet 有 200个节点

1980-1990: 新协议, 网络激增

1983:

部署 TCP/IP

1982:

定义smtp e-mail 协议

1983:

定义DNS 协议

1985:

定义ftp 协议

1988:

TCP 拥塞控制协议

新的国家网络: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel

100,000主机连入网络联盟（ confederation of networks）

1990, 2000’s: 商业化, Web, 新应用

early 1990’s:

ARPAnet 退役

1991:

NSF——出台NSFnet (1995退役)商业使用的条款

early 1990s:

Web
hypertext [Bush 1945, Nelson 1960’s]
HTML, HTTP: Berners-Lee

1994:

Mosaic, later Netscape

late 1990’s:

Web商业化

late 1990’s – 2000’s:

更多apps: instant messaging, P2P file sharing
网络安全问题越来越突出
至少 500000 主机, 1亿多用户
主干链路的速率达Gbps

计算机网络在我国的发展：

1980 年，铁道部开始进行计算机联网实验。

1989 年11 月，我国第一个公用分组交换网 CNPAC 建成运行。

1994 年 4 月 20 日，我国用 64 kbit/s 专线正式连入互联网，我国被国际上正式承认为接入互联网的国家。

1994 年 5 月，中国科学院高能物理研究所设立了我国的第一个万维网服务器。

1994 年 9 月中国公用计算机互联网 CHINANET 正式启动。

到目前为止，我国陆续建造了基于互联网技术的并能够和互联网互连的多个全国范围的公用计算机网络，其中规模最大的就是下面这五个：

(1) 中国电信互联网 CHINANET（也就是原来的中国公用计算机互联网）
(2) 中国联通互联网 UNINET
(3) 中国移动互联网 CMNET
(4) 中国教育和科研计算机网 CERNET
(5) 中国科学技术网 CSTNET

中国教育和科研计算机网 CERNET (China Education and Research NETwork) 始建于 1994 年，是我国第一个 IPv4 互联网主干网。

2004 年 2 月，我国的第一个下一代互联网 CNGI 的主干网 CERNET2 试验网正式开通，并提供服务。

中国互联网络信息中心 CNNIC (ChiNa Network Information Center) 每年两次公布我国互联网的发展情况。

标准的制定：

ITU-国际电信联盟：对国际电信进行标准化

ITU-T，10个研究组，通常400多人；标准化了X.509等

ISO-国际标准化组织->TC->子委员会（SC）->工作组(WG)

200多个委员会（TC）
某个领域需要国际标准时：组成一个WG，提出委员会草案（CD）
给所有成员审核（约6个月），如果绝大多数都同意形成国际标准草案
发给所有成员投票表决，根据结果，形成国际标准（IS）
在有较大争议的领域，可能需要几次修订才能获得通过票数，可能持续几年

NIST-国际标准和技术协会

美国商业部部门，颁发美国*采购强制执行的标准

IEEE：电气和电子工程师协会

David Clark形容internet标准：rough consensus and running code
IEEE的802委员会已经标准化了很多类型的局域网

IAB（Internet Activities Board）-Internet活动委员会：

保持ARPANET和Internet的研究人员大致朝同一个方向走

1989年，IAB两个附属组织：IRTF和IETF
1989年，改组为Internet研究任务组（IRTF） Internet工程任务组（IETF）；IAB 吸纳了更多新人，建立了Internet协会（Internet Society）

W3C-万维网联盟：

Web标准，Tim Berners-Lee领导

计算机网络的性能指标：

速率：

比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。
比特（bit）来源于 binary digit，意思是一个“二进制数字”，因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。
速率是计算机网络中最重要的一个性能指标，指的是数据的传送速率，它也称为数据率 (data rate)或比特率 (bit rate)。
速率的单位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s 等。
速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

带宽：

两种不同意义：

“带宽”(bandwidth) 本来是指信号具有的频带宽度，其单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。单位是 bit/s ，即 “比特每秒”。

在“带宽”的上述两种表述中，前者为频域称谓，而后者为时域称谓，其本质是相同的。也就是说，一条通信链路的“带宽”越宽，其所能传输的“最高数据率”也越高。

吞吐量：

吞吐量 (throughput) 表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

时延：

时延 (delay 或 latency) 是指数据（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。
有时也称为延迟或迟延。
网络中的时延由以下几个不同的部分组成：（发送时延、传播时延、处理时延、排队时延）

发送时延：

也称为传输时延。

发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。

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：

电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。

发送时延与传播时延有本质上的不同。

信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。

处理时延：

主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间。

排队时延：

分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延。

排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

容易产生的错误概念：

对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率。
提高链路带宽减小了数据的发送时延。

~~“在高速链路（或高带宽链路）上，比特会传送得更快些”。~~（这种说法是错误的！）

时延带宽积：

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

往返时间 RTT：

互联网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互的。因此，有时很需要知道双向交互一次所需的时间。
往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。
在互联网中，往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。
当使用卫星通信时，往返时间 RTT 相对较长，是很重要的一个性能指标。

利用率：

分为信道利用率和网络利用率。
信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。
网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。
信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

时延与网络利用率的关系：

根据排队论的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，则在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式表示 D 和 D0之间的关系：

其中：U 是网络的利用率，数值在 0 到 1 之间。

END... ...