教材用的是谢希仁的教材，图片来源于谢希仁老师配套的PPT

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计算机网络的定义及其特点

• 定义

  • 网络

    • 过去大众熟知的三种网络分别是提供电话、电报及传真等服务的电信网络；传输电视节目的有限电视网络；在计算机之间传送数据文件的计算机网络。其中，发展最快并起到核心作用的是计算机网络,随着科技发展，逐渐有了电信网络和有线电视网络向计算机网络融合的“三网融合”的趋势

  • 计算机网络的定义（这只是一种较好的定义，目前精确定义尚未统计）：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互联而成，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。重点：多种硬件（如计算机，手机，传感器），多种应用（包括：数据，语音，视频和未来可能出现的各种应用）

• 特点

  • 连通性：上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机是彼此直接联通一样

  • 共享（资源共享）：包括信息共享、软件共享、也可以是硬件共享。

• 计算机网络示意图：

• 计算机网络的其他分类

  • 按照网络的作用范围，计算机网络还可以分为：广域网WAN,城域网MAN，局域网lLAN，个人局域网PAN

  • 按照网络的使用者分类，可以分为公用网（按规交费的人都可以使用的网络），专用网（为特殊业务工作的需要而建造的网络。

  • 还有一种网络AN——专门负责把用户接入互联网的网络

互联网概述

• 互联网概念

  • 互联网定义：特指Internert，是由数量极大的各种计算机网络互联起来形成的网络。它采用TCP/IP协议族作为通信规则，是一个覆盖全球、实现全球范围内连通性和资源共享的计算机网络。 (注意这里的I是大写的,表示专有名词互联网，小写的internet则是通用名词，泛指计算机网络，因为除了TCP/IP协议以外，还可以使用其他协议，这些计算机网络，不是互联网Internal，而是internal）

  • 万维网（World Wide Web, 简称WWW)：一种基于互联网的信息浏览和检索系统。万维网由一系列相互关联的页面组成，这些页面通过超链接相互连接。每个页面可以包含文本、图片、音频、视频和其他多种媒体元素、用户可以通过浏览器访问网页，并通过单击超链接来跳转到其他网页。 万维网与互联网的辨析：万维网的基础是互联网，但这两者并不是一个概念。万联网只是互联网上的一种信息系统，许多的互联网程序如电子邮件，FTP等在互联网上运行，但并不属于万维网。简单来说，万维网就是一个由网页构成的大型信息库。

• 互联网基础结构发展的三个阶段

  • 第一阶段：从单个网络ARAPNET（互联网前身）想互联网发展的阶段；第二阶段是建成三阶结构的互联网（分为主干网，地区网和校园网）；第三阶段是逐渐形成多层次ISP结构的互联网。 ISP（Internal Service Provider）互联网服务提供者的英文简称，作用是提供用户接入互联网所需个基础设施和服务。例如中国的三大运营商移动，联通，电信就是ISP。根据提供服务的覆盖面积，和拥有的IP地址数目不同，ISP可以分为：主干ISP，地区ISP和本地ISP

• 互联网的标准化工作

  • 互联网的标准化工作对互联网的发展起到了非常重要的作用。 它确保不同系统和设备之间能够相互通信和交换数据，确保互联网的互联互通；推动新技术的研发和应用，同时帮助建立起了公正、透明和可持续的互联网生态系统。 所有的互联网标准都以RFC的形式在互联网上发表。RFC是一种文档格式，用于描述互联网相关的协议、技术规范、方法论和最佳实践等。RFC最初由互联网工程任务组（IETF）制定，它被用来记录和发布互联网标准、协议和相关信息。 RFC的发表是一个开放的工程，任何人都可以在其起草和讨论的过程中参与和提供反馈。通过RFC，互联网标准得以公开、透明地记录和传播，从而促进了全球范围内互联网技术的共识和应用。

互联网的组成

• 从工作方式看，互联网可以分成两部分：边缘部分和核心部分。 边缘部分指的是所有连接在互联网的主机。核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成，负责为边缘部分提供服务（如信息数据的传输和交换）

• 端系统之间的通信

  • 互联网的边缘部分上的主机，也被称为端系统。 当我们在说“主机A和主机B进行通信”其实实在说“主机A上的某个进程和主机B上的另一个进程之间进行通信” 端系统之间的通信方式可以分为两类：客户-服务器方式，对等方式（P2P方式）

    • 客户-服务器方式，描述的是进程之间服务与被服务的关系。客户是服务请求方，服务器是服务提供方。一种典型的工作方式就是：客户A想服务器发出服务请求，服务器想客户A提供服务。

      • 客户软件在打算通信时是主动的想服务器发起通信，因此，客户程序必须知道服务器程序的地址；而服务器则自系统启动以后就一直不断地运行着，被动等待并接受客户的通信请求，因此服务器程序并不需要知道客户程序的地址。

    • 对等连接方式（peer to peer），只要两个主机都运行了对等连接软件，它们就可以进行平等的、对等的连接通信，双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。一种典型的p2p方式就是：下载种子。 对等连接方式本质上看还是客户-服务器方式，只不过每一个主机既可以是客户又可以是服务器。

• 互联网的核心部分

  • 网络核心部分起特殊作用的是路由器。路由器是实现分组交换的关键构件，它的任务是转发收到的分组。 这里有两个关键词：转发和分组。 所谓转发，指的是路由器等网络设备根据目标地址将数据包从一个接口转发到另一个接口的过程。 而所谓交换，指的是在网络中进行数据包传输和路由决策的过程。交换可以分为：电路交换，分组交换和报文交换（这种现在已经很少使用了）。

    • 电路交换的特征：两两相连。当电话数量很多的时候，会采用交换机来完成交换任务——每一部电话直接连接到交换机上，让交换机来完成交换的任务。 一般来说，电路交换分为三个阶段： 1.建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用；         2.通信：主叫和被叫双发互通电话         3.释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路

      • 电路交换的特点——突发性（这导致通信线路的利用率很低）

    • 分组交换的特征：在发送前就把报文划分成许多固定长度的较短的数据段，然后在数据段前面添加分组构成“分组”（分组交换网中的数据传输单元）。 首部中含有地址（目的地址和源地址）等控制信息，交换机根据这些信息，把分组转发到下一个结点交换机。具体的处理过程是：1.先把收到的分组放入缓存；2.查找转发表，根据目的地址决定从哪个端口转发；3.把分组等到对应的端口转发出去 注意：每个分组在互联网中都是独立地选择传输路径。

      • 分组交换可以动态地分配带宽，具有灵活高效的特点同时它可以不事先建立连接，节省时间。但是分组必须携带的首部会造成一定的开销

    • 从通信资源的角度来看，“交换就是按照某种方式动态分配传输线路的资源。

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计算机网络的性能指标

• 速率：数据的传送速率，单位是bit/s 也有一种写法是bps。（更大的单位还有kbit/s,Mbit/s,Gbit/s)

• 带宽:单位事件内网络某信道所能通过的最高“数据率”，象征网络中某通道传送数据的能力。如果把数据的传输比作一条河流，速率就是河的流速，带宽就是河的宽度。

• 吞吐率：单位时间内通过某个网络的数据量。类比理解就是河流的流量

• 时延：数据从网络的一段到另一端所需的事件。网络中的时延包括：发送时延，传输时延，处理时延，排队时延

  • 发送时延：从发送数据帧的第一个比特算起到该镇的最后一个比特发送完毕所需的时间。

  • 传输时延：电磁波在信道上传播所需的时间。这个概念需要与发送时延区分清楚。比如说：你有一个很大的快递盒要拿到楼下去丢，你整个人和盒子完全的走出门口的这段时间，叫做发送时延。从门口走到楼下垃圾桶的这段时间算传播时延。

  • 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）所花费的事件

  • 排队时延：分组在路由器中输入输出队列中排队等待是所经历的时延。（排队时延的长短取决于网络当时的通信量，这也是为什么人多的时候，网就容易卡）

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• 往返时间RTT：从发送发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。

• 利用率分为信道利用率的网络利用率。信道利用率并不是越大越好，当利用率增大到一定程度是，该信道的时延也会迅速增加

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计算机网络的体系结构

• 协议与划分层次

  • 计算机网络的相互通信是一个相当复杂的工作，所谓“分层”就是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相较于原来的大问题比较容易研究和处理。 所谓“协议”就是网络为进行数据交换而建立的规则、标准或约定。协议可以从语言的角度理解，语言就是为了进行信息交互而建立的一套规则。协议有“语法”：数据和控制信息的结构或格式；“语义”：需要做出何种控制，完成何种动作；“同步”事件实现顺序的说明。就像上面所说，对于非常负责的计算机网络协议，它的结构是层次式的，具有多个不同层的协议。

• 具有5层协议的体系结构

  • 为了使不同体系结构的计算机网络计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO成绩提出一个7层协议的体系结构，但是这个体系结构又复杂有不适用，并没有被人们采用。反而非国际标准的TCP/IP协议得到了广泛的应用，成为事实上的国际标准。又因为TCP/IP的体系结构在网络接口层没有具体的内容，在实际中采取折中的方式，综合OSI和TCP/IP的优点，采用5层协议的体系结构（即将网络结构层划分为：数据链路层和物理层）

  • 这是一个古老的介绍5层协议的例子，但他十分简单易懂：当你写一封信寄给某一个人时，从把信交给办公室负责寄信的负责人，然后让他帮你写上地址。在电脑中，应用层将数据交给运输层，运输层加上运输层首部形成“运输层报文，然后交给网络层。寄信的人交给快递员的这个过程，在计算机网络就是运输层报文在传送给网络层，加上网络层首部，成为IP数据包（分组）进行传输。之后就是运送信件的工作就是数据链路层和物理层在做的工作，送到目标地点以后，就是快递员交给寄信专员，专员再转交给你；这与接收端，数据从物理层到数据链路层，网络层，运输层最后到应用层的顺序是一致的。 在这个过程中，每一层加入的首部，就相当于每一层加上的地址。寄信专员加上你们办公室的地址，快递员加上你们街道所在的地址，邮局加上你们所在市的地址类似这样。接收端，每到一层，就核对各自的首部信息是否正确。

• 实体、协议、服务和服务访问点等概念

  • 在进行收发通信的过程中，两个同样的层次被称为“对等层”

  • PUD（协议数据单元）：对层层次之间传送的数据单元。

  • 实体：可发送和接收信息的硬件或软件进程。

  • 协议与服务的概念：

  • 服务访问点SAP：同一系统相邻两层的实体进行交互的地方。层与层之间交换数据的单位是：SDU（服务数据单元）一个SDU可以分成多个PDU，多个SDU也可以合成一个PDU