计算机网络学习笔记（概论）
整理一下计算机网络学习笔记（概论篇）
互联网概述
计算机网络由若干节点和连接这些节点的链路组成。
互连网：由多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络，互连网也被称为“网络的网络”
互联网基础结构发展的三个阶段
第一阶段：从单个网络ARPANET向互连网发展的过程。
internet（互连网）泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络 Internet（互联网）指的是当前全球最大的开放的由众多网络相互连接形成的特定互连网
第二阶段：建成了三级结构的互联网（主干网、地区网、校园网）
第三阶段：形成了全球范围多层次ISP结构的互联网
互联网服务提供者ISP可以从互联网管理机构中申请到很多IP地址，同时拥有通信线路以及路由器等连网设备。任何机构和个人只要向某个ISP缴纳规定的费用，就可以从该ISP获取所需IP地址的租用权，并可通过该ISP接入互联网。
互联网交换点IXP的主要作用就是允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要通过第三个网络来转发分组。
互联网的组成
从工作方式来看，可以划分为一下两大块：
- 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享。
- 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。
互联网的边缘部分
处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。这些主机又被称为端系统。其中，大的端系统通常被称为服务器
端系统之间的通信方式：客户-服务器方式、对等方式
客户-服务器方式是在互联网上最常用的，也是最传统的方式。客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用进程。其最主要的特征就是：客户是服务请求方，服务器是服务提供方
对等连接方式P2P是指两台主机在通信时候，并不区分哪一个是服务请求方和哪一个是服务提供方。只要两台主机都运行了对等连接软件，他们就可以以平等的对等通信进行连接。
互联网的核心部分
在网络核心部分起到特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机，它是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组。
电路交换
在使用电路交换打电话之前，必须先拨号请求建立连接。当被叫用户听到交换机送来的信息后并摘机后，从主叫端到被叫端就建立了一条连接，也就是一条专用的物理连接。这条连接保证了双方通话时所需要的通信资源。通话完毕挂机后，交换机释放刚才使用的这条专用的物理链路。其必须经过：建立连接（占用通信资源）、通话（一直占用通信资源）、释放连接（归还通信资源）。
电路交换的一个重要特点就是：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。因此当使用电路交换来传送计算机数据时候，线路的传输效率往往很低。
分组交换
分组交换采用存储转发技术。在发送报文之前，先把一个较长的报文划分成一个个更小的等长数据段。然后在每个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部，就构成了一个分组。
在分组交换中，各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息，以便创建和动态维护路由器中的转发表，使得转发表能够在整个网络拓扑发生变化的时候及时更新。
分组转发的优点：
| 优点 | 所采用的手段 |
|---|---|
| 高效 | 在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用 |
| 灵活 | 为每一个分组独立地选择一个最合适的转发路由 |
| 迅速 | 以分组作为传送单位，不先建立连接就能向其他主机发送分组 |
| 可靠 | 保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性 |
三种交换的比较
- 电路交换：整个报文的比特流连续地从源头直达终点，好像在一个管道中传送。
- 报文交换：整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。
- 分组交换：作为报文一部分的单个分组传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。
计算机网络的类别
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的目的。这些可编程的硬件能够用来传送多重不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
不同类别的计算机网络
按照网络的作用范围分类
- 广域网WAN：广域网是互联网的核心部分，其任务是长距离运送主机发送的数据。
- 城域网MAN：城域网的作用范围一般是一个城市，课跨越几个街区甚至是整个城市。它可以为一个活着几个单位拥有，也可以是一种公用设施，用来讲多个局域网互连。
- 局域网LAN：局域网一般用微型计算机或者工作站通过高速通信线路相连，地理上局限在一个比较小的范围。
- 个人区域网PAN：它是在个人工作的地方将属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络，范围很小。
按照网络使用者分类
- 公共网：这是指电信公司出资建造的大型网络，“公用”的意思就是所有愿意按照电信公司的规定交纳费用的人都可以使用这种网络。
- 专用网：这是某个部门为了满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络，这种网络不向本单位以外的人提供服务。
用来把用户接入到互联网的网络
这种网络就是接入网AN，它又称为本地接入网或者居民接入网。接入网实际上就是本地ISP拥有的网络，它既不是互联网的核心部分，也不是互联网的边缘部分。它由某个端系统连接到本地ISP的第一个路由器（边缘路由器）之间的一些物理链路所组成。
计算机网络的性能指标
速率
指的是数据的传送速率，也称为数据率或者比特率。单位是bit/s。
当提到网络速率的时候，往往指的是额定速率或者标称速率，并非网络实际上运行的速率。
带宽
在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传输数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内网络中某个信道所能通过的最高数据率。单位也是bit/s。
吞吐量
表示在单位时间内通过某个网络的实际数据量。它受到网络带宽或者网络额定速率的限制。
时延
时延是指数据从网络的一端到达另一端所需要的时间。
它的组成部分：
- 发送时延：主机或者路由器发送数据帧所需要的时间 \[发送时延 = \frac{数据帧长度}{发送速率}\]
- 传播时延：电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间。1000km长的光纤线路产生的传播时延大约为5ms
- 处理实验
- 排队时延：分组进入路由器后要现在输入队列中排队等待处理
\[总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延\]
时延带宽积BOP
\[BOP = 传播时延\times 带宽\]
它表示链路可以容纳多少个比特。
往返时间RTT
\[有效数据率=\frac{数据长度}{发送时间+RTT}\]
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
- 网络利用率：全网络的信道的加权平均值
\[D=\frac{D_0}{1-U}\]
其中\(D_0\)表示网络空闲时候的时延，\(D\)表示网络当前的时延，\(U\)是网络利用率。信道利用率或者网络利用率过高就会产生非常大的时延。
计算机网络体系结构
在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定的规则。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标注或者约定称为网络协议。
网络协议由以下三个要素组成：
- 语法：数据与控制信息的结构或者格式
- 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
对于复杂的计算机网络协议，其结构应该是层次式的。好处在于：
- 各层之间是独立的
- 灵活性好
- 结构上可以分隔开
- 易于实现和维护
- 能够促进标准化工作
通常各层要完成的功能主要有一下：
- 差错控制
- 流量控制
- 分段和重装
- 复用和分用
- 连接建立和释放
计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构。体系结构是抽象的，实现是具体的，是真正运行的计算机硬件和软件。
具有五层协议的体系结构
体系结构自上而下分为应用层、运输层、网络层、数据链路层、物理层