计算网络-第一章

作者: Androis | 来源:发表于2017-03-26 15:14 被阅读0次

计算机在网络在信息时代中的作用

我们知道，21 世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化。它是一个「以网络为核心的信息时代」。

这里所说的网络是指「三网」，即电信网络、有线电视网络和计算机网络

计算机网络则可使用户能够迅速传送数据文件，以及从网络上查找并获取各种有用的资料

计算机网络想用户提供最重要的功能有两个，即：

连通性
共享（资源共享）

信息化 ------> 充分利用信息技术，开发利用信息资源，促进信息交流和知识共用

因特网概述

网络的网络

网络「network」由若干节点「node」和连接这些节点的链路「link」组成。网络和网络还可以通过路由器连接起来，这样就构成了覆盖范围更加更大的网络，即：互联网。因此互联网时「网络的网络（network of network）」。

大家把连接在因特网上的计算机称为「主机（host）」

网络

Interner

网络把许多计算机连接在一起，而因特网把许多网络连接在一起

因特网发展的三个阶段

单个网络 ARPANET 想互联网发展的过程：采用 TCP/IP 协议族作为通信规则
构建了三级结构的因特网：主干网、地区网和校园网（或企业网）
逐渐形成了多层次的 ISP 结构的因特网

ISP

随着因特网上网数据流量的急剧增长，人们开始研究如何更快速的转发分组，以及如何更加有效的利用网络资源。于是，因特网交换点 IXP(Internet eExchange Point) 就应运而生了

IXP

ISP：因特网服务提供商。根据覆盖范围以及拥有 IP 地址数目不同，分为：主干ISP、地区ISP和本地ISP

internet：通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络

Internet：专有名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，采用 TCP/IP协议族作为通信规则，且前身是美国的 ARPANET

因特网的标准化工作

1992 年由于因特网不再归于美国政府管辖，因此成立了一个国际性组织叫做因特网协会（Internet Society，简称 ISOC），以便对因特网进行管理以及在世界范围内促进其发展和使用。

ISOC 下面由一个技术组织叫做因特网网体系结构委员会 IAB（Internet Acrchitecture Board），负责管理因特网有关协议的开发。 IAB 下又设有两个工程部

因特网工程部 IETF（Internet Engineering Task Force）: 研究某一特定的短期和中期的工程问题
因特网研究部 IRTF（Internet Research Task Force）: 研究和探索一些长期需要考虑的问题

制定因特网的正式标准需要经过以下的四个阶段：

因特网草案（Internet Draft） ------> 在这个阶段还不是 RFC 文档
建议标准（Proposed Standard） ------> 从这个阶段开始就成为 RFC 文档
草案标准（Darft Standart）
因特网标准（Internet Standard）

RFC

RFC 官网

因特网的组成

边缘部分：由所有连接在因特网上的主机组成。这部分时「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。这部分时「为边缘部分提供服务的」

Compostion

因特网的边缘部分

「主机A 的某个进程和主机B 上的另一个进程进行通信」，简称为「计算机之间的通信」

客户-服务器方式（C/S）------> 客户A 向服务器B 发出请求服务，而服务器B 向客户A 提供服务。「客户是服务请求方，服务器时服务提供方」

对等连接方式（P2P）------> 两个主机在通信时并不区分哪一个时服务请求方还是服务提供方。只要两个主机运行了对等连接软件，他们就可以进行平等的、对等连接通信。「P2P文件共享」

因特网的核心部分

在网络核心部分其特殊作用的是「路由器(router)」，它是一种专用计算机（但不是主机）。路由器时实现「分组交换(packet switching) -- 存储转发」的关键构件，其任务是转发收到的分组。

电路交换的特点

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）三个步骤的交换方式称为电路交换。

电路交换的特点就是：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

电路交换的传输效率往往很低，因为计算机数据时突发式地出现在传输线路上的，因此线路商真正用来传送数据的时间往往不到 10%

分组交换的主要特点

分组交换采用「储存转发」技术。通常我们把要发送的整块数据称为一个「报文(message)」。在发送报文之前，先把较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段，在数据段前面加上一些必要的控制信息组成的「首部(header)」后，就构成了一个「分组(packet)」。

packet

路由器处理分组的过程是：

把收到的分组先放入「缓存」，暂时储存起来
查找「转发表」，找出到某个目的地址应从哪个端口转发
把分组送到适当的「端口」转发出去

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，对通信链路是逐段占用
灵活	为每一个分组独立地选择转发路由
迅速	以分组为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
可靠	保证可靠的网络协议，分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性

三种交换方式在数据传输阶段的主要特点：

交换	内容
电路交换	整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道传送
报文交换	整个报文先传送到相邻节点，全部储存下来后查找转发表，转发到下一个节点
分组交换	单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻节点，储存下来后查找转发表，转发到下一个节点

计算机网络的类别

几种不同类别的网络

按网络的作用范围划分：

广域网 WAN (Wide Area NetWork)
城域网 MAN (Metropolitan Area NetWork)
局域网 LAN (Local Area NetWork)
个人局域网 PAN (Personal Area NetWork)

按网络的使用者进行分类：

公用网 (public network)
专用网 (private network)

用于把公用网接入到专用网的网路为「虚拟网 (Virual private network)」

计算机网络的性能

速率
带宽：信号具有的频带宽度
吞吐量
时延：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延
时延带宽积：传播时延 X 带宽
往返时间 RTT (Round-Trip Time)
利用率

计算机网络体系结构

计算机网络是个非常复杂的系统。可以设想一个最简单的情况：连接在网络上的两台计算机要互相传送文件。

显然，在这两台计算机之间必须有一条传送数据的通路。还有以下机箱工作需要完成：

发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活
要告诉网络如何识别接受数据的计算机
发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已开机，并且与网络连接正常
发起通信的计算机应用程序必须弄清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好接受文件和储存文件的准备工作
若计算机的文件格式不见荣，则至少其中的一台计算机应完成格式转换功能
对出现的各种差错和意外事故应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够收到正确的文件

1974 年，美国的 IBM 公司宣布了「系统网络体系架构 SNA (System Network Architecture)」

1977 年成立了专门的机构研究，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，即开放系统互连基本参考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Rerference Model)，简称 OSI

OSI 试图达到一种理想境界，即全世界的计算机网络都遵循这个统一的标准，因而全世界的计算机将能够很方便地进行互连和交换数据。然后 OSI 只获得了一些理论研究的成果。

得到最广泛应用的不是法律上的国际标准 OSI，而是非国际标准「TCP/IP」。因此， TCP/IP 被称为是：事实上的国际标准

协议与划分层次

网络协议也可以简称为协议。由以下三个要素组成：

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，完成何种动作以及作出何种响应
同步：事件实现顺序的详细说明

协议层次的举例

protocal

分层可以带来很多好处：

各层之间是独立的
灵活性好
结构上可分割开
易于实现和维护
能促进标准化工作

具有五层协议的体系结构

TCP/IP

应用层 (Application Layer)

应用层是体系结构中的最高层。应用层的任务是「通过应用进程之间的交互来玩策划能够特定网络应用」。应用层协议定义的使「应用进程间通信和交互的规则」。如 HTTP协议、SMTP协议、FTP协议。我们将应用层交互的数据单元称为报文 (message)

运输层 (Transport Layer)

运输层的任务是负责向「两个主机进程之间的通信提供通用的数据传输服务」。由于一个和足迹可同时运行多个进程，因此运输层有复用和分用的功能。

复用就是多个应用进程可同时使用下面传输层的服务，分用与复用相反，使运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程

应用层主要使用以下两种协议：

传输控制协议 TCP (Transmssion Control Protocal)：提供面向连接的的、可靠的数据传输服务，其数据传输单位是「报文段 (segment)」
用户数据控制协议 UDP (User Datagram Protocal)：提供无连接的、进最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），其数据单位是用户数据报

网络层 (Network Layer)

网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成「分组」或「包 (packet)」进行传送。在 TCP/IP 体系中，由于网络层使用 IP 协议，因此分组也叫作「IP 数据段」，或简称为「数据段 (datagram)」

数据链路层 (Data Link Layer)

数据链路层简称为「链路层」。在相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的 IP数据报组装成「帧 (framing)」，在两个相邻结点间的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息

物理层 (Physical Layer)

在物理层上所传送的数据的单位是「比特」。物理层要考虑用多大的电压代表“1” 或“0”，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。

transmission

OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的「协议数据单元 PDU (Protocal Data Unit)」

传递信息所利用的一些物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，并不在物理层协议之内而是在物理层协议的下面

因为几个层次话在一起很像一个「栈 (stack)」的结构，因此这种层次又称为「协议栈 (Protocal Stack)」

实体、协议、服务和服务访问点

当研究开放系统中的信息交换时，往往使用「实体 (entity)」这一抽象的名词表示「任何可以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，还需要下一层所提供的服务

在同一系统相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方，通常称为「服务访问点 SAP (Serverice Acess Point)」.OSI 把层与层之间交换的数据的单位称为「服务数据单元 SDU (Service Data Unit)」。

计算机网络的协议还有一个重要的特点，就是协议必须把所有不利的条件实现都估计到，而「不能假定一切都是正常的和非常理想的」

协议是“水平”的，服务是“垂直的”。服务是下层向上层通过层间接口提供的。

TCP/IP 的体系结构

TCP/IP Archtiteture

路由器在转发分组的时候最高只用到网络层而没有使用运输层和应用层

ipOver

TCP/IP协议可以为各式各样的应用提供服务（所谓的 everthing over IP），同时 TCP/IP协议也允许 IP协议在各式各样的网络构成的互连网上运行（所谓的 IP over everthing）