计算机网络笔记整理（一）

初识Internet

什么是网络

想要学习计算机网络，要先认识什么是网络。广义上的网络不单单是指我们日常生活中的互联网。在数学中，网络的定义是一种用于描述关联关系的图（特指加权图）。网络还有一种物理含义，是从某种相同类型的实际问题中抽象出来的模型。 例如，下面的这些也叫网络：

                                         ( 地铁线路图、人际关系网、御坂网络 )

依据这些网络的特性，我们可以给出“网络”这一概念的定义：网络是由节点和边组成的，描述事物相关联性的网状模型。

计算机网络和互联网

计算机网络，顾名思义，就是由一些相互连接的、以共享资源为目的的、自治的计算机的集合。按照网络的定义，计算机网络是由下列要素组成的：

1. 主机节点：连接到计算机网络的计算机或其它设备。（如：PC、服务器、IoT设备等）
2. 交换节点：在计算机网络中负责转发数据的网络设备。（如：交换机、路由器、防火墙、AP等）
3. 链路（边）：将主机节点与交换节点连接的物理媒介。（如：双绞线、光纤、无线电等）
4. 协议：计算机间通信需要的规则集合。（如：TCP/IP协议簇、IPSec、UDP、OSPF等）

两种不同类型的链路：
1.接入网链路：主机节点连接到网络的链路。
2.主干链路：网络中路由器间相互转发数据的链路。
协议三要素：语法、语义和时序。
3.网络之中还有网络，不同网络互相连接是计算机网络的特征之一。

互联网（Internet），是指现今国际间数十亿个网络与网络互连而形成的一个庞大而复杂的计算机网络。除了Internet，还有intranet（企业内网）、军用网络、铁路网络等不同的计算机网络。

互联网的发展史

1969年

1957年，苏联发射第一颗人造卫星“伴侣号”。作为回应，美国于1969年成功组建了第一个计算机网络——军用网络ARPAnet。

1972年-1980年

从1970年开始，加入ARPAnet的节点不断增加，由于不同的接入网络间没有统一的标准，美国开始研究不同网络间的互联问题。在这个时期，Cerf and Kahn 网络互联原则被提出，为Internet的诞生和发展奠定了基石。

1980年-1990年

1983年1月1日，由于连入用户过多，传统的NCP协议无法满足需求，ARPAnet的主要网络协议由NCP换成了TCP/IP协议簇，同时ARPAnet分裂为民用网络和MILNET军用网络，SMTP、DNS、FTP协议纷纷诞生，新建立的NSFNET逐渐取代ARPAnet。

1990年-21世纪初

在这个时期，HTML语言与HTTP协议诞生，出现了Web页面。网络逐渐转为商业化。1990年，ARPAnet正式停止维护，Internet诞生。

2005年-至今

步入21世纪，Internet已经连入了数十亿台主机。宽带、4G、5G、光纤到户取代了传统的电话网接入。在线社交网络、云服务、人工智能技术和物联网蓬勃发展。Internet已经成为人类生活不可缺失的一部分。

计算机网络的分类

按覆盖范围分

个域网（PAN）：能在便携性智能设备与通讯设备间进行短距离通信的网络，覆盖范围<=10米。

• 蓝牙网络
• 红外线

局域网（LAN）：区域网络，覆盖范围为几千米内。

• 家庭WiFi和有线接入网
• 园区网

城域网（MAN）：城市内网络

• 城市大脑（红绿灯）
• 区域接入网

广域网（WAN）：连接一个国家甚至几个大洲的网络，覆盖范围几千公里。

• Internet
• 中国电信、移动、联通
• 中国教育和科研计算机网（CERNET）
• 军用网络

按通信方式分

1.电路交换网（传统电话网）

电路交换网：端到端的资源被分配给从源端口到目标端口的呼叫。当电话拨通时，会使用频分、时分或码分方式来为呼叫分配一条线路（使用部分带宽），这条线路叫Piece，用户的语音数据就在专用线路中传输。当线路被分配时，不会有其它用户来抢占线路。一般适用于传统电话网。

2.分组交换网

分组交换网：将数据分割为一个个小数据包（分组），使用先存储后转发的方式，在链路中传输，传输时使用全部带宽，分组每次移动一跳（hop），不需要分配Piece。

3.优缺点

• 分组交换网适合突发性情况，常用于计算机网络中，但会有较长延迟。
• 电路交换网适合需要专用可靠连接、对突发性能要求不高的情况，常用于传统电话网中，但资源分配有限，如果呼叫建立后不传输则会浪费资源。（你想想别人到你店门口排队但啥也不买你是啥感觉）

互联网的组成

互联网结构：网络边缘、网络核心、接入网。

网络边缘

互联网的边缘部分（网络边缘）是由所有连接在互联网上的主机共同组成的，这些主机又被称为端系统。由于它们处于互联网的最边缘部分，所以叫网络边缘。

例如：家庭网络、公司网络、电信基站无线网，都属于网络边缘。
端系统一般运行电子商务、移动支付、网站等诸多互联网服务。

问：“主机”和“端系统”有区别吗？
答：主机指一台机器，端系统的范围更加广泛。不过它们在计算机网络中的意思一样。

网络边缘的通信方式

C/S通信方式
C/S通信方式，即客户端/服务器通信方式，通信过程为客户机向服务器发送请求，服务器接收到数据后返回响应的通信方式。

Peer to Peer（对等）通信方式
此通信方式用于分布式网络中。每个节点既是客户机又是服务器，都可以接收和转发信息。通信效率和资源随节点增加而增加。（例如：迅雷下载、御坂网络 ）

网络核心

网络核心是路由器与路由器之间相互进行转发的网络。

路由器如何转发数据？

每台路由器都会维护一张路由表，路由表中记录着相邻网络的地址和出接口。当路由器收到一个分组时，路由器会根据分组头部的目标地址，调用路由选择算法计算该将此分组往哪里转发，随后根据路由表相邻网段对应的出接口将其转发走。

下面是一张路由表：

IPv4 路由表
===========================================================================
活动路由:
网络目标        网络掩码          网关       接口   跃点数
          0.0.0.0          0.0.0.0      192.168.2.1      192.168.2.3     35
        127.0.0.0        255.0.0.0            在链路上         127.0.0.1    331
        127.0.0.1  255.255.255.255            在链路上         127.0.0.1    331
  127.255.255.255  255.255.255.255            在链路上         127.0.0.1    331
      192.168.2.0    255.255.255.0            在链路上       192.168.2.3    291
      192.168.2.3  255.255.255.255            在链路上       192.168.2.3    291
    192.168.2.255  255.255.255.255            在链路上       192.168.2.3    291
     192.168.20.0    255.255.255.0            在链路上      192.168.20.1    291
     192.168.20.1  255.255.255.255            在链路上      192.168.20.1    291
   192.168.20.255  255.255.255.255            在链路上      192.168.20.1    291
     192.168.56.0    255.255.255.0            在链路上      192.168.56.1    330
     192.168.56.1  255.255.255.255            在链路上      192.168.56.1    330
   192.168.56.255  255.255.255.255            在链路上      192.168.56.1    330
     192.168.98.0    255.255.255.0            在链路上      192.168.98.1    291
     192.168.98.1  255.255.255.255            在链路上      192.168.98.1    291
   192.168.98.255  255.255.255.255            在链路上      192.168.98.1    291
        224.0.0.0        240.0.0.0            在链路上         127.0.0.1    331
        224.0.0.0        240.0.0.0            在链路上      192.168.98.1    291
        224.0.0.0        240.0.0.0            在链路上      192.168.20.1    291
        224.0.0.0        240.0.0.0            在链路上       192.168.2.3    291
        224.0.0.0        240.0.0.0            在链路上      192.168.56.1    330
  255.255.255.255  255.255.255.255            在链路上         127.0.0.1    331
  255.255.255.255  255.255.255.255            在链路上      192.168.98.1    291
  255.255.255.255  255.255.255.255            在链路上      192.168.20.1    291
  255.255.255.255  255.255.255.255            在链路上       192.168.2.3    291
  255.255.255.255  255.255.255.255            在链路上      192.168.56.1    330
===========================================================================
永久路由:
  无

传统路由和SDN网络

传统的路由器仅仅支持存储——转发功能。
SDN（软件定义网络）路由器分为控制平面和数据平面，支持更多网络应用管理路由器，提供了更多的功能。（如：FTP等）

控制平面：运行网络应用对路由器进行管理。
数据平面：对数据进行转发等多种操作。

接入网

接入网指将主机与互联网连接的网络。

住宅接入（modem）

将上网信号（0和1）使用调制解调器调为音频信号，以56Kbps在电话网中传输。不能同时上网和打电话。

DSL

将电话数据和上网数据放在不同的频段中传输。
上行速度：2.5Mbps，下行速度：24Mbps

线缆网络

将有线电视网双向改造，其原理与DSL网络相同。
上行速度：2Mbps，下行速度：30Mbps
所有用户共享接入网。

家庭网络和企业网络

通过双绞线、光纤和路由器接入ISP。

无线接入网

使用无线电（WiFi、LTE等）接入ISP。

网络延迟

分组延迟：分组到达路由器的速度大于路由器的转发速度时，分组会在路由器节点排队等待，如果路由器缓冲区被用完则分组被丢弃。

Bit（比特）：计算机最小的数据单位。

四种延迟

分组延迟时间由四种延迟时间组成：处理延时、排队延时、传输延时、传播延时。

1.处理延时

当分组到达路由器时，路由器需要检查Bit级差错、分组首部，并决定将分组转发至何处。这些操作花费的时间叫做处理延时。

2.排队延时

分组在路由器节点排队等待的时间称为排队延时。它和流量强度有关。

流量强度：描述路由器拥塞程度的值，在0和1之间。
计算公式：分组长度*分组到达速率/链路带宽。
在相同条件下，流量强度越高，延时越大。当值大于1时，延时无穷大，路由器无法正常工作。

如果分组周期性到达，那么到达一个就转发走一个，排队延时为0。
如果突然到达多个分组，那么第一个分组立刻被转走，往后分组的排队延时为：（分组序号-1）*分组长度/链路带宽。

3.传输延时

传输延时指路由器将分组传送到链路上的时间。
计算公式：分组长度/链路带宽

4.传播延时

传播延时指分组在物理链路上传输的时间。
计算公式：时间=路程/速度（小学数学）

链路带宽

链路带宽指单位时间内传输的字节数。
单位：
1Gbps=1024Mbps，1Mbps=1024Kbps

TraceRoute程序检测延时

在Windows操作系统中，执行如下命令即可测试本机与目标站点的延迟：

tracert webstatic.mihoyo.com

在Linux操作系统中，该程序为traceroute：

traceroute webstatic.mihoyo.com

网络层次

什么是网络分层？

网络分层，指将网络复杂的功能划分为多个层级，每一层实现一组功能。（上层服务依赖本层实现的功能，同时本层实现的功能依赖下层服务）不同主机的同一层协议实体相互交互执行本层协议动作。

服务与服务访问点

服务，指低层实体向上层实体提供两层之间通信的能力。
原语，一般指若干条指令组成的程序段，用于控制计算机进程。
服务访问点，一个层次系统中上下层进行通信的逻辑接口。

在计算机网络的分层通信中，高层工作需要使用低层的服务，低层服务的工作由原语（程序段）控制。高层向低层传输数据需要穿过低层的服务访问点（接口）。

不同类型的服务：面向连接的服务和无连接的服务。

连接：两个通信实体为了通信而建立的一种集合。

面向连接的服务（可靠）在通信时要建立一条通信线路（有建立连接、维护、拆除三个过程），无连接的服务（不可靠）通信时不需要建立连接，不预留资源，不需要通信双方活跃，不需要检查差错和拥塞控制。

层间数据通信流程

IDU：接口数据单元
ICI：接口控制信息
SDU：服务数据单元
PDU：协议数据单元
SAP：服务接入点

在进行层间通信时，上层首先将ICI和SDU（主要数据）封装为IDU，随后通过接口上的SAP传输至下层，下层将ICI和SDU分开，将SDU加上头部后往更下层传输。

TCP/IP五层模型

物理层：为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性。（将介质上传输的电信号和机器码相互转换）
数据链路层：提供相邻两个节点之间端到端的连接，将机器码和帧相互转换。
网络层：为数据报从源到目的选择路由，实现主机到主机的通信。（但不可靠）
传输层：在网络层主机到主机通信的基础上，将通信细分至进程到进程。（可靠）
应用层：一些应用程序，通过传输层提供的数据实现应用功能。

封装和解封装的过程（一图看懂）

ISP服务网结构

ISP（Internet Service Provider），互联网服务提供商，向广大用户综合提供互联网接入业务、信息业务、和增值业务的电信运营商。

随着互联网的发展，网络中的接入点多搭数十亿，如何将其进行互联是一个问题。如果将所有接入点一对一连接起来，且不论边缘网络设备有没有这么多接口，资费、生产资源、布线空间都是问题。（达咩！）

于是有人提出了如下设想：将一部分地理区域内的接入设备连入一个较大的区域网络中。区域网络实现接入设备互联，它本身又连入了另一个更大的网络之中（城域网），城域网络连入了国家主干通信网。这样就实现了个人接入网的互联。向个人接入网提供网络连接业务的公司被称为互联网服务提供商。

三层ISP

1. 第一层ISP（Tier-1 ISP）：主干ISP（国家级，例如：电信、移动、联通）
2. 第二层ISP（Tier-2 ISP）：区域ISP（限于某区域，例如：县、乡等）
3. 第三层ISP（Tier-3 ISP）：本地接入ISP（园区网，例如：公司、政府机关、校园、工厂等）

ISP之间的互联

• POP：高层ISP面向低层ISP的接入点。（一般需要资费）
• IXP：对等层级的ISP互相接入。（一般不需要资费）
• ICP：一些客户专用网络与ISP连接。

一图看懂ISP三层结构