计算机网络（第7版）第一章（绪论）知识点整理

参考书目：《计算机网络（第7版）》：谢希仁——电子工业出版社《精通Windows Sockets网络开发--基于Visual C++实现》：孙海民——人民邮电出版社

第一章：绪论

一、计算机网络
二、互联网
- 1.互联网的发展
- 2.互联网的组成
三、计算机网络的体系结构

一、计算机网络

1.计算机网络的定义

计算机网络：由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。

最简单的计算机网络：两台计算机通过一条双绞线连接
互连网/连网：网络与网络可通过路由器互连，构成一个覆盖范围更大的网络（网络的网络）。

互连网：指在局部范围互连起来的计算机网络。
互联网/因特网
互联网：指当今世界上最大的计算机网络–Internet。
互联网+
互联网+各个传统行业：利用信息通信技术以及互联网平台，让互联网与传统行业进行深度融合，创造新的发展生态。
```
注：网络把许多计算机连接在一起，互联网则把许多网络连接在一起。
```

2.计算机网络的发展

以单计算机为中心的联机系统
ARPANET

ARPANET的成功使计算机网络的概念发生根本变化。
- 第一个采用存储-转发方式的分组交换网。
- TCP/IP成为ARPANET上的标准协议。
大发展时期
ARPANET兴起后，计算机网络迅猛发展，各公司推出自己的网络体系结构及实现这些体系结构的软硬件产品。如：IBM公司的SNA(System Network Architecture)；DEC公司的DNA(Digital Network Architecture)。
70年代中期及80年代，局域网兴起和迅猛发展时期。如：Xerox(施乐)公司的以太网；英国剑桥大学的剑桥环；IBM公司的令牌环等。
标准化阶段
1984年，ISO颁布“开放系统互连参考模型(OSI)”。
1974年，推出TCP/IP参考模型（事实上的国际标准。
Internet

3.计算机网络的分类

不同作用范围的网络

广域网 WAN (Wide Area Network)
- 几十到几千km
- 互联网的核心部分
城域网 MAN (Metropolitan Area Network)
- 5-50km
局域网 LAN (Local Area Network)
- 1km左右
个人区域网 PAN (Personal Area Network)
- 10m左右
- 无线连接
接入网AN(Access Network)
- 本地接入网或居民接入网
- 提供高速接入互联网的“桥梁”作用

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从网络的使用者进行分类

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

4.计算机网络的性能指标

1.速率：速率指数据的传送速率，也称为数据率(data rate)或比特率(bit rate)。

指主机在数字信道上传送数据的速率
是计算机网络中最重要的一个性能指标
速率的单位是 bit/s，或kb/s, Mb/s, Gb/s 等

2.带宽：带宽指数字信道/通信线路所能传送的“最高数据率”。

反映通信线路传送数据的能力
比特每秒，即 b/s (bit/s)

3.吞吐量：吞吐量指在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。

注：吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制：吞吐量<=额定速率

4.时延：时延指数据从网络(链路)的一端传送到另一端所需时间。
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传输时延（发送时延）：主机或路由器发送数据所需要的时间，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。
处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
排队时延：结点缓存队列中分组排队所经历的时延。

5.时延带宽积
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链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度
表示从发送端发出但尚未到达接收方的比特数

6.往返时间RTT

表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认（接收端收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。
往返时间带宽积：当发送方连续发送数据时，在及时收到对方确认前，已经发送的数据（bit）

7. 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。

二、互联网

1.互联网的发展

第一阶段：1983 年 TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议。
第二阶段：1985年起，建立三级结构的互联网。

第三阶段：1993年起，逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。
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注：根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP 地址数目的不同，ISP 也分成为不同的层次。
大致上可将互联网分为以下接入级：
1）国家主干网（主干 ISP）
2）地区 ISP
3）本地 ISP
4）校园网、企业网或 PC 机上网用户

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2.互联网的组成

从工作方式上划分：
边缘部分

由所有连接在因特网上的主机组成。
用户直接使用，用来进行通信（传送数据、音频或视频）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。
为边缘部分提供服务（提供连通性和交换）。
路由器对分组进行存储转发，即进行分组交换，最后把分组交付目的主机。

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互联网的边缘部分

主机间的通信方式

客户服务器方式（C/S 方式）
对等方式（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。
客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

服务器程序
- 一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
- 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。不需要知道客户程序的地址。
- 一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。
客户程序
- 被用户调用后运行，必须要知道服务器程序的地址。
- 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

对等连接方式

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。
从本质上，仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又同时是服务器。

互联网的核心部分

由许多网络和把它们互连起来的路由器组成，向处在互联网的边缘部分的主机提供连通性
- 路由器之间:高速链路相连接。
- 主机到核心部分:相对较低速率的链路相连接。
主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。
路由器对分组进行存储转发，即进行分组交换(packet switching) ，最后把分组交付目的主机。

电路交换

电路交换必定是面向连接的。
电路交换必定经过的三个阶段。
1. 建立连接—占用通信资源
2. 通信—占用通信资源
3. 释放连接—释放通信资源

分组交换
存储转发技术步骤：
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发送端：先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段；每一个数据段前面添加上首部构成分组。
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注：分组交换网以“分组”作为数据传输单元。
1）每一个分组的首部都含有地址等控制信息。
2）分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
3）用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。

接收端：收到分组后剥去首部还原成报文。

分组交换网的示意图
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   注：分组在哪段链路上传送，才占用这段链路的通信资源。

路由器

在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。
路由器处理分组的过程是：
1. 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
2. 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
3. 把分组送到适当的端口转发出去。

分组交换的优点

高效：动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用
灵活：以分组为传送单位和查找路由。
迅速：不必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；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。

分组交换的不足

分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。
分组必须携带的首部造成了一定的开销。

电路交换 VS 分组交换
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三、计算机网络的体系结构

不同的系统，通过计算机网络进行通信，必须高度协调工作。
网络协议为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则。
三个要素
- 语法：数据与控制信息的结构或格式。
- 语义：表明信息要表达的内容；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。
时序例
整个计算机网络的功能实现体现为协议的实现。
为了保证网络的各个功能的相对独立性，以及便于实现和维护，通常将协议划分为多个子协议，子协议的集合通常称为协议簇。

ARPNET多年研究表明：对于非常复杂的计算机网络协议，其结构应该是层次式的—分层—可将庞大而复杂的问题，转化为若干较简明且有利于处理的局部问题，比较易于研究和处理。
网络分层主要是将复杂的通信问题分成不同的功能块，由不同的层次通过本层的协议来执行某个功能块。即：每一层只完成一定的功能，每一层又都建立在它的下层之上。每一层都是通过层间接口向上一层提供服务的，同时把这种服务实现的细节对上层加以屏蔽。

注：
1）计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合。 
2）体系结构是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义。
3）体系结构是抽象的，可用硬件或软件具体实现这些功能

通用的协议分层思想

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第N层实体在实现自身定义的功能时，只使用N-1层提供的服务。
N层向N+1层提供服务，此服务不仅包含N层本身所具有的功能，还包括由下层提供的功能总和。
最低层只提供服务；最高层只是用户；中间各层既是下一层的用户，又是上一层服务的提供者。
仅在相邻层间有接口，且下层服务的实现细节对上层完全透明。

分层的好处

独立性强：各层之间是独立的，把网络操作分成低复杂性单元，分而治之，上层只需了解下层通过层间接口提供什么服务。
灵活性好：只要服务和接口不变，某一层变化不会影响到别层，设计者可专心设计和开发模块功能。
有利于网络的互联，进行协议转换时可能只涉及某一个或几个层次而不是所有层次。
结构上可分割开，易于实现和维护。
有利于促进标准化工作：因为每一层的功能及其所提供的服务都有精确的说明,允许各个供应商进行开发。

划分层次的必要性
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各层中实现的主要功能

寻址
差错控制：使对等层的通信更加可靠
流量控制：控制发送端的速率，使接收端能来得及接收
分段和重装：发送端将数据块分成更小的单位，并在接收端重新组合
复用和分用：多个高层的对等层通信会话复用一条低层连接
建立连接和释放连接
…

网络体系结构的产生

1974年，IBM—系统网络体系结构SNA。
1977年，国际标准化组织ISO开始研究互连标准框架—开放系统互连基本参考模型OSI/RM。
1983年，形成OSI/RM正式文件—七层协议的体系结构。

事与愿违，OSI失败了！

OSI的专家们在完成 OSI 标准时没有商业驱动力；
OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；
OSI标准的制定周期太长，因而使得按 OSI 标准生产的设备无法及时进入市场；
OSI的层次划分并也不太合理，许多功能在多个层次重复;各层功能分配不均匀（链路、网络层任务重，会话层任务轻）
功能和服务定义复杂，很难产品化，实际应用中几乎没有按OSI七层模型设计的产品

糟糕的提出时机、糟糕的技术、糟糕的策略、糟糕的实现！

两种国际标准
OSI/RM–法律上的国际标准
非国际标准 TCP/IP --事实上的国际标准

相似
- 层的功能划分相似
差别
- OSI：从概念模型到协议实现。
- TCP/IP：从协议实现到概念描述。
- TCP/IP开始就考虑到多种异网互连问题，并将IP协议TCP/IP的重要组成部分。
- TCP/IP开始就对面向连接服务和无连接服务并重；OSI只重面向连接的服务。
- TCP/IP有较好的网络管理功能。
结论
- OSI概念模型好，协议实现不好。
- TCP/IP协议实现好，模型不好。

OSI参考模型
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注：1.OSI模型每层都有自己的功能集2.层与层之间相互独立又相互依靠3.上层依赖于下层，下层为上层提供服务

网络设备传输数据的过程是按照OSI参考模型来运动的。
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应用层
1. 提供网络与用户应用进程之间的接口，使用户的应用进程能享用网络服务。
  - 提供各种不同的应用协议以满足应用进程的需求:HTTP/SMTP/FTP。
  - 识别并证实目的通信方的可用性。
  - 使协同工作的应用进程之间进行同步。
  - 为通信过程申请资源。
2. PDU:报文
表示层
1. 关心所传输信息的语法和语义，屏蔽不同体系结构的计算机在数据表示上的差异。
  - 数据的解码和编码
  - 数据的加密和解密
  - 数据的压缩和解压缩
会话层
1. 建立、维护、管理应用程序之间的会话。
  - 对话控制，提供往数据流中插入检查点功能
  - 同步：如何开始，控制，结束对话。对话层确认对话的顺序，确保每一个步骤按顺序进行
  - PDU:报文
运输层
1. 在源端与目的端进程之间提供可靠的透明数据传输，使上层服务用户不必关心通信子网的实现细节。
2. 隔离上三层和下三层，屏蔽连网细节，建立端到端的连接，负责数据在端到端之间的传输
3. PDU:报文
4. 运输层的特点
  - 以上各层：面向应用；本层及以下各层：面向传输。
  - 与网络层的部分服务有重叠交叉，功能取舍取决于网络层功能的强弱。
  - 只存在于端主机中。
  - 实现源主机到目的主机“端到端”的连接。
    - 网络层：为主机之间提供逻辑传输
    - 运输层：为应用进程之间提供逻辑传输
5. 运输层的主要功能
- 服务点编址：源端进程地址映射到网络地址
- 复用与分用
  - 多个传输连接共用一条网络连接；
  - 一条传输连接使用多个网络连接；
- 连接控制
- 流量控制
- 差错控制
- 拥塞控制
网络层
1. 为分组交换网上的不同主机提供通信服务
  - 为网络设备提供逻辑地址。
  - 负责数据从源端发送到目的端
  - 负责数据传输的寻径和转发。
2. PDU:分组（packet）
  - 逻辑地址
  - 路由选择
数据链路层
1. 任务：在两个相邻节点间传输数据。
2. PDU:帧（frame）
3. 功能与服务
  - 建立与拆除数据链路连接（逻辑通道）。
  - 组帧：帧封装，按顺序传送，处理返回的确认帧。
  - 定界与同步：产生/识别帧边界。
  - 差错检测/恢复：可靠的传输。
  - 流量控制：抑止发送方的传输速率，使接收方来得及接收。
  - 广播网络需控制对共享信道的访问。
物理层
1. 物理层的主要作用是负责二进制信号在物理线路上正确地、透明地传输。
2. 物理层是不提供数据的纠错服务的，但是在物理层上能对数据的传输速度作一定的控制，并能监测数据的出错率。
3. 在物理层传输电气信号的载体我们称之为位流或比特流。
4. 物理层关心的是以下的一些内容：
  - 机械特性：定义连接器形式以及插针位置。
  - 电气特性：定义接口电路的电气参数。
  - 规程特性：定义信号线的操作规程。
  - 传输媒体：传输媒体位于物理层以下。

总结
       链路层的任务：两节点间可靠的数据传输。
       网络层的任务：沿两端点间的最佳路由传输数据（主机间的逻辑通信）。
       传输层的任务：两端点间可靠的透明数据传输（应用进程间的逻辑通信）。

各层间的解释

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各层间的联系

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实体、协议、服务和服务访问点

实体：任何可以发送或接收信息的硬件/软件进程。
对等层：两个不同系统的同级层次。
对等实体：分别位于不同系统对等层中的两个实体。
服务：某一层及其以下各层的一种能力，通过接口提供给其相邻上层。
协议：通信双方在通信中必须遵守的规则。
接口：相邻两层之间交互的界面，定义相邻两层之间的操作及下层对上层的服务。
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)。

TCP/IP的体系结构
协议栈：利用一组协议完成OSI所实现的功能。
TCP/IP协议栈：是一组由不同的协议组合在一起构成的协议栈。

TCP/IP沙漏模型

TCP/IP 分层模型中的两个边界
操作系统边界:将操作系统与应用程序分开的边界。
协议地址边界:将高层互联网地址与低层物理网卡地址分开的边界。