计算机网络（概述）

该笔记为湖科大计算机网络相关笔记、教材参考计算机网络第六版
湖科大计算机网络

计算机网络概述

因特网概述

Internet和internet的区别
internet：只要是计算机与计算机连接，形成了网络，就可以叫internet
Internet：泛指全世界的互联网

注意：网络是由若干节点和连接节点的链路组成

因特网服务提供者ISP(Internet ServiceProvider)，服务提供商，相当于三大运营商，通过想ISP缴费来获取大量的IP地址，再为普通用户提供服务

网络的覆盖范围

• 局域网：有限范围内的连接。比如 一个实验室，一栋楼，一个校园。
• 城域网：跨越几条街道的连接 5km~50km的距离。比如 街道与街道，整个城市。
• 广域网：世界级别的网络连接。 英文Wide Area Network 也就是我们常说的 WAN。
• 个人区域网：近身级别的网络连接，如无线个人区域的无线连接，无线耳机，鼠标等等。

基于ISP的服务架构图

互联网发展到后期，逐渐形成多层次ISP结构的互联网
ISP ： 各地区的通信运营商（互联网服务提供方）
各地区ISP，从国际互联网管理机构 批发到成块的IP地址。通过这些IP，就可以通过IP接入互联网，我们说的上网指的是通过某个ISP接入互联网

不难发现，终端A想要找到B，可能会需要经过ISP。

顺便一提，一旦某个用户能够接入互联网，他就能成为一个ISP，他需要做的就是购买一些，如调制解调器或者路由器这样的设备，让其他用户能够和他连接。

因特网的组成

分为两个，一个是边缘部分，也就是用户的接入设备，比如平板，手机，电脑等等
第二个是核心部分，也就是服务器，路由器，交换机等等

三种交换方式

电路交换

电路交换的前提，是必须先打通一条物理意义上的连接，才能进行交换

报文交换

比较古老就不说了，淘汰了，都是整段整段报文传送，效率极低，遇到链路寄了跟着一起就寄了

分组交换 （计网主要用的分组交换技术）

假设主机H6的用户要给主机H2的用户发送一条信息，通常我们把表示该消息的整块数据（一大串二进制）称之为一个报文。
当然，分组交换中，整块的报文不可能一起在线路中传输的，那样就叫报文交换了，所以要对这个报文按照一定长度进行切割，但是光切割肯定不行，要对这块数据段加上一些由必要信息组成的首部。

报文被切割的二进制数据+必要信息的首部 = 包（分组）

这个首部也叫包头，添加它干什么呢？
包头里面最少应该有目的地址，将包导向需要的地址。当分组交换机收到分组数据后，先把他保存下来，检查其首部找到目的地址，经过查表转发给下一个交换机，这个过程在交换机内也叫存储转发。最终经过不停地分组交换到达目的地址H2

链路占用情况：
比如H6主机向R1节点传输分组，那么此时， 除链路H6→R1节点以外，其他链路节点均不被占用。同时，即使是链路H6→R1节点，也只有分组在此链路上传送时，才会被占用。该节点空闲期间，仍可被其他主机发送的分组所占用。

链路故障自动转移：
比如链路R1→R5节点，出现故障，或者负载过高，那么此时就会自动转移分组的发送到 链路R1→R2节点，规避异常链路。所以整体权衡起来是要比报文交换更快的。
这里要注意：分组交换机内存有限，所以暂时存的都是一个个短分组，而不是一大段长报文。这样对于交换机来说，一小段一小段的分组压力也小。

这里只是简述，真实的情况远比这更复杂。

三种交换方式优缺点

计算机网络性能指标

计算机网络有如下的性能指标

• 速率（每秒多少个比特位（二进制位））
  主要就是8个0，1的二进制位等于1Byte字节，后面就是1024的进制了
  比特率就是每秒多少个二进制位，也就是每秒多少个0或者1
  

• 带宽（传输能力）
  带宽越大，每秒走过的数据量越高，就是咱们常说的下载速度
  

• 吞吐量
  

• 时延
  时延在每个环节（发送时延，传播时延，处理时延，排队时延）都会出现
  从源地址主机整理好数据发往网络内部（进入链路的时间），这个叫发送时延。
  分组电路传播给路由器这段时间（链路上传输的时间），称为传播时延。
  在路由器内部收到包之后对其进行存储再转发，拆包分析分组的首部 的时间（路由器内部），这段时间为处理时延
  在分组进入路由器之后，需要进入输入队列中进行等待处理，处理完毕后，确定了转发的端口，还要在输出队列等待输出（从路由器出去），这段时间叫排队时延。

发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延 = 总时延

PS：所以网络上任何一个位置，都有可能影响到整条网络的时延。人们常有个误区，带宽高，延迟就会低，实际上，带宽高只降低了发送时延，其他的三个时延实际上并没有得到任何改善。如果其他三个时延有上升的情况，那么总时延就会更高。

• 时延带宽积
  从这个名字就可以看出来，时延带宽积就是时延和带宽的乘积
  也就是 时延 x 带宽 = 时延带宽积
  应该是计算某一时刻内，传输管道走了多少比特流。

• 往返时间
  从发出信息到接到目标主机回应的时长
  
• 利用率
  是线路负载的一种平衡，保持在0.2~0.5最好
  
• 丢包率

比如交换机内部，等待处理后转发的分组，都积压在工作队列里，后面来的分组越来越多，队列放不下了，就得扔，所以就丢包了。很多涉及到队列的网络设备都可以统计丢包率。还有的情况，就是处理的时候，通过校验码得知当前分组是错误的，这种包也会被丢弃。

• 总结
  
  

常见的网络体系结构

TCP/IP协议簇一共四层。允许IP在各式各样的网络构成的互联网上运行 Everything is Over IP
TCP/IP协议簇将其连接起来，因为上下两头大而中间小，应用层和网络接口层都有多种协议，而中间的IP层很小，上层的各种协议都向下汇聚到一个协议中。

目前常用的体系结构

• OSI的七层协议太复杂，仅仅是法律上的模型，实际上并不用这种模型
• TCP/IP体系结构太过简单，理论太简单了，需要再清晰一些，于是扩充到五层结构
• TCP/IP体系五层协议标准，结合了前两者的优点，当今计算机网络大规模应用的就是这个结构
  – 五层协议中 应用层服务上层应用，运输层负责拆解报文，网络层负责分组并选择路由，数据链路层负责将分组在链路上传播，最下层的物理层负责保障稳定的信号传输。以上的每个层级结构，均对其上级提供接口服务，向下能够调用下层提供的接口。
  

为什么是TCP/IP

最早的TCP/IP协议是粘在一起的，并没有分层的思想来设计。直到后来，分组从发送方到达接收方之后，会出现损坏，排序错误等问题。单纯的靠TCP协议纠错就比较复杂，于是就将可靠传输和数据转发这两个功能分离开。

• 传输层的TCP协议，涉及检测网络传输差错，丢失数据报恢复等等。
• 网络层的IP协议，负责在不同的网络之间实现互联操作，提供单个数据包的转发和寻址。
  这两个协议合并在一起，构成了TCP/IP协议，并一直发展至今，IP协议进化到IPV4的版本
  两个协议合并称为：TCP/IP4协议（传输控制协议 / 互联网协议）
  但是有些应用程序不需要可靠传输，也加入了另外一种传输协议，也就是UDP协议，以便提供对IP的直接访问
  

TCP协议：全名Transmission Control Protocol （传播控制协议） 包含了一系列稳定传输的措施，包括流量控制，差错校验等等一系列保证正确可靠传输的方式，

计算机网络分层的重要性

计算机网络是一个非常庞大并且复杂的系统，所以非常有必要针对其进行分层处理。

计算机网络每一层都干了些什么：

• 应用层（给最顶层的应用提供服务，向下传输报文）
  对上：为用户提供网络服务和应用，如HTTP、SMTP、FTP等。它是用户与网络通信的接口。
  对下：通过传输层的服务，将数据传输给下一层。
  

• 运输层（收集完整报文上交。给下层完整的报文，下层再拆分）
  对上：为应用层提供端到端的通信，主要提供数据传输的可靠性和流量控制，如TCP和UDP协议。
  对下：通过网络层提供的服务，将数据（报文）传输给下一层，或者从下一层接收数据。

• 网络层
  对上：负责将分组从源主机传输到目标主机，主要是通过IP协议实现。
  对下：通过数据链路层提供的服务，将分组传输给下一层，或者从下一层接收分组，并负责寻找最佳路径将分组发送到目标主机。
  

• 数据链路层
  对上：负责将数据包组装成帧（Frame），在相邻节点之间传输数据，通常使用MAC地址进行物理地址定位。
  对下：通过物理层提供的服务，将帧发送到物理介质上，或者从物理介质上接收帧，并将其解析成数据包传递给网络层。

• 物理层
  对上：负责传输原始比特流，定义数据传输所使用的物理介质、接口、电气特性等。
  对下：与网络连接的硬件设备（如网卡、光纤等）直接进行数据传输。

• 总结一下
  

分层思想举例

从应用层按Http协议，构建一个Http请求报文，这个报文就是开发时候常见的请求头。应用层把这个报文交给运输层处理，为其加一个TCP首部，使之成为TCP报文段，这个报文段主要是为了区分应用进程以及实现可靠传输。运输层再把TCP报文段交付给网络层，网络层给TCP报文段加一个IP首部，使其成为一个IP数据报。可以在网络上传输。再交由数据链路层，数据链路层给IP数据报添加一个首部和一个尾部使之成为帧。最后，交付给物理层。物理层眼里就是比特流。

**注意，这个每一层加首部，直到转换为比特流（反过来从比特流层层拆头部）的过程，全部是在计算机内部完成的，由网卡直接输出比特流，交付给物理层的网线做进一步的运输！而不是在交换机、路由器 或者计算机网络的某个地方实现的，全部是在计算机内部做的 **

计算机网络本身链路就是网线，其他的节点都是或多或少的对于五层协议的实现。

总结：
自顶层向下，每一层都加一个对应层的首部，注意：数据链路层除了头部帧以外，还会加一个尾部帧使之成为帧，用于在物理层的比特流中被区分出来
自下层向上，每层都去掉之前加上的首部或者尾部，最后还原出报文原有的样子

帧的结构

流程图

计算机网络体系结构专业术语

实体

• 实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程（需要用到网络的软件）。
• 对等实体：收发双方相同层次中的实体。

协议

• 协议控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合。

不同的层之间，协议只考虑当前层就行，不用顾及其它层。换句话说，使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议，下面的协议对于上面的实体（调用方）是透明的。注意这个透明指的不是说什么都清楚，而是什么都不清楚，拿被应用层调用的运输层来说，应用层只知道靠运输层可以得到可靠传输服务，而并不知道，应用层及其下面的层是如何做到的。所以这种透明的含义，更像是屏蔽了复杂的实现，而向上提供简单的接口调用即可。

• 协议的三要素：语法、语义、同步

• 协议是定义所交换信息的格式
  规定的格式：
  

• 语义是指收发双方所要完成的操作

比如Http的请求，也就是通信双方在建立连接后所做的操作

• 同步定义收发双方的时序关系
  建立连接的过程以及时序的转换
  

服务

不同数据包之间进行交换的数据包都叫什么名字
PDU：水平
SDU：垂直

总结