计算机网络01：概述

1.0、课程学习目录

1、计算机网络概述

2、物理层

3、数据链路层

4、网络层（重点）

5、运输层（重点）

6、应用层

7、网络安全

8、因特网上的视频/音频服务

9、无线网络

10、下一代因特网

1.1、计算机网络的定义及其特点

计算机网络的定义：

• 计算机网络的精确定义并未统一。

• 较好的定义：
  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目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

计算机网络的特点：

连通性 (Connectivity)

• 使上网用户之间都可以交换信息（数据，以及各种音频视频） ，好像这些用户的计 算机都可以彼此直接连通一样。
• 注意，互联网具有虚拟的特点，无法准确知道对方是谁，也无法知道对方的位置。

共享 (Sharing)

• 指资源共享。
• 资源共享的含义是多方面的。可以是信 息共享、软件共享，也可以是硬件共享。
• 由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样，方便使用。

1.2、互联网概述

网络、互联网、因特网：

• 网络：许多计算机连接到一起
• 互联网：许多网络连接到一起
• 因特网：全球最大的一个互联网

internet 和 Internet 的区别

• 以小写字母 “i” 开始的 internet（互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。
• 以大写字母 “I” 开始的的 Internet（互联网或因特网）则是一个专用名词，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，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且其前身是美国的 ARPANET。

任意把几个计算机网络互连起来（不管采用什么协议），并能够相互通信，这样构成的是一个互连网 (internet)，而不是互联网 (Internet)。

互联网发展的三个阶段：

第一阶段：从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。

• 1969年，美国国防部研发的 APPANET 网络，但只有四个结点

• 1983 年，TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议，使得所有使用 TCP/IP 协议的计算机都能利用互连网相互通信。

• 人们把 1983 年作为互联网的诞生时间。

• 1990年，ARPANET 正式宣布关闭。

第二阶段：建成了三级结构的互联网。
它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网（或企业网）。

第三阶段：逐渐形成了多层次 ISP 结构的互联网。

• 出现了互联网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)。
  • 移动
  • 联通
  • ……
• 任何机构和个人只要向某个 ISP 交纳规定的费用，就可从该 ISP 获取所需 IP 地址的使用权，并可通过该 ISP 接入到互联网。
• 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 也分成为不同层次的 ISP：主干 ISP、地区 ISP和本地 ISP。

1.3、互联网的组成

从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块：

• 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（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。
  • 这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

因特网 = 边缘部分 + 核心部分 = 通信子网 + 资源子网

1.3.1、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。

这些主机又称为：端系统 (end system)。

端系统在功能上可能有很大的差别：

1. 小的端系统可以是一台普通个人电脑，具有上网功能的智能手机，甚至是一个很小的网络摄像头。
2. 大的端系统则可以是一台非常昂贵的大型计算机。
3. 端系统的拥有者可以是个人，也可以是单位（如学校、企业、*机关等），当然也可以是某个 ISP。

“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“计算机之间通信”。

端系统之间的两种通信方式

• 客户 / 服务器方式（C/S方式）
  • 即 Client/Server 方式，简称为 C/S 方式。
• 对等方式（P2P方式）
  • 即 Peer-to-sPeer 方式 ，简称为 P2P 方式。

C/S 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。

服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务。

客户软件的特点：

• 被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须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。

服务器软件的特点：

• 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。因此，服务器程序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。

客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据。

P2P 方式

• 对等连接 (peer-to-peer，简写为 P2P ) 是指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。
• 双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档、迅雷下载。

对等连接方式的特点：

• 对等连接方式从本质上看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是服务器。
• 例如主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户，D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。

对等连接工作方式可支持大量对等用户（如上百万个）同时工作。

1.3.2、互联网的核心部分

• 网络核心部分是互联网中最复杂的部分。

• 在网络核心部分起特殊作用的是路由器 (router)。

• 路由器是实现分组交换 (packet switching) 的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

• 分组转发是网络核心部分最重要的功能。

数据交换方式

• 电路交换（Circuit Switching）
• 报文交换（Message Switching）
• 分组交换（Packet Switching）

报文交换和分组交换都有存储转发的功能

电路交换

每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。
所采用的交换方式就是电路交换 (circuit switching)。

电路交换的特点：

• 电路交换必定是面向连接的。
• 电路交换分为三个阶段：
  1. 建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用；
  2. 通信：主叫和被叫双方就能互相通电话；
  3. 释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路（释放刚才占用的所有通信资源）。

举例：A 和 B 通话经过四个交换机

电路交换数据量很大的实时性传输

核心路由之间可以使用电路交换。

分组交换

• 分组交换则采用存储转发技术。
• 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。
• 每一个分组的首部都含有地址（诸如目的地址和源地址）等控制信息。
• 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
• 每个分组在互联网中独立地选择传输路径。
• 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。

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。

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，最后把分组交付目的主机。

优点：

• 高效
• 灵活
• 迅速
• 可靠

缺点：

• 时延：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。
• 开销：分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。

报文交换

• 报文一般比分组长的多
• 报文交换的时延较长

1.4、计算机网络的类别

作用范围

• 广域网 WAN：花钱卖服务，花钱买带宽
• 城域网 MAN
• 局域网 LAN：自己购买设备，自己维护，带宽固定，距离100m内
• 个人区域 PAN

对于现在而言，应用了广域网技术称之为：广域网（WAN）；应用了局域网技术称之为：局域网（LAN）

使用者

• 公用网 Public Network
• 专用网 Private Network

拓扑结构

• 总线型
• 环形
• 星型
• 树型
• 网状

交换方式

• 电路交换网
• 报文交换网
• 分组交换网

工作方式

• 资源子网
• 通信子网
• 接入网：它又称为本地接入网或居民接入网。是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络。

1.5、计算机网络的性能

• 速率（bit rate）
  • 连接到计算机网络的主机在数字信道传输数据位数的速率；
  • 也叫数据率或比特率；
  • 速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率；
  • 单位是bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s等；
• 带宽（bandwidth）
  • 数据通信领域中，表示在单位时间内网络中的数字信道所能通过的“最高数据率”；
  • 单位是 bit/s，即 “比特每秒”；
• 吞吐率（throughput）
  • 表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。
  • 单位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s等；
  • 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络；
  • 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制；
• 时延（delay、latency）
  • 是指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间；
  • 有时也称为延迟或迟延；
  • 络中的时延由以下几个不同的部分组成：
    • 发送时延（传输时延）：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：主机或路由器在收到分组时，为处理分组（例如分析首部、提取数据、差错检验或查找路由）所花费的时间
    • 排队时延：分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延

数据在网络中经历的 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

• 时延带宽积
  • 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

• 往返时间 RTT（round-trip time）
  • 表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间；
  • 当使用卫星通信时，往返时间 RTT 相对较长，是很重要的一个性能指标；
• 利用率
  • 信道利用率：$\frac{有数据通过的时间}{(有+无)数据通过的时间}$(有+无)数据通过的时间有数据通过的时间​
  • 网络利用率：信道利用率的加权平均值
  • 信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加
  • 若令 D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，U 表示网络利用率
  • $D = \frac{D0}{1 - U}$D=1−UD0​

1.6、计算机网络的体系结构

几个基本的概念：

ISO	国际标准化组织
OSI/RM	互联网法律上的国际标准
TCP/IP Suite	因特网事实上的国际标准
Network Protocols	数据交换遵循的规则、标准或约定
网络体系结构	计算机网络各层及协议的集合

开放系统互连基本参考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为 OSI；

只要遵循 OSI 标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信；

计算机网络的体系结构：

分层好处：

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

OSI 7层模型

1、应用层：能够产生网络流量，能够和用户交互的应用程序；

2、表示层：加密，压缩，开发人员关注

3、会话层：

• 服务器和客户端建立的会话；
• 查木马：netstat -nb

4、传输层：

• 可靠传输：TCP 建立会话，QQ传文件
• 不可靠传输：UDP 不建立会话，QQ聊天，DNS
• 流量控制

5、网络层（路由器）：

• IP 地址编址
• 选择最佳路径

6、数据链路层：

• 数据如何封装
• 添加物理地址（MAC地址）

7、物理层：电压，接口标准

程序开发人员关注前三层：应用层、表现层、会话层

网络工程师关注：传输层、网络层、数据链路层

网络排错：从底层(物理层) --> 高层(应用层) 排错

1、物理层排错：查看连接状态，发送和接收的数据包

2、数据链路层故障：MAV 冲突，ADSL 欠费，网速没办法协商一致，计算机连接到错误的VLAN

3、网络层故障：配置错 IP 地址、子网掩码、网关，路由器没有配置到达的目标网路的路由

4、应用层故障：应用程序配置错误时

主机 1 向主机 2 发送数据

• 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 (Protocol Data Unit)。这个名词现已被许多非 OSI 标准采用。
• 任何两个同样的层次把数据（即数据单元加上控制信息）通过水平虚线直接传递给对方。这就是所谓的“对等层”(peer layers)之间的通信。
• 各层协议实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。

实体、协议、服务和服务访问点

• **实体 (entity) **：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程；
• 协议(protocol)：控制两个对等实体进行通信的规则的集合；
• 服务(service)：下层向上层提供服务，上层需要使用下层提供的服务来实现本层的功能；
• 服务访问点(SAP，Service Access Point)：相邻两层实体间交换信息的地方；
  • 服务访问点SAP是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。
  • 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)。
  • SDU 可以与 PDU 不一样，例如，可以是多个 SDU 合成为一个 PDU，也可以是一个 SDU 划分为几个 PDU。

协议和服务在概念上是不一样的

• 协议的实现保证了能够向上一层提供服务。
• 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。即下面的协议对上面的服务用户是透明的。
• 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。
• 服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
• 上层使用服务原语获得下层所提供的服务。

TCP/IP 的体系结构

实际上，现在的互联网使用的 TCP/IP 体系结构有时已经发生了演变，即某些应用程序可以直接使用 IP 层，或甚至直接使用最下面的网络接口层。