1.1 计算机网络基本概念
一、
1）四大网络：电信网络、有线电视网络、计算机网络（提供各类应用资源共享）、电网（智能）
2）基本概念：
-
计算机网络：
将地理位置分散的自主计算机系统（独立功能的计算机）通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和通信共享的计算机系统（集合）。
- 计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物。 -
分布式系统：
分布式系统是一个硬件或软件组件，分布在不同的网络计算机上，彼此之间仅仅通过消息传递进行通信和协调的系统。（简单来说，就是一群独立计算机集合共同对外提供服务，但是对于系统的用户来说，就像是一台计算机在提供服务一样。）
- 分布式系统是建立在网络之上的软件系统。
注：
1、分布式计算机系统与计算机网络系统的重要区别：计算机在不同的操作系统下，工作方式不同【分布式系统是建立在网络之上的软件系统。网络和分布式系统之间的区别更多的在于高层软件（特别是操作系统），而不是硬件】
3）连网的本质目的：
共享：资源、通信共享
二、计算机网络的发展阶段
1、诞生阶段（20世纪60年代中期）：面向终端的单主机系统（非网络）
2、形成阶段（20世纪60年代中期--80年代）：
多主机互联互通，典型代表APRNET，局域网发展良好
3、互联互通标准化（20世纪80年代--90年代）：
互联网：标准化的体系结构建立
4、高速网络及互联网（20世纪90年代--21世纪初）：
高速网络技术、智能化网络等
5、万物互联：无线网络和物联网
1.2 互联网概述
一、Internet发展
1、小写字母“i”Internet（互连网）是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的网络。
2、大写字母“I”internet（互联网或因特网）是一个专用名词，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协议族作为通信的规则，且前身是美国的ARPANET。
注：
任意把几个计算机网络互连起来（不管采用什么协议），并且能够相互通信，这样构成的是一个互连网（小写的Internet），而不是互联网（大写的Internet）。
（1）基本概念：
互联网：Internet，起源于美国，现已发展成为世界上最大的、覆盖全球的计算机网络。
计算机网络（简称网络）：由若干结点和连接这些结点的链路组成。
互连网（小写的Internet）：可以通过路由器把网络互连起来，这就构成了一个覆盖范围更广的计算机网络，称之为互连网。【网络的网络】
（2）互联网的两个重要特点：
连通性、共享（资源共享）
（3）互联网基础结构发展的三个阶段：
1st: 1960年，分组交换网，ARPANET向互联网发展
1983年TCP/IP的诞生（因特网的诞生元年）
2nd: 三级结构的因特网，主干网-》地区网-》校园网/企业网
3rd: 多层次ISP结构的因特网（个人付费加入）【ISP：因特网服务提供商，ISP批发IP地址给部门然后部门零售给用户。】
（4）互联网的标准化工作：
成为互联网正式标准要经过三个步骤：
1.互联网草案：此时还不是RFC文档
2.建议标准：成为RFC文档
3.互联网标准
1.3 互联网的组成
1、分为硬件、软件、协议
2、从工作方式和结构看：
- 网络边缘：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、音频和视频）和资源共享。
- 网络核心：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）
- 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主机。这些主机又称为端系统。
- 核心部分：网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分的任何一个主机都能向其他主机通信。
在网络核心部分中，起特殊作用的是：路由器
路由器是实现分组交换的关键构件，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。
1.4 通信方式
（1）通信的本质：
- 进程之间的通信：
e.g.主机A和主机B进行通信 实际上指的是：主机A的某个进程和主机B的另一个进程进行通信
- 端系统之间的通信方式：
客户/服务器方式（Client/Server C/S方式）
浏览器-服务器方式（Browser/Server B/S方式）
对等方式（Peer-to-Peer P2P方式）：所有主机同时承担服务器和客户的双重身份
（2）客户/服务器方式 C/S方式
- 客户和服务器是指 通信中所涉及的两个应用程序。
- 客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方
- C/S架构软件特点：如果用户要使用的话，需要下载一个客户端，安装后就可以使用。
- 客户和服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可以发送和接受数据。
（3）对等链接方式 P2P方式
P2P是指：两个主机在通信时不区分哪一个是服务请求方或服务提供方。
C/S和P2P的区别：
两者的差别主要是在应用层
【C/S：DNS、SMTP、FTP、Web】
【P2P: 支持文件共享类Napster和BitTorrent服务协议、支持多媒体传输类Skype服务的协议】
两种文件分发方式：
C/S：服务器将文件分发给N和客户端，需要发送N份文件。分发时间随着N线性增长
P2P: 服务器至少发送一份文件，分发时间更短，因为其他结点也能上传。【当对等点数量足够多时，时间趋于NF/Nu=F/u, 与N无关，F--文件大小，N--下载数量，u--对等点上传的速度】
（4）B/S模式：
通信本质与C/S通信本质相同，都是客户端向服务器端发送请求，服务器端接收并处理。
B/S架构有三层：
第一层表现层：主要完成用户和后台的交互及最终查询结果的输出功能
第二层逻辑层：主要是利用服务器完成客户端的应用逻辑功能
第三层数据层：主要是接受客户端请求后独立进行各种运算
1.5 电路交换
1、交换定义：
通信网中，交换就是在通信的源和目的之间建立通信信道，实现通信传输的过程
2、交换分类：电路交换、存储转发交换（包含 报文交换和分组交换）
3、通信网的三要素：交换设备、传输设备、用户终端
（1）电路交换
交换过程：
第一步：建立连接
第二步：交换数据
第三步：释放连接
电路交换的特性：
数据交换前需要建立一条从发送端都接收端的物理通路（面向连接）
在数据交换的全部时间内用户始终占用端到端的固定传输信道
交换双方可实时进行数据交换而不会存在任何延迟
（2）电路交换例题：
计算通过电路交换网络将一个640kb长的文件从主机A传送到主机B需要多长时间？所有链路速率皆为1.536Mbps，每条链路使用有24个时隙的TDM（时分多路复用（Time-Division Multiplexing，TDM）），建立端到端的电路需要500毫秒=0.5秒
解：
每条链路的传输速率：1.536Mbps/24 = 64Kbps
传送该文件的时间：640k/64Kbps = 10s
加上建立端到端建立时间：0.5s
总共需要时间：10.5秒
（3）电路交换网络存在的问题：
电路交换，用户支付的费用是按用户占用线路的时间收费的。
不够灵活，只要在通话双方建立的通路中的任何一点出现问题，就必须重新拨号建立新的连接。
结论：电路交换不适合于计算机间的数据交换。
1.6 存储转发交换
1、报文交换：
1）特点：
以报文为数据交换单位，报文携带有目标地址、源地址等信息，在交换结点采用存储转发的传输方式
采用“存储--转发”方式进行传送，无需事先建立线路，不存在连接建立时延
不固定占有一条通信线路，提高了通信线路的利用率
提供多目标服务，即一个报文可以同时发送到多个目的地址
2）缺点：
有转发时延，且网络的通信量越大，时延就越严重，不适合传送实时或交互式业务的数据
报文交换只适用于数字信号
（2）分组交换
1）分组交换的工作流程：
1 在发送端，先把较长的报文 划分为较短的、固定长度的数据段
2 每一个数据段前面添加上首部个构成分组
3 分组交换网以“分组”为数据传输单元
4 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）
5 接收端收到分组后剥去首部还原成报文
6 最后，在接收端把收到的数据恢复成原来的报文
2）分组交换的特征：
1 分组长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，简化了交换结点存储器的管理
2 分组较短，出错几率小，每次重发的数据量较小，不仅提高了可靠性，也减少了时延（与报文交换相比较）
3 分组交换不适合用于实时服务，e.g 打电话、视频会议等
3）分组交换网络的结构
1 通信子网：由若干个中间交换结点和连接这些个结点的链路组成，主要承担数据通信任务
2 资源子网：主要由网络主机和各种可提供共享资源的设备组成，主要承担数据处理任务。
4）分组交换设备
1 路由器：
工作在IP层
在路由器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：
把收到的分组先放入缓存（暂时存储）
查找转发表，找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
注：区分主机和路由器的作用
主机--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，最后把分组交付给目的主机
2 交换机分组转发
工作在数据链路层
1)直通式：
优点：不需要存储，延迟非常小，交换非常快
缺点：由于数据包内容没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力；由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入/输出端口直接连通，容易丢包
2)存储转发：
计算机网络领域应用最广泛的方式
它把输入端口的数据包检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。
数据处理时延大
支持不同速度的端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。
3)碎片隔离：
介于直通式&存储转发之间的一种方案
检查数据包的长度是否够64字节，若小于64字节，说明是假包，则丢弃该包；如果大于64字节，则发送该包。
数据处理速度比存储转发方式块，但比直通式慢。
5）分组转发带来的问题：
分组在各结点存储转发时，需要排队，就会造成一定的时延
分组必须携带首部也造成一定的开销
1.7 交换的区别
1、更灵活的分组交换：
统计多路复用：按需分配资源
当用户数较少时，分组交换能够获得比电路交换更好的性能
在相同条件下，分组交换能够比电路交换支持更多的用户
2、若要连续传送大量数据，且其传送时间远大于呼叫建立时间，则采用 在数据通信之前 预先分配传输带宽的电路交换比较合适
3、分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时，可提高整个网络的信道利用率。
4、由于一个分组的长度往往小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。
1.8 计算机网络的分类
1、按照网络作用范围分：
广域网WAN（Wide Area Network）、城域网MAN（Metropolitan Area Network）、局域网（Local Area Network)、个人区域网PAN（Personal Area Network）
2、按照网络的使用者进行分类
公用网：按规定缴纳费用的人都可以使用的网络
专用网：为特殊业务工作的需要而建造的网络
3、按网络拓扑结构分类
总线型：便于进行广播式传送信息；属于分布式控制，不需要中央处理器，结构简单
环型：各结点通过中继器连入网中
星型、树型、网状、无线
1.9 计算机网络性能指标
1、速率
速率指的是：数据的传送速率，也称为数据率或比特率。单位是bit/s, kbit/s, Mbit/s, Gbit/s
2、带宽
1）模拟传输网：在电信网络中，“带宽”值信号具有的频带宽度，单位赫兹Hz
2）数字传输网：在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力。表示在单位时间内网络中某信道所能通过的“最高数据率”。单位bit/s
3、吞吐量：
表示单位时间内，通过某个网络（或信道、接口）的数据量
4、时延：
时延包括：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延
发送时延（传输时延）：发送数据时，数据帧从结点进入传输媒体所需要的时间。
发送时延=数据帧长度(bit)/发送速率(bit/s)
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
传播时延=信道长度(米)/信号在信道上的传播速率(米/秒)
处理时延
排队时延：排队时延的长短取决于网路中当时的通信量（即路由器的拥塞程度）
四种时延产生的地方：（假设从结点A 向结点B 发送数据）
在结点A中产生 处理时延和排队时延
在发送器产生发送时延
在链路上产生传播时延
注：对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率，而不是比特在链路上的传播速率
注：丢包（分组丢失的原因和后果）：
1 缓存中队列的容量是有限的，当分组到达时，队列已满，则分组被丢弃（丢包）
5、时延带宽积
链路的时延带宽积又称 以比特为单位的链路长度
时延带宽积=传播时延*带宽
6、往返时间RTT
在互联网中，往返时间还包括 各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延
7、利用率
分为信道利用率和网络利用率
信道利用率=有数据通过/（有+无数据通过的时间）
网络利用率=全网络的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。
