《计算机网络》概述

互联网概述

计算机网络由若干结点（node）和连接这些结点的链路组成，结点可以是计算机、路由器、交换机、集线器等。

网络之间可以通过路由器互连起来，构成范围更大的计算机网络，这样的网络称为互连网（internet）

以小写 i 开头的 internet(互连网) 是一个通用名词，泛指由多个计算机网络连接而成的计算机网络，这些网络之间的通信协议可以任意选择，不一定非要使用 TCP/IP 协议族。

大写 I 开头的 Internet（互联网） 是一个专用名词，指当前全球最大的、开放的、由数量极大的各种计算机网络互连而成的特定计算机网络，采用 TCP/IP 协议族 作为通信的规则

Internet 全国科学技术名词审定委员会推荐译名为因特网，互联网因为使用广泛而成为事实上的标准译名

互联网的两个重要的特点：连通性和共享

互联网的三个阶段

1. 第一个阶段是单个计算机网络向互连网发展的阶段

2. 第二个阶段是建成三级结构的互连网，分为主干网、地区网和校园网（企业网）

3. 第三个阶段逐渐形成多层次 ISP 结构的互联网

   互联网上的主机必须有 IP 地址才能上网，IP 地址由国际组织统一分配，逐级管理。

   ISP 译为互联网服务提供商，例如移动、联通、电信都是我国最有名的 ISP。

   ISP 从 IP 地址管理机构申请很多 IP 地址，同时拥有通信线路（大 ISP 自己建造，小 ISP 租用）以及路由器等联网设备，机构或个人向 ISP 交纳费用获得 IP 地址的使用权，并通过 ISP 接入到互联网。

   根据服务覆盖面积的大小和拥有的 IP 地址数目的不同，分为：主干 ISP、地区 ISP 和本地 ISP

   

   基于 ISP 的多层结构的互联网概念示意图

互联网的组成

从工作方式上将互联网分为边缘部分和核心部分两大部分

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，用来通信和资源共享。

主机之间的通信实际是主机 A 的某个进程和主机 B 的某个进程之间的通信。

主机直接的通信方式分为两大类：

1. 客户-服务器方式（Client/Server 方式，简写为 C/S）

   客户端主动发起通信（请求服务），服务器进程启动后一直运行，被动等待客户端进程的通信请求。

   浏览器-服务器方式（Browser/Server 方式，简写为 B/S，是 C/S 的一种特例）

2. 对等方式（peer to peer 简写为 P2P）

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连通性和数据交换服务。

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。

通常把要发送的整块数据称为报文，把报文划分为多个等长的数据段，在每个数据段前面加上首部（由目的地址、源地址等控制信息组成），就构成了分组，分组又称为包，而分组的首部称为包头

分组数据从一台主机出发，到达路由器后，在内存中短暂存储，查找转发表，转发到下一个结点，直到传送到目的主机

分组交换的优点：

1. 高效。传输过程中动态分配带宽，对通信链路逐段占用

2. 灵活。为每一个分组选择最合适转发的路由，同一个报文的多个分组因网络拥塞、链路故障等原因，可能沿不同的链路传送到目的主机

3. 迅速。以分组为传送单位，不需要先建立连接

分组交换的问题：

1. 时延。分组在各路由器存储转发时需要排队，会造成一定的时延

2. 额外的开销。分组中必须携带的控制信息造成了一定的开销

计算机网络的分类

按照网络的作用范围：

1. 广域网

2. 城域网

3. 局域网

4. 个人区域网

计算机网络的性能指标

1. 速率

   数据的传送速率，也称数据率，单位是 bit/s（比特每秒），或 b/s，或 bps（bit per second）

2. 带宽

   带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，即最高数据率

3. 吞吐量

   表示在单位时间内通过某个网络的实际的数据量

4. 时延

   数据从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间

5. 时延带宽积

6. 往返时间

计算机网络体系结构

为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或者约定称为网络协议，也可简称为协议。

计算机网络是个非常复杂的系统，在设计时通常采用分层的方法。

计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构。

分层的好处

1. 各层之间是独立的

   某一层并不需要知道它的下一层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间接口（即界面）所提供的服务

2. 灵活性好

   当任何一层发送变化时（例如由于技术的变化），只要层间接口关系保持不变，则在这层以上或以下各层均不受影响

3. 结构上可分割开

   各层都可以采用最合适的技术来实现

4. 易于实现和维护

   这种结构使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统变得易于处理，因为整个的系统已被分解为若干个相对独立的子系统

5. 能促进标准化工作

   因为每一层的功能及其所提供的服务都已有了精确的说明

OSI 和 TCP/IP 体系结构

开放式系统互联模型（英语：Open System Interconnection Model，缩写：OSI；简称为OSI模型）是一种概念模型，由国际标准化组织提出。 OSI 只获得了一些理论研究的成果，在市场化方面则事与愿违的失败了。

互联网协议套件（英语：Internet Protocol Suite，缩写IPS）是一个网络通信模型，以及一整个网络传输协议家族，为网际网络的基础通信架构，它常被通称为 TCP/IP协议族 简称 TCP/IP。该协议族中的两个核心协议分别是 TCP（传输控制协议） 和 IP（网际协议），也是该家族中最早通过的标准。

现今规模最大的、覆盖全球的互联网，并未使用 OSI 体系结构，而是基于 TCP/IP 体系结构的，因此 TCP/IP 体系结构成为了事实上的国际标准

五层协议的体系结构只是为介绍网络原理而设计的，实际应用还是 TCP/IP 四层体系结构

TCP/IP 各层的作用

1. 应用层

   通过应用进程间的通信和交互来完成特定的网络应用。

2. 运输层

   向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。

   有人愿意把运输层叫做传输层，可能是因为 TCP 协议就是传输控制协议。从字面上看，运输和传输差别也不大，但是这层的英文定义为 Transport 而不是 Transmission，因此使用运输层可能更为准确

3. 网络层

   向不同主机提供通信服务。把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包，然后选择合适的路由进行传送

4. 数据链路层

   把上层交付的数据组装成帧在两个相邻结点之间传送。

5. 物理层

   物理层的任务是以比特形式传输数据，物理层考虑的是怎样才能在连接计算机的各种传输媒体上传输数据比特流，而不是针对具体的传输媒体。

   计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式，物理层的作用正是要屏蔽掉这些传输媒体和通信方式的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异

数据在各层之间的传递过程

假定主机 1 的应用进程 AP1 向主机 2 的应用进程 AP2 传送数据（简单起见，假定两台主机通过一台路由器连接）：

1. AP1 先将其数据交给本主机的第 5 层（应用层）

2. 第 5 层（应用层）将应用进程的数据加上首部控制信息（不同的应用层协议首部不同）后交给第 4 层（运输层）；运输层再加上首部控制信息（含有源端口和目的端口）后交给第 3 层（网络层）；网络层再加上首部控制信息（含有源 IP 和目的 IP）后交给数据链路层，数据链路层进一步转换后交给第 1 层（物理层）

3. 第 1 层（物理层）收到转交下来的数据单元后，不再加上控制信息，直接作为比特流传送给路由器

4. 当比特流离开主机 1 经过网络的物理媒体传送到路由器时，从路由器的第 1 层依次上升到第 3 层。每一层都根据控制信息进行必要的操作，将控制信息剥去，把剩下的数据单元上交给更高的一层。

5. 当分组上升到第 3 层时，根据首部中的目的地址查找路由器中的转发表，找出转发分组的接口，然后往下传送到第 2 层，加上新的首部和尾部后，再到最下面的第 1 层，然后在物理媒体上把每一个比特发送出去

6. 比特流经过一系列的路由器后到达目的站的主机 2，从主机 2 的第 1 层按照上面的方式，依次上升到第 5 层。最后把应用进程 AP1 发送的数据交给目的站的应用进程 AP2。

如图中虚线所示，好像数据是直接通过水平虚线直接传递给对方一样，这就是对等层之间的通信

通俗的说，发送方的应用层负责产生数据并交给运输层，接收方的应用层负责接收运输层上交的数据并解析；发送方的运输层负责接收应用层产生的数据，并交给网络层，接收方的运输层负责接收网络层上交的数据并解析

发展

随着计算机网络的发展，某些应用可以直接使用 IP 层，或甚至直接使用最下面的网络接口层，TCP/IP 体系结构的另一种表示方法：

路由器和交换机的区别