1.1 计算机网络在信息时代的作用

计算机网络已经由一种通信基础设施发展成为一种重要的信息服务基础设施。
计算机网络已经成为我们生活中不可或缺的一部分。

计算机网络的定义：

地理上分散的设备
通过通讯介质互联
以资源共享为目的
工作原理：协议

1.2 因特网概述

1.2.1 网络、互联网和因特网

网络：由若干节点（Node）和连接这些节点的链路（Link）组成。节点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等。
互联网： 多个网络通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网，因此互联网是网络的网络。
因特网：是世界上最大的互联网络。

Tips：

internet是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互联而成的网络，这些网络之间的通信协议是任意的。

Internet是一个专用名词，指当前世界最大的、开放的、由众多网络互联而成的特定计算机网络，采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身为美国的ARPANET。

1.2.2 因特网发展阶段

因特网服务提供者ISP：

ISP可以从互联网管理机构申请到很多IP地址，同时拥有通信线路和路由器等联网设备，用户向ISP交纳费用即可获得所需IP的使用权并且可以通过ISP连入互联网。ISP分为三个层次：主干ISP、地区ISP和本地ISP。

1.2.3 因特网的标准化工作

1.2.4 互联网的组成

1.3 三种交换方式

1.3.1 电路交换（Circuit Switching）

要让所有的电话机都两两相连是不现实的，若有 $n$ 部电话则需要 $\frac{n*(n-1)}{2}$ 根电话线，于是便采用交换机的方式（如下图c所示）。

电话交换机接通电话线的方式称为电路交换。
从通信资源的分配角度来看，交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

电路交换的三个步骤：
1. 建立连接（分配通信资源）
2. 通话（一直占用通信资源）
3. 释放连接（归还通信资源）

电路交换的传输效率太低，不作为计算机数据的传输方式。

1.3.2 分组交换（Packet Switching）

报文： 发送的整块数据成为一个报文（message）
分组： 在发送报文之前，将较长的报文分解成更小的等长数据段，每个数据段前加上一些额外的控制信息组成的首部（header），就组成了一个分组（packet），分组又称为包，分组的首部称为包头。

1.3.3 三种交换方式的对比

1.4 计算机网络的定义和分类（重点）

1.4.1 计算机网络的定义

最简单的定义：一些互相连接的、自治的计算机的集合。
- 互联：计算机之间可以通过有线或者无线的方式进行数据通信。
- 自治：指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用。
- 集合：至少需要两台计算机。
计算机网络的较好的定义是:
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。

1.4.2 计算机网络的分类

Tips：按照覆盖范围分类的根本依据是数据传输的方式，根据数据传输的距离调制成不同的波。

1.5 计算机网络的性能指标（重点）

1.5.1 速率

1.5.2 带宽

Tips： 带宽指的是线路上允许的最高速率，类比高速公路，速率就是高速公路上汽车行驶的速度，带宽就是这条高速公路的限速值。

1.5.3 吞吐量

1.5.4 时延

排队时延：

分组在路由器输入输出队列中排队等待处理和转发所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。当网络的通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，这相当于排队时延为无穷大。

四种时延产生的地方如下：

计算例题：

Tips：一般计算时延时，电磁波传播速率取$2 * 10^8$，为在金属介质中的传播速度。

1.5.5 时延带宽积（略去）

1.5.6 往返时间

1.5.7 利用率（略去）

1.5.8 丢包率（略去）

1.6 计算机网络体系结构（重点）

1.6.1 常见的计算机网络体系结构

OSI体系结构内容

7层网络体系结构记忆方法：

上三层（资源子网）：
- 应用层
- 表示层
- 会话层
核心层：运输层
下三层（通信子网）：
- 网络层
- 数据链路层：网络由链路连接而成
- 物理层：决定数据传输的硬件

TCP/IP体系结构内容

1.6.2 计算机网络体系结构分层的必要性

计算机网络是一个非常复杂的系统，早在ARPANET设计时就提出了分层的设计理念。
“分层”可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理，下面按照简单到复杂的顺序，将实现计算机网络面临的主要问题划分到相应的层次中：

物理层

采用怎样的传输媒体（比如网线）
采用怎样的物理接口（PC端的网口）
使用怎样的信号表示比特0和1

数据链路层（网络内部）

如何识别网线中的各主机（主机编址问题，例如MAC地址）
如何从信号所表示的一串比特流中区分出地址和数据
如何协调各主机争用总线（主线形式的网络现在基本已经淘汰）

网络层（多个网络之间）

如何标识各网络以及网络中的各主机（网络和主机共同编织的问题，例如IP地址）
路由器如何转发分组，如何进行路由选择

运输层

如何标识进程之间网络通信的问题，即解决对于服务器发来的信息，交给哪个进程处理的问题。
出现传输错误时（丢包、误码），如何处理。

应用层

制定各种应用层协议，并按照协议标准来编写各种应用，如支持万维网的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议等。
通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用。

总结

1.6.3 计算机网络体系结构分层思想举例

如上图所示，主机与N1网络相连，服务器与N2网络相连，N1和N2通过路由器相连，下面用分层的思想模拟主机进程发送请求给服务器，服务器处理后返回信息再由主机进程接受的过程：

应用层按照HTTP协议构建一个HTTP请求报文
运输层给HTTP报文添加一个TCP首部，称为TCP报文段，报文段内容如下：
网络层给TCP报文添加一个IP首部，成为IP数据报，主要是使得数据报可以在互联网中传输，即被路由器转发，IP数据报内容如下：
数据链路层给IP数据报添加一个首部和一个尾部成为帧，首部使得帧可以在一段链路上传输，可以被目的主机接收，尾部用于让目的主机检查是否有误码
物理层将帧转换成比特流，如果网络是以太网，还会在比特流前加入前导码，用于让目的主机做好接收的准备，最后将比特流转换成相应的信号发送到传输媒体，信号通过传输媒体到达路由器的物理层。
路由器中物理层将信号转换为比特流，然后去掉前导码并将帧交给链路层
链路层去掉帧的首部和尾部变成IP数据报交给网络层
网络层解析IP数据报的首部，提取出目的网络的地址，然后查找自身的路由表确定转发端口，准备转发
网络层再将IP数据报交给链路层，链路层加上首部和尾部形成帧
物理层接收帧并转换为比特流，同时加入前导码，转换为信号发送到传输媒体，信号通过传输媒体到达服务器的物理层。
服务器的物理层接收信号转换为比特流，然后再逐层处理最后得到HTTP响应报文
服务器对HTTP响应报文进行处理并给主机发送HTTP相应报文，流程和上述类似。

1.6.4 计算机网络体系结构中的专业术语

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。逻辑通信实际并不存在，是一种假设的通信，便于单独研究某一层的通信。

协议的三要素：
- 语法：定义所交换信息的格式，下图示IP数据报的格式，每个格子称为字段或者域，语法定义了这些小格子的长度和顺序。
- 语义：定义收发双方所要完成的操作
- 同步：定义双方的时序关系，如下图就是TCP收发双方的时序关系

服务

在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务。
要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务。
协议是“水平的”，服务是“垂直的”。
实体看得见相邻下层所提供的服务，但是并不知道实现该服务的具体协议。也就是说，下面的协议对上面的实体是“透明”的。
在同一系统中相邻两层的实体进行交互（即交换信息）的地方，通常称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。SAP 是一个抽象的概念，它实际上就是一个逻辑接口。
服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型。
- 数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段。
- 网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”。
- 运输层的服务访问点为“端口号”。
服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过下层交换一些命令，这些称为服务原语。
协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元。
服务数据单元SDU：同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元。
多个SDU可以合成为一个PDU；一个SDU也可以划分为几个PDU。

1.7 小结

1.8 相关习题

1.8.1 体系结构相关习题

1.8.2 时延相关习题

时延主要计算传播时延和发送时延，传播时延是指在线路上传播所耗费的时间，主要由线路长度和信号在线路上的传播速率决定。发送时延是指主机发送数据所需要的的时间，主要区间于发送数据分组的大小和主机的带宽。如下图所示，链路带宽为1Mb/s，则发送一个比特所用的时间为1微秒，发送完一个比特后，这个比特在链路中的信号头部已经到达了200m的位置，这是由传播速率决定的。