ComNet
计算机网络自顶向下方法
一、计算机网络概述
计算机网络的基本概念，组成，功能与分类
计算机网络概念
- 利用通信设备和线路将分散在不同地点的具有独立功能的多个计算机系统互相连接起来，并按照网络协议进行数据通信实现资源共享的计算机集合
- 计算机网络就是一些互联的，自治的计算机集合。
计算机网络的组成
1.从组成部分上看
一个完整的计算机网络由硬件 软件以及协议构成。
硬件主要包括：主机(端系统)、通信链路(双绞线、光纤)、交换设备(路由器、交换机)、和通信处理机(网卡)构成
软件主要包括：各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件。软件部分主要处于应用层
协议：协议是计算机网络的核心，协议总是指某一层的协议。准确的说是对等实体之间的通信定制的有关通信规则约定的集合。
2.从工作方式上看
计算机网络分为边缘部分和核心部分。
边缘部分：由所有连接到因特网上，供用户直接使用的主机组成。用来进行通信和资源共享
核心部分：核心部分由大量的网络和连接这些网络的路由器构成，为边缘部分提供连通性和交换服务。
3.从功能组成上看
计算机网络=资源子网+通信子网
通信子网：由传输介质通信设备和相应的网络协议组成。
资源子网：实现资源共享的设备及其软件的集合，为多个计算机为用户提供服务
什么是因特网：
具体构成：遍及全世界数以百万的计算设备，网络的网络
计算机网络的功能
数据通信：
最基本重要的功能，实现联网计算机之间的各种信息传输，将分散在不同地理位置的计算机联系起来。进行统一的调配，控制和管理。
资源共享：
资源共享可以是软件共享，数据共享也可以是硬件共享，使计算机网络中的设备互通有无，分工协作来提高硬件、软件。数据资源的利用率。
分布式处理：
计算机网络中某个计算机系统载荷过重时，可以将复杂的处理任务分配给网络中的其他计算机系统，利用空闲的资源提高整个系统的利用率。
提高可靠性：
计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为代替机。
负载均衡：
将工作任务均衡的分给计算机网络中的各台计算机。
计算机网络的分类
1.按分布范围：
1）广域网（WAN）：广域网的任务是提供长距离通信，覆盖范围为 几十千米到几千千米是因特网的核心部分。
2）城域网（MAN）：城域网的覆盖范围可以跨越几个街区或者整个城市，覆盖范围约为5~50km。大多采用以太网技术。
3）局域网（LAN）：局域网通过微机或者工作站与高速链路相连，覆盖范围为几十米到几千米，在计算机配置数量上没有太多限制。
4）个人区域网（PAN）：将个人的电子设备通过无线技术连接起来，范围覆盖直径通常为10m。
2.按传输技术分：
1）广播式网络：所有联网计算机共享一个公共通信通道，一台计算机发送，其他计算机都能收听到这个分组，接收到分组的计算机通过检查目的地址确定自己是否接受。
2）点对点网络：每条物理线路连接一对计算机。如果两台主机中间没有专有线路就啊哟通过中间节点接收、存储和转发达到目的节点。（广域网基本属于点对点网络）。
3.按拓扑结构分：
网络拓扑结构指的是由网中节点与通信线路之间的几何关系来表示的网络结构，主要指通信子网的拓扑结构。分为星型、总线型、环形和网络型等。
4.按使用者分：
1）公用网（Public Network）指电信公司出资建造的大型网络，所有按规定交费的人都可以用。
2）专用网（Private Network）指某个部门为了特殊的事物业务需要而建造的网络。不像本单位以外的人提供服务。
5.按交换技术分：
1）电路交换网络
在源节点和目的节点之间建立一条专门用来传输数据的通路，包括建立连接、传输数据和断开连接三个部分。（电话）
特点：报文的比特流连续的从原点直达终点。
优点：数据直接传送，延时小，有序传输，适用范围广，控制简单。
缺点：建立时间长，线路利用率低，不能充分利用线路容量，不利于进行差错控制
2）报文交换网络（存储-转发网络）
用户数据加上源地址，目的地址，校验码等辅助信息，封装成报文，存储转发传输到下一个节点，下一个节点全部存储转发之后再传输到下一个直到目的节点为止。每个报文可以单独选择传输的路径。
存储转发传输：在传输该分组的第一个bit之前必须接收到整个分组。
特点：整个报文先传输到相邻节点，相邻节点全部接受存储后查找转发表，再转发给下一节点。
优点：无需建立连接，可以较为充分的利用线路容量，可以实现不同链路之间不同速率的转换，可以实现格式转换，可以实现一对多，多对一的访问，可以实现差错控制。
缺点：增大资源开销，增加了缓冲时延，需要额外的控制机制来保证多个报文顺序不乱。缓冲区难以管理。
3）分组交换网络
也称包交换网络，原理是将数据分为较短的固定大小块，在每个块中加入源地址，目的地址，校验码等辅助信息，封装成分组（包），以存储转发方式传输。
特点：单个分组传送到临近节点，存储后查找转发表并传送到下一节点直到传送到目的节点为止
优点：报文交换网络优点+ 缓冲易于管理，包平均时延更小。网络占用的平均缓冲区更少。易于标准化易于使用
现在主流网络基本都可视为分组网络。
缺点：存在传输时延，需要传输额外的信息量，采用数据报服务时可能出现失序，丢失分组或者重复分组。
6.按传输介质分
有线：双绞线网络，同轴电缆等。无线：蓝牙、微波、无线电等。
多路复用技术
多路复用：在一条传输链路上同时建立多条连接分别传输数据。
电路交换中的多路复用主要分为频分多路复用（Frequency-Division Multiplexing FDM）和时分多路复用。
频分多路复用（FDM）： 按频率划分若干个频段，每个频段专用于一个连接
时分多路复用（TDM）： 时间划分为固定区间的帧，每帧划为固定数量的时隙每个时隙专用于一个连接用于传输该链接的数据。
波分多路复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)：是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器或称去复用器，Demultiplexer)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术，称为波分复用。
码分多路复用（code division multiplexing）：是指利用各路信号码型结构正交性而实现多路复用的通信方式
计算机网络性能指标
速率：网络中的速率是指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率
带宽：频分多路复用中的一个频段的宽度
时延：指数据（一个报文或者分组）
**处理时延：**决定将分组导向何处，检查比特差错，决定输出链路
排队时延：分组等待在链路上传输的排队时间。排队时延的长短取决于先期到达的正在排队等待的分组数量。
传输时延：将分组的所有比特推向链路所需要的时间：（比特分组长度/传输速率）
**传播时延：**一个比特从链路的起点到下一节点（路由器）传播所需要的时间。（两台路由器之间额距离/传输速率）
丢包：如果到达的分组发现一个满的队列，没有地方存储这个分组，那么路由器将丢弃这个分组，这个分组就会丢失。
注意传输时延和传播时延的区别
流量强度（traffic intensity）：比特到达队列的平均速率（pkt/s）与比特从队列中推出的速率（bps）之比
设计系统时流量强度不能大于1
时延带宽积：指发送的第一个比特即将到达终点时发送端发送了多少个比特。因此又称为以比特为单位的链路长度。即
吞吐量 （throughput）： 单位时间通过某个网络（信道或端口）的比特的数量，吞吐量受到网络带宽或者网络定额数据的限制。
（考虑从主机A到主机B发送一个大文件）
平均吞吐量 ：主机B接收到的文件的速率（bps）
顺时吞吐量：若该文件为F比特，主机B接受到所有比特用了T秒，平均吞吐量为F/T bps
计算机网络分层体系结构
我们把计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构。也就是这个计算机网络及其完成功能的精确定义。计算机网络的体系结构通常有可分层性，将大系统分为若干较容易实现的系统层次。
在计算机的分层活动中，第n层活动的元素称为n层实体。具体来说实体指任何可发送或接收信息的硬件或软件过程。
计算机网络中的每一层通过在该层中执行某些动作或使用直接下层的服务来提供服务。例如：第n层提供的服务可能包括保温从网络的一边到另一边的可靠传送。这可能是通过使用第n+1层的边缘到到边缘的不可靠报文传送服务，加上第n层的检测和重传丢失报文的功能来实现的。
因特网的协议栈由五个层次组成：物理层，链路层，网络层，运输层，应用层。
七层ISO OSI参考模型：应用层，表示层，会话层，运输层，网络层，链路层，物理层。
| 层名称 | 作用 | 信息分组 |
|---|---|---|
| 应用层 | 网络应用程序以及他们的应用层协议存留的地方 | 报文 |
| 运输层 | 应用成熟端点之间传输应用层报文（TCP/UDP） | 报文段 |
| 网络层 | 将数据报的网络层分组从一台主机移动到另一台主机 | 数据报 |
| 链路层 | 为了将分组从一个节点移动到另一个节点，网络层必须依靠链路层的服务 | 帧 |
| 物理层 | 将帧一个比特一个比特的移动到下一个节点 |
计算机网络协议、接口、服务等概念
1.协议
协议就是规则的集合。在网络中想要有条不紊的交换数据就要遵守事先约定好的规则。这些规则明确规定了所交换的数据的格式，以及有关的同步问题。这些为网络中数据交换而建立的准则标准或约定称为网络协议。它是控制两个（或多个）对等实体进行通信的规则的集合，是水平的。不对等实体之间是没有协议的，
协议由语法，语义和同步三部分构成，其中，语法规定了传输数据的格式，语义规定了所要完成的功能。即需要发出何种控制信息，完成何种控制动作以及做出何种应答；同步规定了执行各种操作的条件，时序关系等，即事件实现顺序的详细说明。一个完整的协议通常应具有链路管理（建立，释放连接），差错控制，数据转换等功能。
2.接口
接口是统一节点内相邻两层间交换信息的节点。是一个系统的内部规定。接口只能在相邻的层次之间定义，不能跨层定义。在典型的接口上，同一节点相邻的两层的实体通过服务访问点(Service Acceess Point SAP)进行交互。服务通过SAP提供给上层使用。第n层的SAP就是第n+1层可以访问第n层服务的地方。每个SAP都有一个能标识他的地址。SAP是一个抽象的概念。实际上是一个逻辑接口，与硬件接口不同。
3.服务
服务是指下层为紧邻的上层提供的功能调用。是垂直的。在对等实体的控制下，使得本层只能为上一层提供服务。但要实现本层协议还需要使用下一层所提供的服务。上层使用下层服务时要与下层交换服务原语。OSI将原语划分为四类：
- 请求：由用户发往提供者，请求完成某项工作。
- 指示：由服务者发往用户，指示用户做某样事情。
- 响应：由用户发往服务提供者，表示对于指示的响应
- 证实：由服务提供者发往用户，表示对请求的证实。
注意协议和服务概念上的区别，只有本层协议实现才能向上一层提供服务。本层的服务用户只能看到服务而不能看到协议。即下面的协议对上面的服务用户是透明的。其次，协议是水平的，面向对等实体，但是服务是垂直的，从下层向上层传播。
计算机网络提供的服务分为三类：
（1）面向连接服务和无连接服务：面向连接需要建立连接，传输数据，链接释放三个步骤。而在无连接服务中，通信双方不需要建立连接，需要发送数据时可以直接进行发送。把目的地址的包发送到链路上，由系统选取路线发送。这种服务被描述为“尽最大努力交付”。并不保证通信的可靠性。
（2）可靠服务和不可靠服务：可靠服务要求网络具有纠错，验错，应答机制。可以保证数据正确可靠的传输到目的地。不可靠服务只是尽力而为的传送，但不能保证数据正确可靠的传输到目的地。对于提供不可靠服务的网络，可靠性要通过用户程序来进行保障。用户发现不正确的信息后报告给发送者，由发送者采取措施，从而使不可靠的服务变为可靠的服务。
（3）有应答服务和无应答服务：有应答服务需要在接收方接收到数据后向发送方给出响应应答。这个应答应该由传输系统实现而非用户实现。发送的应答既可以是肯定应答，也可以是否定应答。无应答服务是指接收方在接收到数据后不自动给出应答。若要给应答，则由高层实现。
ISO/OSI参考模型和TCP/IP模型
1.ISO/OSI模型
国际标准化组织（ISO）提出的网络体系结构模型，称为开放系统互连参考模型（OSI）OSI有七层，自上而下为应用层，表示层，会话层，传输层，网络层，数据链路层，物理层。其中高三层称为资源子网，相当于计算机系统，完成数据处理的功能。低三层称为通信子网，是为了联网附加的通信设备。传输层在中间承上启下。
具体各层描述见王道17-19页
2.TCP/IP模型
模型从低到高依次为网络接口层（对应OSI的物理层和数据链路层），网际层，传输层和应用层（对应OSI的表示层和应用层）王道20-21页。。懒得打了，之后整理。