概述
概念
定义
定义：计算机网络是将多个 [分散独立]{.red} 的计算机系统，通过 [通信设备]{.red} 和 [通信链路]{.red} 连接起来，并且利用软件实现 [资源共享]{.red} 和 [数据传递]{.red} 的系统
[互联网是 互联自治 的计算机集合]{.red}
通信设备
-
- 双绞线：(1) 屏蔽双绞线 (2) 非屏蔽双绞线
- 同轴电缆
- 光纤
数据传递：互联网中的所有数据都可以称为 [分组]{.red} ；每层也有自己具体的数据单位
功能
[数据通信]{.red}：借助计算机网络的 [连通性]{.red}，将数据从当前计算机系统 [传递]{.red} 到其他的计算机系统
[资源共享]{.red}：硬件 + 软件 + 数据
注：资源共享并不只是共享数据；借助计算机网络硬件和软件同样可以共享
分布式处理：各台计算机承担同一工作的不同部分
提高可靠性：当前计算机系统宕机后，使用代替机继续完成当前工作
负载均衡：调整不同计算机系统之间的工作
组成
前提：计算机网络的组成可以按照三种方式看：(1) 从实际的内容看(组成部分) (2) 从实际运行方式来看 (3) 从实际的功能来看(功能组成)
组成部分：
软件：运行在端系统上的各种软件
硬件：端系统 + 适配器 + 通信链路 + 通信设备
注：端系统又称为主机；端系统可以分为两类：(1) 客户端(个人电脑) (2) 服务器(大型机)
协议：[规定了两个或者多个通信实体之间交换报文的格式和顺序，以及发送报文和接收报文等其他事件需要采取的动作]{.red}
注：协议是计算机网络的核心；协议仅仅只是规定，真正的实现是由各种各样的硬件实现的，这些硬件需要遵循协议规定的内容
功能组成：分层结构
工作方式
网络边缘
- 定义：位于网络边缘的通常都是端系统：各式各样的个人电脑，移动端设备，以及大型数据中心
- 通信方式：P2P C/S
- 细节：网络边缘的设备从网络核心中获取相应的的网络服务
接入网
定义：将端系统 [物理连接]{.red} 到网络核心中的边缘路由器的网络
- 物理连接：说白了就是装网线的
- 边缘路由器
接入方式
家庭接入：
DSL (全称：Digital Subscribe Line 俗称：宽带)：
- 接入：每个用户将自己的 [DSL 调制解调器]{.red} 使用 [双绞线]{.red} 连接到本地电话公司的 [复用器]{.red} (DSLAM) 中
- 调制解调器（俗称：猫(Modem)）：[用于数字信号和模拟信号的相互转换]{.red}
- 双绞线：传统的电话线，[只能够传输模拟信号]{.red}
- 复用器：就是可以接入多个用户的调制解调器
- [DSL 接入的上行速率和下行速率不相等，这种接入被称为不对称的接入（ADSL 接入）]{.red}
- DSL 使用 FDM(频分复用技术)：用户的多个设备可以共享同一通信链路
拨号上网：(1) 可以看做没有使用频分复用技术的 DSL 接入 (2) 速率非常慢
电缆接入：
- 接入：每个用户将自己的 [电缆调制解调器]{.red} 使用 [同轴电缆]{.red} 连接到本地有线电视公司的 [电缆调制解调器]{.red} (CMTS) 中
- [电缆接入通常采用的也是不对称的接入]{.red}
- 电缆接入最重要的特征：[共享广播媒体]{.red}（需要使用 信道访问控制 来解决，否则实际下行速率会远低于理想的下行速率）
光纤接入(FTTH)：
(1) ISP 直接将光纤接入到每个用户的位置（每个用户独占一根光纤） (2) ISP 直到接近每个用户时才将光纤分开接入到每个用户 (多个用户共享一个光纤)
企业接入
- 以太网接入
- WiFi 接入：使用非导向性质的媒介：无线电波接入
广域无线接入：4G 5G 都属于广域无线接入
物理媒介
导向性质媒介
双绞线(Twisted Pair)：(1) 非屏蔽双绞线(UTP) (2) 屏蔽双绞线(STP)
注：10Mbps 传统电话线([3类双绞线]{.blue}) ； 100Mbps 以太网 ([5类双绞线]{.blue}) ；1Gbps 吉比特以太网（[6类双绞线]{.blue}）
同轴电缆(Coaxial cable)：(1) 2类同轴电缆(10BASE-2) (2) 5类同轴电缆(10BASE-5)
光纤：(1) 单模光纤 (2) 多模光纤
非导向性质媒介：无线电波，微波，红外线
网络核心
定义：网络边缘的端系统发送分组到网络核心的交换设备中，经过多个交换设备 [交换]{.red} 送到目的端系统上
交换设备：(1) 链路层交换机 (2) 路由器
交换方式
电路交换（Circuit Switching）：两个主机之间建立一条由多个交换设备和多条通信链路组成的 [专用线路]{.red}，报文通过专用线路传输到另一个主机上
复用：(1) 频分复用(FDM) (2) 时分复用(TDM) (3) 码分多址复用(CDM)
注：每个频带或者每个时隙都相当于一条线路，相当于将一条完整的线路在逻辑划分成多条，可以供多个用户使用
优点：(1) 报文传输 [延时小实时性强]{.red} (2) [可靠性高]{.red} (3) [没有冲突]{.red} 产生 (4) 适用范围广
缺点：(1) 线路独占导致资源利用率低（存在静默期(Silent Period)） (2) 连接建立时间长 (3) 每个用户获得的带宽仅为总带宽的 $\frac{1}{N}$
[电路交换时 面向连接服务 的：保证了可靠传输]{.red}
电路交换发送报文采取的是直通方式不是存储转发的方式
分类
按分布范围分类
- [广域网（WAN）]{.red}：使用 [交换技术]{.red}；连接各结点交换机的链路一般是高速电路，具有较大的通信容量；互联网是广域网的一种
- 城域网（MAN）
- [局域网（LAN）]{.red}：使用 [广播技术]{.red}；配置的主机数量没有限制（可以达到上百台）；[工作到数据链路层，不涉及网络层]{.red}
- 个人网（PAN）：个人范围内（通常范围只有数米）的计算机设备组成的网络
按使用者分类
- 公网（Extranet）：中国电信 中国移动 中国联通；大众都可以付费使用的网络
- 专网（Intranet）：政府 银行 军队；只有特定的人员才能够使用的网络
按交换技术分类
- 电路交换
- 报文交换
- 分组交换
按拓扑结构分类(逻辑拓扑 + 物理拓扑)：
定义：描述各个端系统和通信链路的连接方式和布局，以及数据传输的路径
总线型网络：
- 优点：(1) 建立网络容易 (2) 增删结点方便 (3) 减少成本
- 缺点：(1) 重负载时通信效率不高 (2) 总线对故障敏感
星型网络
- 优点：(1) 便于集中控制管理 (2) 提高流量的利用率
- 缺点：(1) 成本高 (2)单点故障
环状型网络：(1) 单向环型：环中信号单向传输 (2) 双向环型：允许环中信号双向传输
* 网状型（常用于广域网）
* 优点：可靠性高
* 缺点：(1) 控制复杂 (2) 线路成本高
按传输技术分类
互联网提供商
性能指标
速率：单位时间内从一端传送到另一端的 [数据量]{.red}
- 单位：bps Kbps Mbps Gbps <-> Bps KBps MBps GBps
- 换算：
- [上述单位都是以 比特 为单位的不是 字节]{.red}：需要将上述单位再除以 8 才是以字节为单位的
- 相邻两个单位之间的使用 [10^3^]{.red} 换算（也有可能是 1024）
带宽：
- 定义 1：指信道具有的频度宽度：就是最高频率和最低频率之差，单位赫兹
- 定义 2：单位时间从一端传输到另一端的 [最大数据量]{.red} ([通常都是理想速率，难以达到]{.blue})
吞吐量：单位时间内 [成功传输的数据量]{.red}（传输过程中会出现丢包等现象，实际接收的数据量可能并不是发送的数据量）
- [每段链路的吞吐量可能不一致]{.red}：吞吐量 = $min(R_0,R_1,R_2···R_n)$ 取最小的那个吞吐量
- [多个用户共享信道]{.red}：每个用户的吞吐量是信道总的吞吐量的 $\frac{1}{N}$
- [吞吐量受制于接入网或者用户的数量]{.red}
时延：
传输时延(propagation delay)：[分组大小 ÷ 带宽]{.red}
- 前提：仅考虑传输时延的情况下
- 一个分组经过 $N$ 个路由器转发到达目的地所花的时间 $d = N*\frac{L}{R}$
- $P$ 个分组经过 $N$ 个路由器转发到达目的地所花的时间 $d= (N + P - 1)*\frac{L}{R}$ (无论 $N$ 和 $P$ 的关系如何这个公式都是成立的)
- 前提：仅考虑传输时延的情况下
传播时延(transmission delay)：[信道长度 ÷ 介质传输速率]{.red}
排队时延(queuing delay)：分组在路由器队列中等待处理的时间
处理时延(processing delay)：路由器查询路由表转发的消耗时间
注：通常只考虑传输时延
时延带宽积()
- 定义：[当前的数字信道中所存在的比特数量]{.red}；即某链路现在又多少比特
- 公式：[带宽 x 时延 = 时延带宽积]{.red}
流量强度：
- 定义：$\frac{L\alpha}{R}$ （$L$ 是每个分组的比特数 $\alpha$ 是到达路由的分组数量 $R$ 是带宽或者传输速率）
- [流量强度增加会导致平均时延增加]{.red}
往返时延概念：
- 定义：从 [发送方发送数据开始]{.red} 到 [发送方收到接收方的确认]{.red} 为止
- 公式：[传播时延 * 2]{.red} + 末端处理时间
- 特点：往返时延越大，发送方能够传输的数据就越多，等待越久
利用率
信道利用率：[有数据通过的时间 ÷ 有 + 无数据通过的时间]{.red}
网络利用率：信道利用率的加权平均值
分层结构
概念
目的：
- 提高功能的独立性
- 促进标准化工作
- 灵活性高的同时降低了各层协议设计的复杂性
实体：(1) 每层中的活动元素称为实体（数据）(2) 同一层中的实体称为 [对等实体]{.red}
协议：
- 定义：规定两个通信实体之间交换报文的格式和顺序，以及接受报文和发送报文等其他事件需要执行的动作
- 组成：
- (1) [语法]{.red}(Syntax)：规定当前数据如何进行解析
- (2) [语义]{.red}(Semantic)：解析当前的数据所执行的功能
- (3) [同步]{.red}(Synchronization)：规定各个数据包解析的先后次序
数据单位：PCI + SDU = PDU
- 协议控制信息(PCI)
- 服务数据单元(SDU)
- 协议数据单元(PDU)
服务
- 概念
- 下层实体提供给上层实体的可以调用的功能
- 上层实体可以调用所有下层实体提供的功能
- 下层实体提供的服务的实现细节对于上层是不可见的
- 实现本层的协议需要下一层提供的服务
- 服务原语
- 请求；指示；响应；证实
- 有应答服务包含 4 中服务原语；无应答服务只包含 请求 和 指示
- 服务分类
- 面向连接服务（TCP） 和 无连接服务（UDP / IP）
- 可靠服务（TCP） 和 不可靠服务（UDP）
- 有应答服务 和 无应答服务（HTTP）
- 概念
接口：上层实体 调用 下层实体提供的 服务 的入口
分层
