网络 | 01. 计算机网络基础绪论与体系架构

基本概念

• 基本概念：node、link、网络、互联网、因特网

  • 网络（Network）由若干结点（Node）和连接这些结点的链路（Link）组成。
  • 多个网络还可以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，可以理解为，互联网是“网络的网络（Netwrok of Networks）”。
  • 因特网（Internet）是世界上最大的互连网络（用户数以亿计，互连的网络数以百万计）

• 因特网提供商叫做ISP（internet service provide）

  • 目前有三层结构：
    • 第一层是国际性连接的大网，主干网
    • 第二层是地区性的
    • 第三层是用户的局域网（校园网、家庭局域网等）
  • 网络提供是有标准的，其制定组织叫做ISOC，有多个委员会组成的国际性组织
  • 其结构也可以区分为核心区域（路由器、通信基站）和边缘区域（用户终端）

三种交换方式

• 电路交换（Circuit Switching）：直接用线将两个机器连接起来；电话交换机（有点像是之前说的集线器）；电信网
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  • 拨号建立连接（分配资源） -> 通话（始终占用通信资源） -> 释放连接（归还通信资源）
  • 计算机数据是突发式的，其使用电路交换效率会很低
• 分组交换（Packet Switching）：用路由器连接的网络；
  • 将数据划分为小段，加上必要的通信信息（包头）后称为“包”（构造/发送分组）
  • 根据包头中的信息找到下一个分组交换机（可以乱序或原序？）（缓存/转发分组，可以同时缓存和转发）
  • 得到数据之后再进行数据的重建（接受/还原分组）
• 报文交换（已经被时代淘汰了）：直接发送，不需要建立连接；不限制大小，需要有较大的缓存空间；可以同时发送给多个地址
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网络的定义和分类

• 定义：不统一；互联、自治、计算机集合
  • 互联是说可以通过连接进行数据通信
  • 自治是说要求独立的计算机
  • 集合是说至少两个
• 计算机网络的较好的定义是：计算一些通用的、可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，传送数信号）。这些可编程硬件可以传送多种不同类型的数据，并能支广泛的和日益增长的应用。
• 分类
  • 根据交换技术分类
  • 使用者分类：公用网/专用网（军队、铁路等）
  • 传输介质：有线/无线
  • 覆盖范围：广域网WAN（国家层面）、城域网MAN（这两年开始火起来了）、局域网LAN（学校/企业）、个域网PAN（个人区域网，打印机、鼠标、键盘之间的连接，距离很近，不严格算是网络）
  • 拓扑结果分类：总线型网络、星型网络（中央设备敏感）、环形网络（环中信号单向传输）、网状型网络；可以有复合型网络

网络性能指标（8个）

速率

• 比特，数据量单位，8bit=1Byte，KB，MB，GB，TB，以2的次方来计算
• 比特率，数据传输速度的单位，bit/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s，需要注意的是，速度单位中的kmgt是10的次方，且为小写b（bit）
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• 有一个待发送的数据块，大小为100MB，网卡的发送速率为100Mbps，则网卡发送完该数据块需要多长时间？
  • $$ (100 \times 2^{20} \times 8) / (100 \times 10^{6}) $$
  • 做题的时候，需要注意大小写的bB、量级字母出现在速度还是数据量上
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  • 应该是选D，没有给标答

带宽

• 所能传送数据的能力；两点间传输的最高数据率（单位和速率一致）
• 这个概念和在模拟信号中的说法不一样
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吞吐量

• 单位时间内，通过某个网络/信道/接口的数据量
• 常用测量；受带宽限制，1Gb/s的以太网，其吞吐量只能达到700Mb/s

时延

• 发送时延=分组长度b / 发送速率（b/s）
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• （传播时延=信道长度/电磁波传输速度、处理时延不方便计算，通常忽略不计）✖️多个
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• 大数据包，发送时延占主导；小数据包，传播时延占主导

时延带宽积

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• 可以理解为管道的“体积”；链路长度！

往返时间（RTT, round trip time）

• 双向传输下的时间，很有用
• 卫星链路上耗时较多，因为距离太远

利用率

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• 不宜太高或太低

丢包率

• 丢包率即分组丢失率，是指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的处比率。
• 丢包率具体可分为接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等。
• 运维人员关心指标，普通用户来说通常意识不到网络丢包
• 分组丢失主要有两种情况：
  • 分组在传输过程中出现误码，被结点丢弃：
  • 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃：在通信量较大时就可能造成网络拥塞。
• 存在拥塞处理方法，在缓存未满的时候就主动丢弃分组，因而丢包率反应网络拥堵状态
  • 1-4%的时候是轻度拥塞，5-15时为重度拥塞

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计算机网络体系结构

• OSI体系结构是法律上的国际标准，但是并没有完全被使用，其由专家学者制定、效率不够高，在实际使用中并不好用

• 因特网自1983年使用TCP/IP体系结构，虽然早期由学者制定，但也逐步被市场占领

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• 路由器往往只含有网络接口层和网际层，而用户电脑一般则具有全部的四层

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  • 其中TCP是可信传输，UDP是不可信传输协议
  • TCP/IP协议族，协议栈

• 在学习过程中使用【五层原理体系结构】：物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层

• 计算机网络结构分层的必要性

  • 将庞大问题划分为较小的局部问题！
  • 物理层的问题：传输介质/媒体、物理接口、怎么表示比特信号（试剂不是方波信号）
  • 数据链路层：在总线网络中，如何知道信号何时接受？需要在网络中标识各个主机（主机编址问题，如MAC地址），地址和信号的封装格式问题，如何协调主机如何征用总线
  • 网络层：在局域网和主机互联之后，网络和主机共同编组的问题（IP地址）；原主机和目的主机之间可能不止一条路径，路由器需要确定如何转发，如何选择路由；
  • 运输层：同一个主机上的多个不同进程，在信息来临时，如何确定交接给谁？如果数据传输时出现问题，如何让处理？
  • 通过应用间进程的交互来完成特定的网络应用交互，如http、smtp等
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• 实例解释分层思想：

  • 应用层数据生成HTTP报文，运输层加上TCP首部，得到TCP报文段，确保实现可靠传输
  • 网络层添加IP首部，得到IP数据报，将其交接给数据链路层
  • 在数据链路层给数据加上收尾标记，形成帧，其首部使数据可以正确传输，尾部则带有数据校验码；
  • 物理层将数据转变为比特流，加上前导码进行传输
  • 路由器收到信号后，逐层解码物理层将信号转变为比特流后，去除前导码，将帧交付链路层，提取IP数据报信息交付给网络层
  • 路由器在网络层得到IP数据报后，提取目的网络地址信息，查找自身路由表，确定转发端口，再将这样的数据重新经链路层封装为帧，物理层将其封装为比特流
  • 经传输介质发送到服务器，再经过逐层解析，得到HTTP请求信息
  • 服务器处理完成信息后再将响应信息逐步封装，发回请求主机

• 专用术语

  • 实体：可以发送或接受信息的硬件或软件进程
    • 对等实体：首发双方相同层次中的实体，如首发双方的网卡或通信进程
  • 协议：控制两个对等实体进行**逻辑通信**的规则的集合
    • 需要注意的是，这里的通信并不真实存在，只是抽象出来为了方便处理信息
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    • 协议的三大要素
      • 语法：定义所交换信息交换的格式，哪些字段、何种顺序、多少长度等
      • 语义：定义收发双方需要完成的操作，如如何处理请求和响应等
      • 同步：定义收发双方的时序关系，如TCP协议三报文握手建立连接
  • 服务：在协议控制下，两个对等实体间的逻辑通信似的本层能够向上一层提供服务，如物理层给链路层提供服务
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    • 由图，协议是水平的，服务是垂直的

    • 实体可以看见相邻下层所提供的服务，但不知道实现该服务的具体协议（下层协议对上层实体是透明的，但上层并不需要搞清楚下层干了什么）

    • 服务访问点：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，如运输层的服务访问点为端口号，网络层为IP数据报首部中的协议字段等

      • ​#Q#​ 是和上层的接口还是下层的接口？

    • 服务原语：上层使用下层所提供服务必须通过与下层交换一些命令，这些命令称为服务原语

    • 协议数据单元 PDU：对等层次之间传送的数据包；服务数据单元 SDU：同一系统内，层与层之间交换的数据包

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      • 多个SDU可以合成为一个PDU，一个SDU也可以划分为几个PDU ‍