本文是个人笔记，都是概念，没基础不建议看，个人加深映像用。

绪论

计算机网络的定义

  • 最简单的定义：计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合
  • 因特网（Internet）是“网络的网络”

计算机网络的组成（物理组成）

物理组成来看，计算机网络包括硬件、软件、协议

  • 硬件包括主机、通信处理机、通信线路和交换设备（交换机、路由器、中继器等连接设备）
  • 软件主要包括实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件
  • 协议就是一种数据在线路上传输必须遵循的规则

计算机网络的组成（工作方式）

可以划分为两大块：

  • 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，用来进行通信（传送数据、音频或视屏）和资源共享。
  • 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服务的（提供连通性和交换）

计算机网络的组成


边缘部分：处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。这些主机又称为端系统。

普通个人电脑
大型计算机

边缘部分：“主机A 和 主机B 进行通信” 实际上是指：“运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序（进程）进行通信”。

端系统之间的通信方式通常可划分为两大类：

  • （C/S方式）客户——服务器方式 即 Client/Server 方式
  • （P2P方式）对等方式 即 Peer-to-Peer 方式

核心部分：网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接受各种形式的数据）

  • 在网络核心起特殊作用的是路由器（router）
  • 路由器是实现分组交换和路由选择的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能
  • 分组转发和路由选择是网络核心部分最重要的功能

因特网中的服务

通信服务可以分为两大类

  • 面向连接服务（connect-oriented service）

面向连接服务的数据传输过程必须经过连接建立、连接维护与释放连接的三个过程（TCP）

面向连接数据传输的收发顺序不变，传输可靠性好，但是协议复杂，通信效率不高。

  • 无连接服务（connectless service）

无连接服务的每个分组都携带完整的目的节点地址，各分组在系统中是独立传送的

无连接服务中的数据传输过程不需要结果连接建立、连接维护和释放练级的三个过程

数据分组传输过程中，目的结点接收的数据分组可能出现乱序、重复与丢失的现象

无连接服务的可靠性不好，但是协议相对简单，通信效率较高

可靠服务是指网络具有纠错、检错、应答机制，能保证数据正确、可靠地传送到目的地

不可靠服务是指网络只是尽量正确、可靠地传送，但不能保证数据正确、可靠地传送到目的地，是一种尽力而为的服务。

可靠服务 ≠ 面向连接
PPP协议是面向连接的，但 PPP协议 是不可靠的

不可靠服务 ≠ 面向无连接
HTTP协议是面向无连接的，但 HTTP协议 是可靠协议

有应答服务是指接收方在收到数据后向发送方给出相应的应答（文件传输服务）

无应答服务是指接收方收到数据后不自动给出应答

计算机网络的特点

  • 连通性（Connectivity）

使上网用户之间都可以交换信息（数据，以及各种音频视频），好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样

互联网具有虚拟的特点，无法准确知道对方是谁，也无法做到对方的位置

  • 共享（Sharing）

指资源共享

资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。

由于网络的存在，这些资源好像就在用户身边一样，方便使用

计算机网络的功能

  • 数据通信：数据通信是计算机网络最基本和最重要的功能，包括连接控制、传输控制、差错控制、流量控制、路由选择、多路复用等子功能
  • 资源共享：包括数据资源、软件资源以及硬件资源
  • 分布式处理：当计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时，可以将部分任务传送给网络中的其他计算机系统进行处理，利用空闲计算机资源提高整个系统的利用率
  • 信息综合处理：将分散在各地计算机中的数据资料进行集中处理或分级处理

计算机网络的分类

按交换技术分类

  • 电路交换网络
  • 报文交换网络
  • 分组交换网络

按传输介质分类

  • 有线网络：光纤，同轴电路，双绞线
  • 无线网络：卫星通信，电磁波，红外线，声波

按拓扑结构分类

  • 星型网络（Star）
  • 总线型网络（Bus）
  • 环形网络（Ring）
  • 网状型网络（Mesh）

按分布范围分类

  • 广域网 WAN （Wide Area Network）
  • 局域网 LAN（Local Network）
  • 城域往 MAN（Metropolitan Area Network）
  • 个人区域网 PAN（Personal Area Network）

按网络的使用者进行分类

  • 公用网（public network）
  • 专用网（private network）

按传输技术分类

  • 广播式网络
  • 点对点网络

计算机网络的性能指标

速率（计算机网络每秒可以发宋的数据）

速率即数据率（Data Rate) 或比特率 (Bit Rate) ，是计算机网络中重要的一个性能指标。速率的单位可以是b/s，kb/s，Mb/s,Gb/s等。速率往往是指额定速率或标称速率。

带宽

带宽是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义词，单位是b/s

延迟时延

数据从网络或链路的一端传送到另一端所需要的时间称为时延，有时也称为延迟迟延。

  • 发送时延 发送数据时，数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到该帧的最有一个比特发送完毕所需的时间。

发送时延 = 数据帧长度/发送速率（带宽）

  • 传播时延 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间

信号发送速率和信号在信道上的传播速度时完全不同的概念。

传播时延 = 信道长度(米) / 信号在信道上的传播速率（米/秒）

  • 处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
  • 排队时延 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量

总时延

  • 数据经历的总时延就是发送时延、传播时延、处理时延和排队时延之和
  • 对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率
  • 提高链路带宽减小了数据的发送时延

时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 ✖️ 带宽

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

长度的计量方式可以使用m等大家熟悉的单位，还可以使用其他度量单位。时延带宽积就是一种利用比特（b）来作为度量长度，例如A和B两点之间的传播时延是100时，每秒可以发送一个比特（b)数据，那么A和B之间的长度就是100b，这就是时延带宽积

吞吐量

吞吐量（throughput）表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。

吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。

吞吐量受网络的带宽和网络的额度速率的限制。

计算机网络的体系结构

计算机网络是一个复杂的系统，为了减少网络设计的复杂性，绝大多数网络采用分层设计方法。

所谓分层设计方法，就是按照信息的流动过程将网络的整体功能分解为一个个的功能层，不同计算机的同等功能层之间采用相同的协议，同一计算机上的相邻功能层之间通过接口进行信息传递

计算机网络的各层及其协议的集合称为网络的体系结构

  • 实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
  • 对等实体：同一层的实体叫做对等实体
  • 对等层：不同计算机上的同一层称为对等层
  • 相邻层：相同计算机上的相邻的层次

n层实体实现的服务为n + 1层所利用
这种情况下，n层被称为服务提供者，n + 1层为服务用户

计算机网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合

体系结构就是这个计算机网络及其部件所应完成的功能的精确定义

实现是遵循这种体系结构的前提下用何种硬件或软件完成这些功能的问题

体检结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件

计算机网络的体系结构的三要素

协议

  • 计算机网络中的数据交换必须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（同步含有时序的意思）
  • 网络协议，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

协议三要素

  • 语法 数据与控制信息的结构或格式
  • 语意 需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
  • 同步 事件实现顺序的详细说明

服务

  • 服务是指下层为紧相邻的上层提供的功能调用，也就是“垂直的”。对等实体在协议的控制下，使得本层能为上一层提供服务，但要实现本层协议还需要使用下一次所提供的服务

接口

  • 接口是同一个结点内相邻两层间交换信息的连接点，时一个系统内部的规定。每一层只能为紧邻的层次之间定义接口，不能跨层定义接口。在典型的接口上，同一结点相邻两层的实体通过服务访问点进行交互

协议时“水平的”，即协议时控制对等实体之间通信的规则。
服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

ISO/OSI参考模型
  • ISO/OSI参考模型是国际标准化组织（ISO）提出的网络体系结构模型，通常简称为OSI参考模型
  • OSI/RM参考模型有七层，自下而上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层
  • 上面3层统称为通信子网，是为了联网而附加上去的通信设备，以完成数据的传输功能
  • 下面3层统称为资源子网，相当于计算机系统，完成数据的处理等功能

TCP/IP模型

TCP/IP模型 VS OSI 参考模型

RM 7层
TCP/IP 4层
教学模型 5层

物理层

传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路

传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体（有线传输介质）和非导引型传输媒体（无线传输介质）

传输媒体位于物理层之下（物理0层）

有线介质

  • 光纤：光信号
  • 双绞线：电信号
  • 同轴电缆：电信号

无线介质

  • 微波：电磁波
  • 红外线：光信号
介质通信模式（介质如何传递信号）
  • 单项通信（单工通信）—— 只能有一个方向的通信而设有反方向的交互。
  • 双向交替通信（半双工通信）—— 通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。
  • 双向同时通信（全双工通信）—— 通信的双方可以同时发送和接收信息
物理层的功能

物理层考虑的是怎样才能再各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异，透明的传输比特流（无差异传输）。

用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure）。

  • 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
  • 电气特性：指明接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
  • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

确定与传输媒体的接口的一些特性。

通信基础

  • 数据（data）—— 运送消息的实体。
  • 信号（signal）—— 数据的电气的或电磁的表现。
  • 模拟信号（analogous signal）—— 代表消息的参数的取值是连续的。
  • 数字信号（digital signal）—— 代表消息的参数的取值是离散的。
调制

基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制（modulation）。

调制分为两大类：

  • 基带调制：其他信号 —— 基带信号。把这种过程称为编码（coding）。
  • 带通调制：其他型号 —— 带通信号。

常见的编码方式：

  • 不归零制:正电平代表 1，负电平代表 0。
  • 归零制:正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。
  • 曼彻斯特编码:位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。
  • 差分曼彻斯特编码:在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特（Manchester）编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。
从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率(这叫做没有自同步能力）,而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

基本的二元制调制方法

  • 调幅(AM): 载波的振幅随基带数字信号而变化。
  • 调频(FM):载波的频率随基带数字信号而变化。
  • 调相(PM):载波的初始相位随基带数字信号而变化。

正交振幅调制 QAM (Quadrature AmplitudeModulation): 多元制的振幅相位混合调制方法