Computer Network Learning Notes

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1. 概述

  • 因特网的边缘部分和核心部分的作用，包含分组交换的概念。
  • 计算机网络的一些性能指标。
  • 计算机网络分层次的体系结构，包含协议和服务的概念。

1.2 因特网概述

1.2.1 网络的网络

网络由若干结点（node）和连接这些节点的链路（link）组成。

结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器。

1.2.2 因特网发展的三个阶段

ISP 因特网服务提供者

IXP 互联网交换点

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1.3 因特网的组成

边缘部分、核心部分

1.3.1 因特网的边缘部分

C/S方式（客户-服务器方式）、P2P方式（对等方式）

1.3.2 因特网的核心部分

路由器（router），路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组。

电路交换的特点

建立连接 -> 通话 -> 释放连接

特点：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

分组交换的特点

分组交换采用存储转发技术。

分组（packet）又称为包，包含首部（header，又称为包头）与数据。各分组的数据部分的总和称为报文（message）。

三种交换： 电路交换、报文交换、分组交换

1.6 计算机网络的性能

1.6.1 计算机网络的性能指标

速率
带宽

带宽的两种定义

吞吐量
时延

总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 x 带宽

往返时间 RTT

Round-Trip Time

往返时间带宽积的意义：当发送方连续发送数据时，即使能够收到对方的确认，但已经将许多比特发送到链路上了。（假如数据的接收方及时发现了差错，并告知发送方，使发送方立即停止发送，但这时发送方也已经发送出了一个往返时间带宽积数量的数据）

利用率

信道利用率和网络利用率

D = D0 / (1-U)

信道或网络利用率过高会产生非常大的时延。一些较大的主干网的ISP通常控制信道利用率不超过50%，如果超过了就要准备扩容。

1.7 计算机网络体系结构

1.7.2 协议与划分层次

协议：为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定成为网络协议，也可简称为协议。

协议主要由三个要素构成：

  • 语法，即数据与控制信息的结构或格式；
  • 语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及作出何种相应；
  • 同步，即事件实现顺序的详细说明。

计算机网络的体系结构就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义。

1.7.3 具有五层协议的体系结构

OSI的七层协议体系结构；

TCP/IP是一个四层的体系结构：应用层、运输层（TCP或UDP）、网际层IP、网络接口层，从实质上讲，TCPIP只有最上面的三层，因为最下面的网络接口层基本上和一般的通信链路在功能上没有多大的差别。

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五层协议的体系结构：
5. 应用层
4. 运输层
3. 网络层
2. 数据链路层
1. 物理层
应用层（application layer）

应用进程间通信和交互的规则。如HTTP,SMTP,FTP等。应用层交互的数据单元成为报文（message）。

运输层(transport layer)

主要负责向两个主机中进程间的通信提供通用的数据传输服务。因为同一台主机可以运行多个进程，运输层有复用和分用的功能。

运输层主要使用以下两种协议：

  • 传输控制协议TCP(Transmission Control Protocol), 提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段（segment）。
  • 用户数据报协议UDP（User Datagram Protocol），提供无连接的、尽最大努力（best-effort）的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），其数据传输的单位是用户数据报。
网络层(network layer)

网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行发送。在TCP/IP体系中，由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报，或简称数据报（datagram）。分组和数据报可视为同义。

网络层的另一个任务就是要选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组能够通过网络中的路由器找到目的主机。

简称链路层。在两个相邻结点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧（framing），在两个相邻结点的链路上传送帧。每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）。

物理层（physical layer）

物理层要考虑用多大的电压代表1或0，以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各条引脚如何连接等。至于具体的媒介，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，并不属于物理层协议。物理媒介可以视为第0层。

1.7.4 实体、协议、服务和服务访问点

实体（entity） 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

协议是两个或多个对等实体进行通信的规则的集合。

在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得奔曾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。

服务访问点SAP: 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。

1.7.5 TCP/IP的体系结构

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主机
4. 应用层
3. 运输层
2. 网际层
1. 网络接口层
路由器
2. 网际层
1. 网络接口层

2. 物理层

2.2 数据通信的基础知识

2.2.2 信道

  • 单向通信：又称单工通信
  • 双向交替通信：又称半双工通信
  • 双向同时通信：又称全双工通信

基带信号：来自信号源的信号；基带信号多包涵低频成分甚至直流成分，需要调制后再传输。

调制两大类：

  • 基带调制，又称编码
  • 带通调制，使用载波（carrier），把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，带通信号。

2.6 宽带接入技术

2.6.1 ADSL技术

非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。由于用户在上网时主要时下行需求大于上行需求，ADSL中下行宽带要大于上行宽带，所以有“非对称”的说法。

3. 数据链路层

数据链路层使用的信道主要有两种类型：

  • 点对点信道，一对一的点对点通信方式。
  • 广播信道，一对多的广播通信方式。
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网络层要讨论的问题是分组怎样从一个网络通过路由器转发到另一个网络。
链路层关注的是分组怎样从一个主机传送到另一个主机（不经过路由器）。

本章最重要的内容是：

  1. 数据链路层的点对点信道和广播信道的特点，以及这两种信道所使用的协议（PPP协议以及CSMA/CD）的特点。
  2. 数据链路层的三个基本问题：封装成帧、透明传输和差错检测。
  3. 以太网MAC层的硬件地址。
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