• 网络(Network)由若干**结点(Node)连接这些结点链路(Link)**组成。
• 也可以通过多个网络路由器互联网构成了一个覆盖面更广的网络，即互联网（或互联网）。因此，互联网是**网络(Network of Networks) "**。

• 因特网(Internet)是世界上最大的互联网络(用户数亿，互联网数百万)。

因特网内部的细节，即路由器如何连接许多网络，往往省略不给出

• 因特网提供商ISP（Internet Service Provider）

ISP可向因特网管理机构申请成块IP地址拥有通信技术、路由器等网络设备的地址，任何机构和个人只需要去ISP支付一定的费用，可以从ISP一个接一个IP地址(因特网主机，必须有IP地址可以通过)ISP接入因特网。

• 基于ISP三层结构主干网

  • 第一层ISP：最先进，服务面积最大，被称为互联网主干网，一般可覆盖国际通信范围，并有高速链路和交换设备，第一层ISP直接互联
  • 第二层ISP和一些大公司在一起是第一层ISP具有局域或国家覆盖规模的用户，以及少数第一层ISP相连接
  • 第三层ISP又称为本地ISP，是第二层ISP一般校园网、企业网、住宅用户网络、企业网络、住宅用户和无线移动用户是第三层ISP的用户

基于因特网的逐渐演变ISP由于今天的多层次结构网络规模较大，很难详细描述整个因特网的结构，但红线所示的结构经常遇到，即两个相距较远的主机可能通过多个主机通信ISP，一旦用户能够访问因特网，他也可以成为ISP，购买一些调制解调器或路由器等设备，使其他用户能够与他相连，一个ISP在容易在拓扑上增加新的层次和分支

• 因特网的标准化对因特网的发展起着非常重要的作用。

• 因特网在制定其标准方面的一大特点是面向公众。

  • 因特网所有**RFC(**Request For Comments)因特网可免费下载技术文档； (http://www.ietf.org/rfc.html)
  • 任何人都可以随时用电子邮件对某个文件发表意见或建议。

• 因特网协会ISOC是一个国际性组织，它负责对因特网进行全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用。

  • 特网体系结构委员会IAB，负责管理因特网相关协议的开发;
  • 因特网工程部IETF，负责研究中短期工程主要针对协议的开发和标准化；
  • 因特网研究部lRTF，从事理论方面的研究和开发一些需要长期考虑的问题。

• 通过以下四个阶段制定因特网的正式标准：

  • (1)因特网草案(这个阶段还不是RFC文档)
  • (2)建议标准(从这个阶段开始)RFC文档)
  • (3)草案标准
  • (4)因特网标准

  只有一小部分RFC文档可以变成因特网标准

• 边缘部分

  • 所有连接到因特网络的因特网络主机组成。这部分是直接使用用户，用来做通信(传输数据、音频或视频)和资源共享。

  • 个人主机、服务器、智能硬件、手机等。

• 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(提供连通性和交换)。
  • 网络的核心部分是路由器，它是一种特殊的计算机，但我们不称之为主机，路由器是实现分组交换的关键部件，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

因特网最重要的分组交换机是路由器，负责连接各种网络，转发接收到的分组，即分组交换。

假设主机H6用户必须给主机H2用户发送消息，通常我们称表示消息的数据为报文，在发送报纸之前，将较长的报纸分为较小的等长数据段。在每个数据段之前添加一些由必要的控制信息组成的第一部分后，它构成了一个分组，也可简称为包，相应的第一部也可以称为包头

第一部电影的作用？

• 包含分组的目的地址，否则分组传输路径的分组交换机（即路由器）不知道如何转发分组
• 分组交换机收到分组后，现将分组暂时存储，再检查其首部，根据其首部的目的地址再进行转发，找到合适的转发接口，通过该接口将分组转发给下一个分组交换机

​ 本例中，主机H6将构造的各分组依次发送，各分组经过途中各分组交换机存储转发，最终达到主机H2，主机H2收到这些分组后，去掉他们的首部，将各数据段组合还原出原始报文

​ 为了更便于初学者理解，本例中只显示了两种分组传输过程中的情况，对于可能出现的重复、丢失、误码等问题没有进行演示

1. 各分组从源站到目的站可以走不通的路径（也就是不同的路由）
2. 分组乱序：分组到达目的站的顺序不一定与源站的发送顺序相同

​ 传送过程中，各部分的作用：

​ 与分组转发类似，报文交换的交换节点也采用存储转发方式，但报文交换对报文大小没有限制，这就要求交换节点拥有较大的缓存空间。

​ 报文交换适用于早起的电报通信网，现在较少使用，现在被先进的分组交换方式替代。

​ 假设A,B,C,D是分组传输路径上所要经过的四个结点交换机，纵坐标是时间

• 对于电路交换
  • 通信之前，首先要建立连接，连接建立好后，就可以通过已建立好的连接进行数据传送，数据传送完毕后，需要释放连接，以归还之前建立连接所占用的通信线路资源；
  • 一旦建立连接，中间的各节点交换就是直通形式的，比特流可以直达终点；
• 对于报文交换
  • 可以随时传送报文，而不需要提前建立连接，整个报文先传送到相邻结点传送机，全部存储下来后，在进行查表转发，转发给下一个结点交换机；
  • 整个报文需要在各结点交换机上进行存储转发，由于报文大小不受限制，需要各结点交换机都有较大的缓存空间；
• 对于分组交换
  • 可以随时传送分组，而不需要提前建立连接，构成各原始报文的一个个分组，依次在各结点交换机上存储转发，各结点交换机在发送分组的同时，还缓存接收到的分组；
  • 构成原始报文的一个个分组，需要在各结点交换机上进行存储转发，相比于报文交换，减少了转发时延，避免过长的报文长时间占用链路，同时也有利于进行差错控制；

优缺点：

• 适用范围广是指即可以传输模拟信号又可以传输数字信号；
• 动态分配线路是指当发送方把报文传送给结点交换机时，结点交换机先存储整个报文，然后选择一条空闲的线路，将报文发送出去；
• 提高利用率是指通信双方不是占用一条线路进行传输，而是在不同的时间分段部分占用物理线路；
• 多目标服务是指一个报文可以同时发送给多个目标地址；
• 简化存储管理是指分组长度固定，相应的缓冲区大小也固定，管理起来相对容易；
• 加速传输是指由于分组是逐个传输的，这就使后一个分组的存储操作与前一个的转发操作可以同时进行；
• 减少出错率和重发率是指由于分组小，出错率小就算出错直接重发出错部分即可。

• 计算机网络的精确定义并未统一
• 计算机网络的最简单的定义是:一些互相连接的、自治的计算机的集合。
  • 互连 是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信;
  • 自治 是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用;
  • 集合―是指至少需要两台计算机;
• 计算机网络的较好的定义是:计算机网络主要是由一些通用的、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，传送数据或视频信号)。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
  • 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机等智能硬件。
  • 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用(包括今后可能出现的各种应用)。

该图所示系统，各终端机只是具有显示和输入设备的终端，而并不是自治的计算机，这只是一个运行分时系统的大型计算机系统，所以该图所示系统不是计算机网络

按使用者分

• 公用网:是指电信公司出建造的大型网络，公用 的意思就是所有愿意按电信公司的规定交纳费用的人都回以使用这种网络。

• 专用网:是指某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络，不向本单位以外的人提供服务。

按覆盖范围分

若中央处理机非常近，1m数量级或者更小，则一般就称为多处理机系统，不称他为计算机网络

按拓扑结构分

• 性能指标可以从不同的方面来度量计算机网络的性能。

• 常用的计算机网络的性能指标有以下8个: 速率 带宽 吞吐量 时延 时延带宽积 往返时间 利用率 丢包率

• 比特

  • 计算机中的数据量单位，也是信息论中信息量的单位，一个比特就是二进制数字中的一个1或0

  • 常用的数据量单位：

    8 bit = 1 Byte

    KB= 2 10 B 2^{10}B 210B

    MB=K·KB= 2 10 ⋅ 2 10 B 2^{10}·2^{10}B 210⋅210B= 2 20 B 2^{20}B 220B

    GB=K·MB= 2 10 ⋅ 2 20 B 2^{10}·2^{20}B 210⋅220B= 2 30 B 2^{30}B 230B

    TB=K·GB= 2 10 ⋅ 2 30 B 2^{10}·2^{30}B 210⋅230B= 2 40 B 2^{40}B 240B

    • Byte 字节 常简写为大写字母B ; bit 比特 常简写为小写字母b
    • 一个字节包含8个比特
    • 千字节 KB K为 2 10 2^{10} 210 所以KB等于 2 10 2^{10} 210字节
    • 兆字节MB 吉字节GB 太字节TB

  Q：计算机中的硬盘，厂家标称为250GB，为什么计算机中实际为232GB?

  厂家给的硬盘数据量的单位GB中的G为 1 0 9 10^{9} 109,操作系统数据量的单位GB中的G为 2 30 2^{30} 230

• 速率

  • 连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也成为比特率或数据率
  • 常用数据率单位

  bit/s(b/s,bps)

  k b / s = 1 0 3 b / s ( b p s ) kb/s=10^{3}b/s(bps) kb/s=103b/s(bps)

  M b / s = k ⋅ k b / s = 1 0 3 ⋅ 1 0 3 b / s = 1 0 6 b / s ( b p s ) Mb/s=k·kb/s=10^{3}·10^{3}b/s=10^{6}b/s(bps) Mb/s=k⋅kb/s=103⋅103b/s=106b/s(bps)

  G b / s = k ⋅ M b / s = 1 0 3 ⋅ 1 0 6 b / s = 1 0 9 b / s ( b p s ) Gb/s=k·Mb/s=10^{3}·10^{6}b/s=10^{9}b/s(bps) Gb/s=k⋅Mb/s=103⋅106b/s=109b/s(bps)

  M b / s = k ⋅ G b / s = 1 0 3 ⋅ 1 0 9 b / s = 1 0 12 b / s ( b p s ) Mb/s=k·Gb/s=10^{3}·10^{9}b/s=10^{12}b/s(bps) Mb/s=k⋅Gb/s=103⋅109b/s=1012b/s(bps)

  T b / s = k ⋅ G b / s = 1 0 3 ⋅ 1 0 9 b / s = 1 0 12 b / s ( b p s ) Tb/s=k·Gb/s=10^{3}·10^{9}b/s=10^{12}b/s(bps) Tb/s=k⋅Gb/s=103⋅109b/s=1012b/s(bps)

出口带宽200M，指的是200Mb/s,即最高速率(网络出口带宽)为200Mb/s

其实，“带宽”的这两种表述之间有着密切的联系。一条通信线路的“频带宽度”越宽,其所传输数据的“最高数据率”也越高。

• 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。
• 吞吐量被经常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或额定速率的限制。

图中所示计算机网络，吞吐量受到带宽影响，通常只能达到700Mb/s.

时延分类：

分组在源主机传送到目的主机的过程中，会在以下地方产生时延

• 发送时延：源主机将分组发往传输线路这需要一定的传输时间；
• 传播时延：代表分组的电信号在链路上传输，这也需要花费一定的时间；
• 处理时延：路由器收到分组后，对其进行存储转发，这也需要花费一定的时间；

注意：一般来说源主机传送到目的主机之间会有多个路由器和链路，因此会有多个传播时延和处理时延。

三种时延的具体计算公式如下：

• 网卡的发送速率，信道带宽，接口速率它们共同决定着发送速率，在构建网络是应做到个设备间以及传输介质的速率匹配，这样才能完全发挥出本应具有的传输性能，具体匹配关系见下图：

• 由于不同介质导致电磁波传播速率不同，因此计算传播时延应先确定煤质种类；
• 处理时延不方便计算，因为网络中的数据流量是动态变化的，因此路由器的繁忙程度也是动态变化的，且各硬件的处理性能也可能不同；
• 本课程将排队时延和处理时延合并称为处理时延。

Q：当处理时延忽略不计时，是发送时延占主导还是传播时延占主导？

当处理时延忽略不计时，不能想当然认为是发送时延占主导还是传播时延占主导，而应该具体问题具体分析。

可以将传播时延看作是一个管道的长度，带宽是一个管道的横截面积，管道里充满了比特：

• 若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特;
• 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

• 在许多情况下，因特网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互;
• 我们有时很需要知道双向交互一次所需的时间;
• 因此，往返时间RTT(Round-Trip Time)也是一个重要的性能指标。

以太网上的某台主机，要与无线局域网的某台主机进行信息交互，往返时间RTT是指，从源主机发送分组开始，直到源主机收到来自目的主机的确认分组为止

Q:分组在以太网、无线局域网和卫星链路上哪个耗时更多？

A：卫星链路，一般情况下，卫星链路的距离比较远，所带来的传播时延比较大，例如，地球同步卫星距离地球36000公里，可以计算出通过同步卫星转发分组所带来的传播时延：

• 根据排队论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也会迅速增加;

• 因此，信道利用率并非越高越好;

• 如果令Do表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延。那么在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式来表示D、Do和利用率U之间的关系:

  • 当网络的利用率达到50%时,时延就要加倍;

  • 当网络的利用率超过50%时，时延急剧增大;

  • 当网络的利用率接近100%时，时延就趋于无穷大;

  • 因此。一些拥有较大主干网的ISP通常会控制它们的信道利用率不超过50%。如果超过了，就要准备扩容，增大线路的带宽。

• 也不能使信道利用率太低。这会使宝贵的通信资源被白白浪费。应该使用一些机制。可以根据情况动态调整输入到网络中的通信量，使网络利用率保持在一个合理的范围内。

• 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。

• 丢包率是网络运维人员非常关心的一个网络性能指标，但对于普通用户来说往往并不关心这个指标因为他们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，在通信量较大时就有可能造成网络拥塞

    • 如图所示，假设路由器R5当前的缓冲区已满

• 因此，丢包率反映了网络的拥塞情况:

  • 无拥塞时路径丢包率为0
  • 轻度拥塞时路径丢包率为1%~4%
  • 严重拥塞时路径丢包率为5%~15%

​ 为了使不同的计算机网络都可以实现互连，国际标准怨组织于1977成立了专门机构研究该问题,不久，就提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，也就是著名的“开放系统互连参考模型”，简称OSI，它是法律上的国际标准。该模型是一个七层协议的体系结构。

​ 虽然计算机网络体系结构已经制定出来，但此时因特网已抢先在全世界覆盖了相当大的范围。因特网从1983年开始使用TCP/IP协议族，并逐渐演变成TCP/IP参考模型，是事实上的国际标准。该模型是一个四层协议的体系结构。

​ OSI失败的原因主要有以下几点：

1. OSI专家们缺乏实践经验，完成OSI标准时没有商业驱动力
1. OSI协议实现起来过分复杂，而且运行效率很低
1. OSI标准的制定周期太长，因而使得按照OSI标准生产的设备无法及时进入市场
1. OSI标准层次划分不合理，有些功能在多个层次中重复出现

​ 对比两个体系结构，TCP/IP体系结构，相当于将OSI体系结构的物理层和数据链层合并成了网络接口层，并去掉了会话层和表示层。TCP/IP在网络中使用的是IP协议，IP协议的中文意思是网际协议，因此TCP/IP的网络层常称为网际层。

​ 大多数用户每天都有接入因特网的需求，这就要求用户的主机必须使用TCP/IP协议，即使用户的网络不接入因特网，也可以使用TCP/IP协议。

​ 在用户主机的操作系统中，通常都带有符合TCP/IP体系结构标准的TCP/IP协议族，而用于网络互联的路由器中，也带有符合TCP/IP体系结构标准的TCP/IP协议族，只不过路由器一般只包含网络接口层和网际层。

• 网络接口层：TCP/IP体系结构的网络接口层并没有规定什么具体内容，目的是互连全世界不同的网络接口，因此本质上TCP/IP只有上面三层；
• 网际层：IP协议是TCP/IP体系结构网际层的核心协议
  • IP协议将不同的网络接口互连，并向其上的TCP和UDP协议提供网络互连服务
  • IP协议一方面负责互连不同的网络接口，即IP over everything,另一方面为各种网络应用提供服务，即Everything over IP
• 运输层：TCP UDP是TCP/IP体系结构运输层的核心协议
  • TCP协议在享受IP协议提供的网络互连服务基础上，可向应用层的相应协议提供可靠的传输的服务；
  • UDP协议在享受IP协议提供的网络互连服务基础上，可向应用层的相应协议提供不可靠的传输的服务；
• 应用层：包含大量的应用层协议，例如：HTTO,SMTP,DNS,RTP等

​

​ 在嵌入式开发领域，TCP/IP协议族常称为TCP/IP协议栈，这是因为TCP/IP协议体系的分层结构，与数据结构的栈，在图形画法上是类似的。

​ 由于TCP/IP体系结构为将不同的网络接口进行互连，网络接口层并没有规定什么具体内容，然而对于学习计算机网络的完整体系来言就会缺少一部分内容，因此在学习计算机网络原理时往往采取折中的办法，也就是综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种五层协议的原理体系结构，即把将TCP/IP中的网络接口层，重新划分为物理层和数据链层。

• 计算机网络是个非常复杂的系统。早在最初的ARPANET设计时就提出了分层的设计理念。
• "分层"可将庞大而复杂的问题，转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

物理层——对于两个计算机相连的计算机网络而言：

需要考虑已下问题，就可以实现信号的传输了：

• 计算机使用RJ45以太网接口
• 需要注意：
  1. 严格来说，传输媒体并不属于物理层，并不包含在体系结构中
  2. 计算机所传播的信号，并不是我们举例的方波信号

数据链层—— 实用的计算机网络，通常都有多台主机构成：

​ 例如，主机ABCDE通过总线互连，构成了一个总线型网络

​ 假设我们已经解决了物理层问题，也就是说主机间可以发送信号来传输比特0或1了，还需要解决什么问题？

​ 如图所示，主机A要给主机C发送数据，但是表示数据的信号通过总线传播到总线上的每一个主机，主机C如何知道数据是发送给自己的，自己要接受的，而主机BDE又如何知道数据并不是发送给自己的，自己应该拒绝呢？

• 如何标识网络中各主机，即主机编址问题，例如MAC地址？

  • 网卡中的MAC地址，就是主机在网络中的地址
  • 主机在发送数据时，应该给数据附加上目的地址，当其他主机收到后，根据目的地址和自身地址，来决定是否接收数据

• 目的主机如何从信号所表示的一连串比特流中区分出地址和数据？

  • 即解决分组的封装格式问题

​ 对于总线型网络，还会出现，当总线空闲的时候，即没有主机使用总线来发送数据，片刻之后，主机B和D同时向总线发送数据，造成信号碰撞。

• 如何协调各主机争用总线？

​ 需要说明的是，这种总线型网络已经被淘汰，现在常用的是以以太网交换机将多台主机互连形成的交换式以太网

• 交换机又是如何实现的呢？

网络层——多个网络

​ 只要解决物理层和数据链层的问题，我们就可以实现分组在一个网络上的传输了，但现实中的因特网结构复杂，网络很多，仅仅实现这两层还是不能实现。

​ 下面所示网络，是由3个路由器，4个网络互连起来的小型互联网，可以看作是因特网中很小的一部分，仅有一个网络，我们不需要对网络进行标识。

• 如何标识各网络以及网络中的各主机？（网络和主机共同编址的问题，例如IP地址）

  • 以网络N1中的各设备的IP地址（四个十进制数组成）为例，该类地址的前三个十进制数用来标识网路，第四个十进制数用来标识主机，在本例中，网络N1的网络号为192.168.1
  • 该网络上的笔记本电脑，服务器，以及路由器接口的IP地址的前三个数应该都是192.168.1，因为其都在网络N1上，第四个十进制数1,2,254各不相同，用来标识他们自己

• 路由器如何进行转发分组，如何进行路由选择？（多个路径如何走？）

运输层

​ 如果解决了物理层，数据链路层，网络层，则可以实现分组在网络间传输的问题，但对于计算机网络应用而言仍然不够。

​ 例如，这台计算机中运行着两个与网络通信相关的应用进程，服务器中运行着与网络通信相关的服务器进程，某个时刻主机收到了来自服务器的分组，那么这些分组应该交给浏览器进程处理，还是应该交给QQ进程梳理？

• 如何解决进程之间基于网络通信的问题？

​ 如果，某个分组在传输过程中出现了误码，或者由于路由器繁忙，导致路由器丢弃分组

• 出现传输错误，如何处理？

应用层

​ 实现物理层，数据链路层，网络层以及运输层，则可以实现进程之间基于网络的通信，在此基础上，只需要制定各种应用层协议，并按协议标准，编写相应的应用程序，通过进程间的交互实现特定的网络应用。

总结

​ 主机和web浏览器之间基于网络的通信，实际上是主机中的浏览器应用进程与web服务器应用进程之间基于网络的通信

• 应用层，根据HTTP协议产生一个报文，再将报文交付给运输层处理

• 运输层给HTTP请求报文添加一个TCP首部，使之成为一个TCP报文段，以下是TCP报文段的格式，该首部作用主要是为了区分各应用进程，以及实现可靠的传输，运输层再将TCP报文段传递给网络层处理

• 网络层再给TCP报文段增加一个IP首部，使之成为IP数据报，以下是IP数据报的格式，该首部的作用主要是为了使IP数据报可以在互联网上传输，也就是被路由器转发，网络层将IP数据报交付给数据链路层处理

• 数据链路层给IP数据段增加一个首部和一个尾部，使之成为帧，假设网络N1是以太网

  • 这是以太网帧首部的格式，该首部的作用主要是为了让帧能够在一段链路上一个网络上传输，能够被相应的目的主机接收

  • 这是以太网帧尾部的格式，该首部的作用主要是为了目的主机检查所收到的帧是否有误码

• 物理层将帧看成是比特流，由于网络N1是以太网，物理层还会给该比特流前面加前导码，其作用是为了让目的主机做好接收帧的准备，物理层将加了前导码的比特流，变成相应的信号发送到传输媒体，信号通过传输媒体到达路由器，