计算机网络第一章(计算机网络开篇)

一.什么是计算机网络

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计算机网络的特点 :

1. 连通性: 使得上网用户之间都可以交换信息(数据,音频等)
2. 共享: 资源共享(信息共享,软件共享,硬件共享)
3. 虚拟性: 无法准确知道对方是谁

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1.0 何为计算机网络

全球最大的互联网络, 其实网络就是跟蜘蛛网一样由节点和链路组成,所织成的网

节点就是计算设备-主机/端系统 (比如pc机, 服务器, 手机, 无线笔记本等)
链路就是通信链路, 分为无线链路和有线链路(比如: 光纤, 铜缆,无线电,卫星等)

那么这个节点要发送到那个节点要怎么实现呢?

这时候就需要路由器或交换机来实现分组交换
路由器就是用来连接不同网络的
交换机就是把就近的几个计算机连成一个网络

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1.1 什么是Internet?

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从服务的角度来说, 它是为网络应用(使用网络浏览器进行操作的应用软件,比如email, 网络游戏,web)提供通信服务的通信基础设施

为网络应用提供应用编程接口(API)
支持应用程序"连接"internet, 发送/接收数据

互联网是目前技术最为成功、应用最为广泛的计算机网络,起源于美国,是由数量极大的各种计算机网络互连起来的一个互联网络, 采用TCP/IP协议族作为通信规则, 是一个覆盖全球、实现全球范围内连通性和资源共享的计算机网络
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1.2 互联网与互连网

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1.3 互联网基础结构发展的三个阶段

第一个阶段: 单个网络ARPANET向互联网发展的过程, 1983年TCP/IP协议成为ARPANET的标准协议, 人们把1983年作为互联网诞生的时间

第二阶段: 建成了三级结构的互联网

第三阶段: 逐渐形成了多层次ISP结构的互联网

• 出现了互联网服务提供者ISP (lnternet Service Provider)。
• 任何机构和个人只要向某个ISP交纳规定的费用，就可从该ISP获取所需P地址的使用权，并可通过该ISP接入到互联网。
• 根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数目的不同，ISP也分成为不同层次的ISP:主千ISP、地区ISP和本地ISP。

国内比较大的ISP: 电信, 移动, 联通

(ISP盈利产生, 我家单独上网要800元, 四户邻居来蹭网, 每年交给我300, 我免费用网还盈利400元, 我就是小小ISP)

IXP的作用是“使因特网上的数据流量分布更加合理，同时也减少了分组转发的迟延时间，降低了分组转发的费用”

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网络和交通一样仅仅有道路和车辆是不够的, 还要有交通规则(也就是网络协议)
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二.什么是网络协议

网络协议规定了通信实体之间所交换的消息的格式、意义、顺序以及针对收到信息或发生事件所采取的“动作”

2.1 协议的三要素

语法, 语义, 时序
语法: 数据或控制信息的结构或格式
语义: 需要发出何种控制信息, 完成何种动作以及做出何种响应
时序: 事件顺序, 速度匹配

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协议是计算机网络的重要内容
协议规范了网络中所有信息发送和接收过程

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2.2 internet协议标准

互联网的标准不是一家说了算,每个人都能提建议

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所有互联网标准都以RFC的形式在互联网上发表

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三. 互联网的组成

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互联网由边缘部分和核心部分组成

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(提供联通性和交换)
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3.1 边缘部分

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连接在互联网上的所有主机处在互联网边缘部分, 这些主机叫端系统(网络摄像头、个人电脑、大型计算机)

端系统的拥有者可以是个人，单位或某个ISP
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3.11 端系统之间的通信

计算机之间的通信： 其实是主机A的某个进程和主机B上的某个进程进行通信
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** 端系统之间的通信方式可分为两种：
客户-服务器方式（C/S）
对等方式（P2P）方式

客户-服务器方式（C/S）

客户与服务器是通信中所涉及的两个应用进程，是服务与被服务的关系
服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务

客户与服务器是相对而言的, 自己的计算机也可以装服务器, 也可以被访问
客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可以发送和接收数据

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客户软件的特点：

1. 被用户调用后运行（它是一个进程），打算通信时主动向远地服务器发送通信请求服务，因此，客户程序必须知道服务器程序的地址
2. 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统

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服务软件的特点：

1. 可以同时处理多个远地或本地客户的请求
2. 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的请求， 服务程序不需要知道客户程序的地址
3. 需要强大的硬件和高级的操作系统支持

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对等方式（P2P）方式

P2P是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方
只要两个主机都运行了对等连接软件（P2P软件）它们就可以进行平等的、对等连接通信
主要用于文件传输，双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档

C、D、E、F都可以互相传输文件

对等连接方式的特点：

1. 对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机即是客户又是服务器
2. 对等连接工作方式可支持大量（如上百万个）对等用户同时工作

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3.2 核心部分

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路由器就是用来连接不同网络的
交换机就是把就近的几个计算机连成一个网络
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互联网的核心部分

1. 网络核心部分是互联网中最复杂的部分
2. 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向其他主机通信
3. 在网络核心部分起到特殊作用的是路由器
4. 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， 这是网络核心部分最重要的功能

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3.21 数据交换技术

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典型数据交换技术包括： 电路交换、分组交换、报文交换

互联网核心技术采用分组交换技术， 我们着重讲解分组交换

电路交换

电路交换最经典的就是电话线


连接之后不需要有地址, 因为他们专线了
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打长途电话需要多个交换机

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分组交换

分组交换的主要特点:

1. 分组交换采用存储转发技术
2. 在发送端, 把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段

两个问题： 具体怎么实现分组交换？ 什么是存储转发？

先来看怎么实现分组交换

以分组为单位在网络中传送

去掉首部后收到的数据

最后在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文

要点：

1. 每一个分组的首部都含有地址（目的地址和源地址）等控制信息
2. 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机
3. 每个分组在互联网中独立地选择传输路径
4. 用这样的存储转发方式， 最后分组就能到达最终目的地
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什么叫存储转发

H1向H5发送分组, 需要经过三个路由器, 经过路由器A时,分组暂存在路由器A, 然后查询转发表,找到转发的端口转发,以此类推路由器C和E也是一样

分组交换的优点:

1. 高效: 在分组传输的过程中动态分配传输带宽, 对通信链路是逐段占用(在一整条链路中,比如按时间分为很多个段, 这0.01秒传输这个分组, 下一个0.01秒传下一个分组,看起来就像可以同时用这条链路)
2. 灵活: 为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
3. 迅速: 以分组作为传送单位, 可以不先建立连接就能向其他主机发送分组, 不像电路交换一样先建立连接
4. 可靠: 保证可靠性的网络协议, 分布式多路由的分组交换网, 使网络有很好的生存性(有备用路径)

当AC断了, A可以从B这里走再去连接C
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分组交换的缺点:

1. 分组在各结点存储转发时需要排队, 会造成一定的时延
2. 分组必须携带首部控制信息, 会造成一定的开销
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报文交换

报文交换的时延较长, 从几分钟到几小时不等, 现在报文交换已经很少有人使用了

我们来看三种交换之间的比较

• 我们可以明显看到报文交换的时延和时间最长, 分组交换用的时间最少
• 若要连续传送大量的数据, 且其传送时间远大于连接时间, 则电路交换的传输速率较快(比如打电话)
• 报文和分组交换不需要预先分配传输带宽, 可以传输突发数据, 提高信道利用率
• 由于一个分组的长度远远小于整个报文的长度, 因此分组交换比报文交换的时延小, 同时具有更好的灵活性

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1. 电路交换的优缺点

优点

通信时延小:通信线路为通信双方用户专用，数据直达，连续传输大量数据时，这一优势明显.
有序传输:数据只在专用线路上传输，因此不存在失序问题.
没有冲突:不同的通信双方拥有不同信道，不会出现争用物理信道的问题.
使用范围广:电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号.
实时性强:通信时延小.
控制简单

缺点

建立连接时间太长:电路交换的平均连接时间对计算机通信来说太长了.
线路独占，使用效率低
灵活性差:只要连接所建立的物理通路中的任何一点出现故障，就需要重新建立连接.
难以规格化:电路交换时，数据直达，不同类型、不同速度、不同规格的终端很难相互通信,也难以在通信过程中进行差错控制.
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2. 报文交换的优缺点

优点

无需建立连接:用户可以随时发送报文.
动态分配线路:当发送方将报文发送到结点交换机时，结点交换机先存储整个报文,然后选择一条合适的空闲线路将报文发送出去.
提高线路可靠性:如果某条传输线路发生故障，会重新选择一条路径传输数据.
提高线路利用率:通信双方不是固定占用一条线路，而是在不同时间分段部分占用物理线路.
提供多目标服务:一个报文可以同时发送给多个目的地址.

缺点

引起了转发时延:结点交换机要存储和转发报文.
需要较大的存储空间:报文大小没有限制.
需要传输额外的信息量:因为需要携带源地址与目标地址等信息.
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3. 分组交换的优缺点

优点

无需建立连接:用户可以随时发送分组.
线路利用率高:通信双方不是占用一条通信线路,而是在不同的时间分段部分占用物理线路.
简化了存储管理:相对于报文交换,分组长度固定，相应的缓存区大小也固定，管理起来相对容易.
加速传输:由于分组是逐个传输的，这就使得后一个分组的存储操作，与前一个分组的转发操作可以同时进行.
减少出错概率和数据量:因为分组比报文小,出错概率必然减小,即便分组出错也只需重传出错的分组.这比重传整个报文的数据量要小的多.不仅提高可靠性也减少了传输时延.

缺点

引起了转发时延:结点交换机上要经历存储转发的过程.
需要传输额外的信息量:将原始报文分割成等长的数据块,每个数据块都要加上源地址和目的地址等控制信息,从而构成分组.
对于数据包服务，存在失序、丢失或重复分组的问题;对于虚电路服务,存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

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四. 计算机网络的类别

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4.1 计算机网络的定义

其实计算机网络的精确定义并未统一

目前较好的计算机网络的定义: 计算机网络主要是由一些通用的(不是一家独占)、可编程的硬件互连而成的（这里的可编程硬件必须包含CPU），而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（如传输数据和视频信号），这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据， 并能支持广泛和日益增长的应用（可扩展）

也就是说

• 计算机所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机、智能手表等
• 计算机网络并非专门用来传输数据， 而是能够支持很多种的应用（可扩展）
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4.2 计算机网络的分类

• 按照网络的作用范围进行分类
• 按照网络的使用者进行分类
• 用来把用户接入到互联网的网络

按照网络的作用范围进行分类

广域网一般就是买运营商的带宽, 就是花钱买带宽
不管是你邻居离你有多近, 只要你们连上了广域网, 通过广域网来进行数据交换, 那你们就是广域网
如果你邻居是蹭你家网络, 那你们就是局域网或者是个人区域网
所以说看什么网距离不单单是个指标, 看连的是什么网

校园网通常是指在校园内部建立的局域网，由学校或相关机构提供和管理，因此不属于公共网络
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按照网络的使用者进行分类

• 公用网: 按规定缴纳费用的人都可以使用的网络, 也称为公共网
• 专用网: 为特殊业务工作的需要而建造的网络(军用网络等)

用来把用户接入到互联网的网络

• 接入网AN, 又称为本地接入网或居民接入网
• 接入网本身既不属于互联网的核心部分, 也不属于互联网的边缘部分
• 接入网是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器之间的一种网络
• 从覆盖范围看, 很多接入网还是属于局域网
• 从作用来看, 接入网只是起到让用户能够与互联网连接的"桥梁"作用