计算机网络和因特网

计算机网络和因特网

因特网

具体构成

概念概述

主机/端系统: 在因特网边缘部分的所有主机

分组交换机: 是广域网中的交换机。它的基本工作模式是存储转发。当一台计算机发送一个数据包到另一台计算机时，必须在数据包中给出目的计算机的地址。每一台分组交换机都必须有一张“转发表”，这张表包含了所有可能目的地的输出端口的编号和到达目的地的最短路径。分组交换机从它的一条人通信链路接收到达的分组，并从它的一条出通信链路转发该分组。两种最著名的类型是路由器和链路层交换机。链路层交换机通常用于接入网中，而路由器通常用于网络核心中
通信链路: 网络中两个节点之间的物理通道。它的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。链路是指从一个节点到相邻节点的一段物理线路
分组:当一台端系统要向另一台端系统发送数据时，发送端系统将数据分段，并为每段加上首部字节。这些信息就是分组
ISP(因特网服务提供商): 每个ISP自身就是一个由多台分组交换机和多段通信链路组成的网络。较低层的 ISP 通过国家的、国际的较高层ISP互联组成的。较高层ISP通过告诉光纤链路互联的高速路由器组成。无论是较高层还是较低层 ISP 网络，它们每个都是独立管理的，运行着 IP 协议

总体概述

端系统通过通信链路和分组交换机连接到一起。分组类似于卡车，通信链路类似于高速公路和公路，分组交换机类似于交叉口，而端系统类似于建筑物。就像卡车选取运输网络的一条路径前行一样，分组则选取计算机网络的一条路径前行 。

服务描述

概念概述

分布式应用程序: 指应用程序分布在不同计算机上，通过网络来共同完成一项任务的系统。这种系统通常为服务器/客户端模式，具有便捷、易操作的特点。
套接字接口: 应用程序通过网络协议栈进行通信交互的接口。它是网络通信的基石，支持TCP/IP协议的网络通信的基本操作单元。规定了运行在一个端系统上的程序请求因特网基础设施向运行在另 一个端系统上的特定目的地程序交付数据的方式

什么是协议

网络协议

网络协议: 因特网中，涉及两个或多个远程通信实体的所有活动都受协议的制约
协议: 定义了在两个或多个通信实体之间交换的报文的格式和顺序，以及报文发送和/或接收一条报文或其他事件所采取的动作

网络边缘

接入网

概念概述

边缘路由器: 又称“接入路由器”，是位于网络外围（边缘）的路由器。它的主要任务是将用户由局域网汇接到广域网

家庭接入

宽带住宅接入有两种流行的类型，数字用户线和电缆。
住户通常从提供本地电话接人的本地电话公司处获得DSL因特网接入。因此，当使用DSL时，用户的本地电话公司也是它的isp。

家庭电话线承担了数组和传统的电话信号。用户一侧，一个分配器把到达家庭的数据信号和电话信号分隔开，并将数据信号转发给 DSL 调制
解调器

1. 高速上行通道
2. 中速上行通道
3. 普通的双向电话信道
   电缆因特网接入 (cable Intemet access)利用了有线电视公司现有的有线电视基础设施 。 住宅从提供有线电视的公司获得了电缆因特网接入。
   
   电缆因特网接人需要特殊的调制解调器，这种调制解调器称为电缆调制解调器.
   电缆因特网接入的一个重要特征是共享广播媒体。特别是，向头端发送的每个分组向
   下行经旬，段链路到每个家庭;每个家庭发送的每个分组经上行信道向头端传输。因此，如果几个用户同时经下行信道下载一个视频文件，每个用户接收视频文件的实际速率将大大低于电缆总计的下行速率
   光纤到户: 本地中心局直接到家庭提供了一条光纤路径
   直接光纤:本地中心局到每户设置一根光纤
   主动光纤网络: 从中心局出来的每根光纤实际上由许多家庭共享，直到相对接近这些家庭的位置

企业接入: 以太网和wifi

广域网接入: 3G LTE

蜂窝移动电话相同的无线基础设施，通过蜂窝网提供商运营的基站来发送和接收分组

物理媒体

物理媒体: 传播电磁波或光脉冲来发送该比特
导引型媒体: 电波沿着固体媒体前行，如光缆、双绞铜线或同轴电缆
非导引型媒体: 电波在空气或外层空间中传播，例如在无线局域网或数字卫星频道中
物理链路(铜线、光缆等)的实际成本与其他网络成本相比通常是相当小的

双绞铜线

同轴电缆

光纤

陆地无线电信道

卫星元线电信道

网络核心

分组交换

端系统彼此交换报文。源将长报文划分为较小的数据块，称之为分组。在源和目的地之间，每个分组部通过通信链路和分组交换机传送
分组以等于该链路最大传输速率的速度传输通过通信链路。

存储转发传输

存储转发传输: 指在交换机能够开始向输出链路传输该分组的第一个比特之前，必须接收到整个分组。

在上图中，路由器就是将分组从一条输入链路转移到唯一的一条输出链路。源已经传输了分组1的一部分，分组1的前沿已经到达了路由器。因为该路由器应用了存储转发机制F所以此时它还不能传输已经接收的比特，而是必须先缓存(即"存储")该分组的比特 。仅电路由器已经接收完了该分组的所有比特后，它才能开始向出链路传输(即"转发")该分组

排队时延和分组丢失

每台分组交换机有多条链路与之相连。对于每条相连的链路该分组交换机具有一个输出缓存也称为输出队列。用于存储路由器准备发往
那条链路的分组。如果到达的分组需要传输到某条链路，但发现该链路正忙于传输其他分组，该到达分组必须在输出缓存中。除了存储转发时延以外，分组还要承受输出缓存的排队时延。
丢包: 因为缓存空间的大小是有限的，一个到达的分组可能发现该缓存已被其他等待传输的分组完全充满了。到达的分组或已经排队的分组之一将被丢弃

转发表和路由选择协议

路由器从与它相连的一条通信链路得到分组，然后向与它相连的另一条通信链路转发该分组。在因特网中，每个端系统具有一个称为IP地址的地址。当源主机要向目的端系统发送一个分组时，源在该分组的首部包含了目的地的IP地址。每台路由器具有一个转发表，用于将目的地址(或目的地址的一部分)映射成为输出链路。当某分组到达一台路由器时，路由器检查该地址，并用这个目的地址搜索其转发表，以发现适当的出链路。路由器则将分组导向该出链路

电路交换

通过网络链路和交换机移动数据有两种基本方法，电路交换和分组交换。
在电路交换网络中句在端系统间通信会话期间，预留了端系统间沿路径通信所需要的资源(缓存，链路传输速率 )。 发送方能够发送信息之前，该网络必须在发送方和接收方之间建立一条连接。沿着发送方和接收方之间路径上的交换机都将为该连接维护连接状态。
当网络创建这种电路时，它也在连接期间在该网络链路上预留了恒定的传输速率(表示为每条链路传输容量的一部分)。既然已经为该发送方一接收方连接预留了带宽，则发送方能够以确保的恒定速率向接收方传送数据。

电路交换的复用

频分复用: 是一种按照频率来划分信道的复用方式
时分复用: 将传输时间划分为多个互不重叠的时间片（称为时隙），并将这些时隙分配给每个信号源使用，从而实现在同一物理连接上传输多路信号的目的。

分组交换和电路交换的对比

分组交换（也称为包交换）的主要特点如下：

1. 存储转发技术：分组交换采用存储转发技术，即在没有接收到一个完整的数据帧之前，不会采取发送动作。只有当交换机或路由器接收到一个完整的数据报后，才会根据数据报中的目的地址信息，将其转发到下一个节点。
   数据划分：在发送端，分组交换先将较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段，并在每个数据段前面添加上首部（包含目的地址、源地址等控制信息）构成分组。
2. 路由选择：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，独立地为每个分组选择最合适的转发路由。这使得分组能够在网络中灵活地传输，而无需预先建立专用的通信线路。
3. 资源利用率高：由于分组交换采用动态共享和复用物理线路的方式传输数据，因此能够充分利用网络资源。当数据分组传送到交换机时，会暂存在交换机的存储器中，然后根据当前线路的忙闲程度，动态分配合适的物理线路继续传输。
4. 灵活性和鲁棒性：分组交换具有高度的灵活性和鲁棒性。由于每个分组独立选择传输路径，因此当网络中出现故障或拥塞时，可以通过更新路由查找表自动恢复绕开故障线路。然而，这种恢复过程可能需要一定的时间（收敛时间较长）。
   电路交换的特点如下：
5. 物理连接：电路交换在发端和收端之间建立物理连接，并保持到通信结束。这种连接是专用的，通信双方能够随时通信，实时性强。
6. 同步时分复用：电路交换采用同步时分复用的方式传输信息，即按照预定的时间片分配信道资源。每个时间片内只能传输一个用户的信息。
7. 透明性：电路交换对传输的信息具有透明性，即不改变信息的内容和格式。
8. 稳定性：电路交换具有稳定的利用率，无需为了实时性而增加带宽。然而，当物理连接建立后，即使通信线路空闲也不能供其他用户使用，因此信道利用率较低。

网络的网络

分组交换网中的时延、丢包和吞吐量

分组交换网中的时延

节点总时延：节点处理时延，排队时延，传输时延，传输时延

时延的类型

处理时延

检查分组首部和决定将该分组导向何处所需要的时间是处理时延的一部分

排队时延

在队列中，当分组在链路上等待传输时，它经受排队时延

传播时延

该比特以该链路的传播速率传播 。 该传播速率取决于该链路的物理媒体(即光纤、双绞铜钱等)

传输时延

所有分组的比特推向链路(即传输，或者说发射)所需要的时间

排队时延和丢包

流量强度: 是指每秒钟存在的网络数据包的数量

从端系统的角度看，上述丢包现象 看起来是一个分组已经传输到网络核心，但它绝不会从网络发送到目的地 。 分组丢失的比例随着流量强度增加而增加

计算机网络中的吞吐量

从服务器到客户机通过计算机网络传送一个大文件时，任意时刻客户机接收该文件的速率就是瞬时吞吐量。它描述了在某一具体时刻，数据通过网络的传输速率。
平均吞吐量: 假设客户机接收该文件的所有F比特用了T秒，那么F/T就叫做平均吞吐量
瓶颈链路: 在服务器和客户之间（即两个端系统）具有N条链路，这N条链路的传输速率分别为R1，R2，R3，…，Rn。瓶颈链路是指这些链路中传输速率最低的一段传输媒介。因为从服务器和客户的文件传输的吞吐量只能取它们中的最小值，所以吞吐量（无论是瞬时吞吐量还是平均吞吐量）等于瓶颈链路的传输速率。

协议层次及其服务模型

分层的体系解构

应用层

应用层协议分布在多个端系统上，而一个端系统中的应用程序使用协议与另 一个端 系统中的应用程序交换信息分组。我们把这种位于应用层的信息分组称为报文

运输层

因特网的运输层在应用程序端点之间传送应用层报文。在因特网中，有两种运输协议，即TCP和UDP，利用其中的任一个都能运输应用层报文。TCP 也将长报文划分为短报文，并提供拥塞控制机制，因此当网络拥塞时，源抑制其传输速率。UDP 协议向它的应用程序提供无连接服务。这是一种不提供不必要服务的服务，没有可靠性，没有流量控制，也没有拥塞控制。把运输层的分组称为报文段

网络层

因特网的网络层负责将称为数据报的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。包括着ip协议

链路层

链路层分组称为帧

物理层

封装