导图社区 计算机网络-第一章
这是一篇关于计算机网络-第一章的思维导图，详细的归纳了计算机网络在信息时代的作用、互联网概述、互联网的组成等内容。
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第一章
1.1 计算机网络在信息时代中的作用
常用网络
电信网络
向用户提供电话、电报及传真等服务
有线网络
向用户传送各种电视节目
计算机网络
使用户能够在计算机之间传送数据文件
互联网
特点
连通性
互联网使上网用户之间，不管相距多远，都可以非常便捷，非常经济地交换各种信息，好像这些用户终端都彼此直接连通一样。
共享
即资源共享， eg. 信息共享、软件共享、硬件共享
互联网+
仅在局部范围互联祁连的计算机网络
互连网
把互联网的创新成果深度融合与经济社会各领域之中，大大提升了实体经济的创新力和生产力
1.2 互联网概述
网络中的网络
由若干接点和连接这些结点的链路组成
网络中的节点可以是计算机、集线器、交换器或路由器等
互连网（网络的网络）
由多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络
主机
网络把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络通过一些路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机
互联网基础结构发展的三个阶段
第一阶段
单个网络ARPANET向互连网发展的过程
第二阶段
建成了三级结构的互联网
主干网
地区网
校园网/企业网
第三阶段
逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网
互联网服务提供者ISP（Internet Service Provider）
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
主干ISP
地区ISP
本地ISP
给用户提供直接的服务（这些用户也称为端用户，强调是末端的用户）
互联网交换点IXP（Internet eXchange point）
主要作用
允许两个网络直接相连并交换分组，而不需要在通过第三个网络来转发分组
典型的IXP
由一个或多个网络交换机组成，许多ISP再连接到这些网络交换机的相关端口上。
“上网”
（通过某ISP获得的IP地址）接入互联网
“网络的网络”
现在的互联网已不是某个单个组织所拥有而是全世界无数大大小小的ISP所共拥有的
互联网的标准化工作
互联网体系结构委员会IAB（Internet Architecture Board）
互联网工程部IETF（Internet Engineering Task Force）
互联网研究部IRTF（Internet Research Task Force）
制定互联网的正式标准
互联网草案（Internet Draft）
有效期6个月 现阶段还不算RFC文档
建议标准（Proposed Standard）
该阶段为RFC文档
互联网标准（Internet Standard）
STDxxxx
1.3 互联网的组成
互联网的边缘部分
由所有连接在互联网上的主机组成。 这些主机称为端系统（end system）
网络边缘的端系统之间的通信方式
客户-服务器方式（C/S 方式）
客户（client）和服务器（server）都是指通信中所涉及的两个应用进程。
主要特征（下方所说的客户和服务器本来都指的是计算机进程（software））
客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
客户程序
被用户调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。
不需要特殊的硬件和复杂的操作系统。
服务器程序
是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。
系统启动后即一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。
一般需要有强大的硬件和高级的操作系统支持。
客户与服务器的通信关系建立后，通信可以使双向的，客户和服务器都可发送和接收数据。
对等方式（P2P方式）
指两台主机在通信时，并不区分哪一个是服务请求方和哪一个是服务提供方。只要两台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。
互联网的核心部分
由大量网络和连接这些网络的路由器组成。
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。
电路交换
重要特点
在通信的全部时间内，通信的两个用户始终占用端到端的通信资源。
线路的传输效率往往很低。
数据传输
整个报文的比特流连续第地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。
流程
建立连接（占用通信资源）
通话（一直占用通信资源）
释放连接（归还通信资源）
报文交换
数据传送
整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。
分组交换
主要特点
单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。
采用存储转发技术，将一个报文划分为几个分组后在进行传送。 其中发送的整块数据称为一个报文（message）
分组=“包” + “包头”
主机是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。
路由器则用来转发分组，即进行分组交换。
优点
高效
在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用
灵活
为每一个分组独立地选择最合适的转发路由
迅速
以分组作为传送单位，不先建立连接就能向其他主机发送分组
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
1.4 计算机网络在我国的发展
1.5 计算机网络的类别
计算机网络的定义
几种不同类别的计算机网络
按照网络的作用范围进行分类
广域网WAN(Wide Area Network）/ 远程网
范围： 几十到几千公里
城域网MAN（Metropolitan Area Network）
范围： 5~50km
局域网LAN（Local Area Network）/ 校园网 / 企业网
个人区域网PAN（Personal Area Network）/ 无线个人区域网WPAN（wireless PAN）
范围： 小 大约10m左右
按照网络的使用者进行分类
公用网（public network）
专用网（private network）
1.6 计算机网络的性能
计算机网络的性能指标
速率 / 数据率 （data rate） / 比特率（bit rate）
数据的传送速率
单位： bit/s
网络上的速率往往是指额定速率或标称速率
带宽（bandwidth)
指某个信号具有的频带宽度（频域）
单位：赫兹（Hz）
在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，即网络带宽表示在单位时间内网络中某信道所能通过的“最高数据率”（时域）
吞吐量
表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。
时延 / 延迟 / 迟延
指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。
发送时延 / 传输时延 (机器内部）
主机或路由器发送数据帧所需要的时间，也就是从发送数据帧的第一个比特算起，到帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
计算公式
发送时延 = 数据帧长度（bit）/ 发送速率（bit/s)
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。
提高数据的发送速率只能减小数据的发送时延。
数据的发送速率的单位是每秒发送多少个比特，这是指在某个点或接口上的发送速率。
传播时延 （机器外部）
电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。
传播时延 = 信道长度（m） / 电磁波在信道上的传播速率（m/s）
电磁波的传播速率
自由空间： 3 x 10^5 km/s
铜线电缆：2.3 x 10^5 km/s
光纤：2.0 x 10^5 km/s
传播速率的单位是每秒传播多少公里，是指在某一段传输线路上比特的传播速率。
处理时延
主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理。
排队时延
排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量
总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
一般小时延的网络要优于大时延的网络
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
往返时间RTT（Round-Trip Time）
利用率
信道利用率
某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。
网络利用率
全网络的信道利用率的加权平均值。
D = D0 / (1-U)
信道利用率或网络利用率过高就会产生非常大的时延
计算机网络的非性能特征
费用
质量
标准化
可靠性
可扩展性和可升级性
易于管理和维护
1.7 计算机网络体系结构
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
体系结构是抽象的，而实现则是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件
计算机网络体系结构的形成
计算机间互相传送文件所需完成的任务
发起通信的计算机必须将数据通信的通路激活
所谓“激活”就是要发出一些信令，保证要传送的计算机数据要在这条通路上正确发送和接收
告诉网络如何识别接收数据的计算机
发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已开机，并且与网络连接正常
发起通信的计算机中的应用程序必须弄清楚，在对方计算机中的文件管理程序是否已做好接收文件和存储文件的准备工作
若计算机的文件格式不兼容，则至少其中一台计算机应完成格式转换功能
对出现的各种差错和意外事故，如数据传送错误、重复或丢失，网络中某个节点交换机出现故障等，应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够收到正确的文件。
开放系统互联基本参考模型OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference Model)
时间
1977年
开放
非独家垄断
系统
在现实的系统中与互连有关的各部分。
失败的原因
OSI的专家们缺乏实际经验，他们在完成OSI标准时缺乏商业驱动力
OSI的协议实现起来过分复杂，而且运行效率很低
OSI标准的指定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场
OSI的层次划分不太合理，有些功能在多个层次中重复出现
协议与划分层次
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
这里所说的同步不是狭义的（即同频或同频同相）而是广义的，即在一定的条件下应当发生什么事件，因而同步含有时序的意思
网络协议/协议
协议通常有两种不同的形式：1、便于人来阅读和理解的文字描述； 2、让计算机能够理解的程序代码。
语法
确定通信双方"如何讲"
即数据与控制信息的结构或格式
语义
确定通信双方"讲什么"
即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
确定通信双方"讲话的次序"
即事件实现顺序的详细说明
结构是层次式的
例子
主机1与主机2之间通过一个通信网络传送文件
建立文件传送模块，传送文件及文件传送命令
建立一个通信服务模块，用来保证文件和文件传送命令可靠地在两个系统之间交换
构造一个网络接入模块，让这个模块负责做网络接入细节有关的工作，并向上层提供服务，使上面的通信服务模块能够完成可靠通信的任务
各层之间是独立的
灵活性好
当任何一层发生变化时，只要层间接口关系保持不变，那么在这层以上或以下各层均不受影响。
结构上可分割开
易于实现和维护
能促成标准化工作
差错控制
使相应层次对等方的通信更加可靠
流量控制
发送端的发送速率必须使接收端来得及接收，不要太快
分段和重装
发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端再进行还原
复用和分用
发送端的几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用
连接建立和释放
交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送后释放连接
具有五层协议的体系结构
OSI具有七层协议体系结构，而TCP/IP则是四层分体系结构
5、应用层
这里的进程是指主机中正在运行的程序
服务
通过应用进程间的交互来完成特定网络应用
协议定义
应用进程间通信和交互的规则
交互的数据单元
报文（message）
4、运输层
负责向两台主机进程之间的通信提供通用的数据传输服务
所谓“通用的”，是指并不针对某个特定网络应用，而是多种应用可以使用同一个运输层服务
复用
多个应用层进程同时运行多个进程的服务
分用
运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程
协议
传输控制协议TCP
提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输单位是报文段
用户数据报协议UDP
提供无连接的尽最大努力的数据传输服务（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
3、网络层
互联网是由大量的异构网络通过路由器相互连接起来的
互联网使用的网络层协议是无连接的网际协议IP和许多种路由选择协议，因此互联网的网络层也叫网际层或IP层
负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务
发送数据时，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传送
任务
通过一定的算法，在互联网中的每一个路由器上生成一个用来转发分组的转发表
每一个路由器在接收到一个分组时，依据转发表中指明的路径把分组转发到下一个路由器
2、数据链路层
简称
链路层
在相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据组装成帧，在两个相邻节点间的链路上传送帧。
每一帧包括数据和必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差错信息等）
1物理层
单位
比特
数据在各层之间的传递过程
实体、协议、服务和服务访问点
实体
任何发送或接收信息的硬件或软件进程
在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层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的服务。
计算机网络协议是否正确，不能只看在正常情况下是否正确，还必须非常仔细地检查协议能否应付任何一种出现概率极小的异常情况
定义
控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合
协议的实现保证了能够向上一层提供服务。使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。 即下面的协议对上面的实体是透明的。
协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。 而服务则是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。
并非在一个层内完成的全部功能都称为服务。只有那些能够被高一层实体“看得见”的功能才能称之为“服务”。
服务用户
服务提供者
关系
服务访问点SAP
OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU
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
TCP/IP的体系结构
计算机网络体系结构
TCP/IP体系结构
4、应用层
各种应用层协议如DNS、HTTP、SMTP等
3、运输层
TCP或UDP
2、网际层IP
1、链路层（网络接口层）
OSI的体系结构
7、应用层
6、表示层
5、会话层
1、物理层
