计算机网络 第一章
第一节 计算机网络基本概念
1、计算机网络的定义
计算机网络的定义：互连的、自治的计算机的集合
存在多种类型的网络系统。其中包含家庭网、机构网和移动网等不同的组成部分。这些小模块可以通过isp来连接起来构成更大的整体系统。如何构建更大的整体呢？通过isp来连接各个部分。
提供公共网络通讯服务的机构，叫做ISP，有国家级的 和区域级的。
2、协议
在建立网络连接的过程中（类似于人类之间的沟通方式），必须遵循一定的协议规范，在数据传输时需要严格遵守这些规定和标准。
协议三个基本要素：
语法：（信息的格式）
语义：（数据含义，以及对方如何响应）
时序：（数据交换的顺序，先干什么，再回应什么，如何匹配或者适应彼此速度）
3、计算机网络功能
硬件资源共享（云计算云存储）、软件资源共享、信息资源共享
4、分类
覆盖范围包括蓝牙局域网络、本所局所局域网络以及都市范围内几百公里以内的城域网络覆盖范围，并且更为广阔的广域网络覆盖范围
拓扑结构：星形、总线、环形、网状、树状、混合
优缺点：
| 类型 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 星形 | 易于管理和维护，出现故障易于隔离。容易发现故障点 | 通信依赖于中心节点，线路多成本高 |
| 总线 | 构造简单 | 性能效率不高，故障不好检测，故障不容易隔离 |
| 环形 | 结构简单 | 故障不好检测，故障不容易隔离，节点增加和删除较难 |
| 网状 | 两两通信有多条线路可以选择 | 结构复杂，管理不易，成本较高 |
| 树状 | 特殊的星形结构，有星形结构优缺点 | |
| 混合 | 有别的的特点 |
交换方法：电路交换法（用于电话通信）、报文交换法（用于电报通信）、分组式交换（目前应用最广泛，并且是本课程的重点内容；详见本章第三节 ）
网络用户属性：公用网（联通、移动）、私有网（单位内网络）
第二节 网络结构
三个层次：
- 边缘节点： 边缘节点指的是我们自身使用的各种终端设备和移动装置。
2. 接入网络： 其主要功能是连接各边缘节点与核心网。
- 通过调制解调器将电话信号发送至同一条线路并连接到核心网络。
- 现在广泛使用的一种数字通信技术，在相同介质下相比传统 telephone connections具有显著优势。
- HFC混合光纤同轴电缆由光纤、同轴电缆以及各种连接组件组成。
- 局域网覆盖特定区域内的通信网络。
- 移动接入网络如今在智能手机中非常普及。
3. 网络核心： 网络基础设施主要包括各种用于信息交互的交换平台构成，并由网络各组成部分之间的通信线路组成
注意：网络核心仅负责数据传输而不处理数据本身；所有提供网络服务的设施均位于网络边缘区域；因此，在术语体系中，通常将处于边缘位置的设施称为资源层节点；而位于中央的数据传输节点则被称为通信层节点。
第三节 数据交换技术
1、数据交换的概念
数据交换的发展历史表明：最初阶段是多台电脑直接连接实现互联,但这种方式存在明显的成本问题 → 发展至今,已形成以一个中央化的通信服务器为基础,各参与方通过该服务器实现数据传输的技术体系 → 然而,这种单一的服务器架构也存在一定的局限性:每个服务器都具备一定的传输容量限制,因此逐渐演变为采用一个通信网络架构:包含多个转发节点,使得各个终端系统连接到特定的转发节点上,然后通过网络中的转发节点实现数据交互。
通讯子网，也就是网络核心，是交换节点和传输介质的集合。
2、电路交换
典型的电话网络其主要特点是通过拨号操作来实现连接功能这一过程包括借助中间交换节点从而在两台主机之间建立起一条专用通信线路这被称作电路完成通信后需切除该电路
优点：实时性高，缺点：信道利用率低
计算机信息传输具有一定的突发性特点例如当打开网页时会有短暂的信息传输随后就没有了这条特定的电路虽然在此期间占用了资源但仍需持续支付网络使用费用
3、报文交换
以报文为单位 在交换网络的各个节点之间以**“存储-转发”** 的方式传送。
特点：
1.不需要建立连接 ，直接把数据发送给最近的节点
不会独自占用信道：当需要向节点发送数据时才会占用信道。当信道释放后即可供其他信号使用。
公共的网络资源使得成本较低。
在交换节点处需配置缓存机制：当一个交换节点接收完所有 incoming 数据后才开始向下一个节点 分发传递 这一过程被称为 存储-转发机制。由于数据传输过程中存在 队列等待 的现象 会导致整体响应时间增加。
4、分组交换（现在计算机网络主要技术）
区别于报文交换，把报文拆分成若干个分组，每次完整存储转发一个分组。
优点：
1.交换设备存储容量要求低
2.交换速度快
3.可靠传输效率高
4.更加公平
分组长度确定需要考虑：
- 延时随著分組長度的增加而上升；然而，并非總是可以這樣——如果分組太短則可能導致額外數據傳送开销；過度细分可能會引入其他負面影響。
- 對於誤碼率而言：降低its值通常意味著采用更長的block length以確保數據準確传输。
第四节 计算机网络的性能
在分析计算机网络性能时, 需要使用多个指标来表征其特征; 常见的有速率和带宽等.
1、速率和带宽
网络在单位时间内的数据传输量也被定义为传输速率或数据传输率。其中常用的是bit/s（bps）作为单位
在信息传输领域中常用"带宽"这一术语来描述速率，在信息论中"带宽"原本指信号所拥有的频带宽度即信号成分中最高频率与最低频率之间的差值单位为赫兹（Hz）。
带宽约宽，速率越高。
2、时延
定义：数据在网络安全架构中被定义为单个节点（主机或交换设备）被传输到目标节点所需的传输时间
产生原因：在节点处理过程中存在一定的延迟（每个节点都需要等待接收存储转发的数据），此外还存在队列延迟（前面节点的数据尚未完全处理完毕会产生等待时间）。传输延迟与数据传输速率相关（相当于一个搬运工花费的时间将数据搬运到传输带上），而传播延迟则指的是数据在传输带上的传播时间。
3、时延带宽积
定义为一条物理链路的传输延迟与信道容量。（类比于将传输延迟视为长度、信道容量视为宽度，则相当于该信道能够承载的数据容量）
表示一段链路可以容纳的数据位数，也成为以位为单位的链路长度。
4、丢包率
和网络的可靠性有关，可以反映网络的拥塞程度。
那么丢包的原因是什么呢？因为数据需要先进行存储操作后才能进行转发。当节点出现拥堵现象时，可能会导致无法完成存储操作而使得后续的数据无法及时转发出去,从而可能导致数据丢失。
丢包率=丢失分组总数/发送分组总数
5、吞吐量
在单位时间内从源主机发送到目的主机的数据流量。（比较速率而言，吞吐量作为衡量指标应更为直观、直接且具实际意义。）
第五节 计算机网络体系结构
分层思想：采用分层架构的目的何在？由于整个网络通信过程本身的实现就显得比较复杂且不够灵活，并且不利于各厂商之间分工协作完成整体任务。因此有必要将整个网络系统划分为多个层级并行处理。各个层级独立承担各自对应的职责功能。例如路由器通常仅包含这三个层级中的三个层级内容
计算机体系结构：计算机网络划分的层次和各层协议的集合
体系结构不是只有一种划分，历史上提出了几种划分方式。比较著名的：
1、OSI参考模型
对于发送端，在发送进程中完成某个特定的应用时：通过使用应用层面的协议机制来生成相应的高层数据结构，并在生成完成后应在顶层结构中附加一个标识字段——应用于本层次的数据标识符——以此向接收方表明此部分信息属于上一层的应用程序产生的内容而非其他来源的数据类型。随后将该顶层结构传递至表示层面，在此过程中需特别注意保留所有附加的信息标识符并将其完整地传输下去以便于后续的正确解析与处理工作接着将整个编码后的顶层结构传递至下一层——即物理层面：通过转换成比特流的形式并按照标准的信号传输规范进行传输工作直至到达接收方所在的物理层面之后再由其反向逐级向上反馈给各相关环节完成整个通信流程中的最后一个阶段即从接受方所在的网络层面开始逐步解码并清除所有的辅助标识字段最终返回到上一层应用程序层面完成整个通信过程
这个是国际标准化组织提出的标准，仅供参考。
物理层：将数据转换成数字信号 （相当于邮局中的搬运工人） 网线
数据链路层：确定如何访问网络介质的方法 （类似于在邮局处理包裹的工作人员） MAC地址用于标识链路层内的设备
承载数据流量的大规模传输过程类似于处理邮件的 sorting agent作为互联网通信的基础规范被广泛采用
传输层：确保终端之间信息传输的稳定通信（类比于公司内部员工之间的协作）**其中TCP负责可靠的数据传输（如处理文件下载），而UDP则适合实时交互（如游戏客户端）。其中TCP负责可靠的数据传输（如处理文件下载），而UDP则适合实时交互（如游戏客户端）。 TCP和UDP协议分别负责不同的网络通信需求 **
在会话层中：提供便捷的通信名称生成功能（类似于负责接收、发送和处理消息代理的角色）
表示层：协商数据交换格式（相当于替老板写信的人）
应用层：应用程序和网络之间的接口 FTP协议和HTTP协议
2、TCP/IP参考模型
现实中的企业普遍采用一种方法或方案。（有时TCP/IP通常是五层的；物理层和数据链路层通常分开设置。）
这几个层次实际上涵盖了OSI的七个层次。
网络接口层：物理层和数据链路层
网际层：网络层
运输层：传输层
应用层：会话层、表示层、应用层
由于实际网络实现技术较为复杂, 因此导致网络接口层包含多种类型的网络接口. 然而, 在网际层则统一采用IP协议. 运输层的功能分为两大类, 其中一类为TCP协议, 另一类为UDP协议. 应用层的协议数量最多.
3、五层参考模型
把若干比特汇集成帧，每次链路层处理1帧数据。
第六节 计算机网络和因特网发展史
ARPAnet：分组交换网络技术