概论
什么是 Internet
从具体构成角度
结点
- 主机及其上运行的应用程序 （主机 = 端系统）
- 路由器、交换机等网络交换设备（分组交换设备： 转发分组）
边：通信链路
- 接入网链路(access)：主机连接到互联网的链路
- 主干链路(backbone)： 路由器之间的链路
传输速率 = 带宽（bps）
协议
协议定义了在两个或多个通信实体之间交换的 报文格式 和次序，以及在报文传输和/或接受或其他事件方面所采取的动作
- Internet 所有的通信行为都受到协议制约
协议的三要素：
- 语法(Syntax)： 数据与控制信息的结构或格式、信号电平
- 语义(Semantics)：需要发出何种控制信息、完成何种动作以及做出何种响应、差错控制
- 时序(Timing) ：事件顺序
从服务角度看
- 使用通信设备进行通信的 分布式应用
- 通信基础设施为apps提供编程接口（通信服务）
1> 将发送和接收数据的apps与互联网连接起来
2> 为app应用提供服务选择，类似于邮政服务： 无连接不可靠服务(UDP) and 面向连接的可靠服务(TCP)
网络边缘
网络结构
可以分为网络边缘，网络核心，接入网
网络边缘
- 主机
- 应用程序（客户端和服务器）
网络核心
- 互连着的路由器
- 网络的网络
接入网、物理媒体
有线或者无线通信链路
应用进程通信的模式
端系统（主机）
- 运行应用程序如 Web、email
- 在网络的边缘
客户/服务器模式
- 客户端向服务器请求、接受服务
- 如Web浏览器/服务器， email客户端/服务器
对等模式（peer-peer）模式
- 很少（甚至没有）专门的服务器
- 如 Gnutella、KaZaA、Emule
采用网络设施的面向连接服务
目标：在端系统之间传输数据
握手：在传输数据前做好准备
- 人类协议中：你好，你好
- 两个通信主机之间为连接建立状态
TCP 传输控制协议
Internet 面向连接的服务
- 可靠的、按顺序地传送数据（确认和互传）
- 流量控制（发送方不会淹没接收方）
- 拥塞控制（当网络拥塞时，发送方降低发送速率）
采用基础设施的无连接服务
目标：在端系统之间传输数据
UDP (用户数据报协议)
- 无连接
- 不可靠数据传输
- 无流量控制
- 无阻塞控制
使用TCP的应用：
HTTP(Web)、FTP(文件传送)、Telnet(远程登录)、SMTP(email)
使用UDP的应用：
流媒体、远程会议、DNS、Internet电话
网络核心
网络核心：路由器的网状结构
网络核心的关键功能：路由 + 转发
基本问题：数据怎样通过网络进行传输
- 电路交换
- 分组交换
电路交换
为每个交换预留一条专用电路，如电话网
为呼叫预留端-端资源
- 链路带宽、交换能力
- 专用资源：不共享
- 保证性能
- 要求建立呼叫连接
如果某个呼叫没有数据，则其资源片处于空闲状态（不共享）
多路复用技术
频分多路复用方法（FDM）
- 频分多路复用的各用户占用不同的带宽资源（指频率带宽（单位Hz） 而不是数据的发送速率）
- 用户在分配到一定频带后，在通信过程中自始自终使用这个频带
时分多路复用方法（TDM）
- 将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）, 每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙
- 每个用户占用的时隙是周期性出现 （其周期就是 TDM 帧的长度）
- 时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度
波分多路复用方法（WDM）
码分多路复用（CDM）
广泛应用于无线链路共享（蜂窝网、卫星通信）
报文交换
报文：源（应用）发送信息的整体 （比如一个文件）
分组交换
- 分组：将要传送的数据分成一个个单位
- 将分组从路由器传到相邻路由器（hop）,一段段最终从源端传到目标端
- 每段：采用链路的最大传输能力（带宽）
- 分组交换需要报文的拆分和重组
- 产生额外的开销
- 相比电路交换，允许更多用户同时访问网络（网络资源充分共享）
- 适用于突发数据传输网络
- 可能产生拥塞(congestion) , 分组延迟和丢失（需要协议处理可靠的数据传输和拥塞控制）
统计多路复用
分组交换的报文交付时间
电路交换、报文交换、分组交换对比
报文交换与分组交换都采用 存储-转发 交换方式
接入网
数字用户线路（DSL）
电缆网络
Internet结构
- 端系统通过接入ISP连接到Internet
- 接入ISP必须进一步互联
- 构成复杂的网络互连的网络
计算机网络性能
速率、带宽、延迟
速率
速率即数据率或称数据传输速率或比特率
- 单位时间(秒)传输信息量(比特)
- 计算机网络中最重要的一个性能指标
- 单位：b/s(或bps) 、 kb/s 、 Mb/s 、 Gb/s
- K = $10^{3}$ 、 M = $10^6$ 、 G = $10^9$
速率往往是指额定速率或标称速率
带宽
网络中的 带宽 通常是数字信道所能传送的 最高数据率 ， 单位：b/s(bps)
常用的带宽单位
- kb/s ( $10^3$ bps)
- Mb/s ( $10^6$ bps)
- Gb/s ( $10^9$ bps)
- Tb/s ( $10^{12}$ bps)
延迟/时延（delay 或 latency）
Q: 为什么分组交换中会发生丢包和时延
A: 分组在路由器缓存中排队
- 分组达到速率超出输出链路容量时
- 分组排队、等待输出链路可用
四种分组延迟
时延带宽积、丢包率、吞吐量
时延带宽积
链路的时延带宽积又称为 以比特为单位的链路长度
分组丢失（丢包）
丢包分组可能由前序结点或源重发
吞吐量/率（Throughput）
吞吐量： 表示发送端与接受端之间传送数据速率（b/s）
- 即时吞吐量：给定时刻的速率
- 平均吞吐量：一段时间的平均速率
瓶颈链路：端到端的路径中，限制端到端吞吐量的链路
计算机网络体系结构
计算机体系结构概述
- 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
- 计算机网络体系结构简称网络体系结构, 是分层结构
- 每层遵循某个/些网络协议完成本层功能
- 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
- 体系结构是一个计算机网络的功能层次及其关系的定义
- 体系结构是抽象的
分层网络体系结构基本概念
- 实体（entity）： 表示任何可发送或接受信息的硬件和软件进程
- 协议是控制 两个对等实体 进行通信的规则的集合，协议是 水平的
- 任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，服务是垂直的
- 下层协议的实现对上层的服务用户是 透明的
- 同系统的相邻层实体间通过 接口 进行交互， 通过 服务访问点(SAP)(Services Access Point)，交换原语, 指定请求的特定服务。
OSI参考模型
OSI参考模型解释的通信过程
OSI参考模型数据封装与通信过程
为什么需要数据封装
- 增加控制信息
- 控制信息包括：
- 地址：标识发送端/接受端
- 差错检测编码：用于差错检测或纠正
- 协议控制(Protocol control): 实现协议功能的附加信息（优先级、服务质量、安全控制等）
物理层功能
- 接口特性
机械特性、电气特性、功能特性、规程特性 - 比特编码
- 数据率
- 比特同步
时钟同步 - 传输模式
单工(Simplex)、半双工(half-duplex)、双工(full-duplex)
数据链路层功能
- 负责 结点-结点（node-to-node）数据传输
- 组帧(Framing)
- 物理寻址(Physical addressing)
在帧头中增加发送端和/接受端的物理地址标识数据帧的发送端或接受端
- 流量控制（Flow control）
避免淹没接受端 - 差错控制（Error control）
检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧 - 访问(接入)控制（Access control）
在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权
网络层功能
负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付
可能穿越多个网络逻辑寻址（Logical addressing）
全局唯一 逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址路由（Routing）
路由器或网关互连网络，并路由分组至最终目的主机 路径选择分组转发
传输层功能
- 负责 源-目的（端-端）（进程间）完整报文传输
- 分段与重组
- SAP寻址
确保将完整报文提交给正确进程，如端口号
- 连接控制
- 流量控制
- 差错控制
会话层功能
- 对话控制（dialog controlling）
建立、维护 - 同步（synchronization）
再数据流中插入同步点 - 最“薄”的一层
表示层功能
处理两个系统间交换信息的语法和语义问题
- 数据表示转换
转换为主机独立的编码 - 加密/解密
- 压缩/解压缩
应用层功能
- 支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）
- 典型应用层服务
文件传输（FTP） 电子邮件（SMTP） Web（HTTP）
TCP/IP参考模型
五层参考模型
结合了 OSI 和 TCP/IP 的优点
- 应用层：支持各种网络应用
FTP, SMTP, HTTP - 传输层：进程-进程的数据传输
TCP, UDP - 网络层：源主机到目的主机的数据分组路由与转发
IP协议, 路由协议等 - 链路层：相邻网络元素（主机、交换机、路由器等）的数据传输
以太网（Ethernet）、802.11（WiFi）、PPP - 物理层：比特传输
