计算机网络概述

互联网Internet

什么是互联网？可以从以下两个角度分析

• 从具体构成角度
• 从服务角度

网络：由节点和边组成，与大小形状无关。比如蜘蛛网、神经元网络等

计算机网络：由联网的计算机构成的系统，节点是主机或数据交换节点

互联网：以 TCP/IP协议簇 支撑工作的网络，互联网是全球最大的计算机网络

从 具体构成角度 分析互联网：由数以亿计的互联的计算设备、通信链路、分组交换设备和网络协议组成的计算机网络

• 计算设备：主机、端系统、运行的网络应用程序等
• 通信链路：光纤、同轴电缆、无线电、卫星等
• 分组交换机：转发分组，交换机、路由器等
• 网络协议：TCP、IP、HTTP、FTP等协议

从 服务角度 分析互联网：互联网是使用通信设备进行通信的 分布式应用进程 和 通信基础设施 组成，通信基础设施向进程提供通信服务 。

• 分布式应用进程：Web、VoIP、email、分布式游戏、电子商务、社交网络等
• 基础设施：基础设施向分布应用进程提供服务的形式是 API

分布式应用是网络存在的原因，没有分布式应用网络就没有存在的意义

协议是什么？

协议：协议是一种指定和规定不同实体之间进行通信、交互或合作的规则和约定。

• 人类协议：人与人之间发送特定的消息，收到消息时采取的特定行动或其他事件
• 网络协议：网络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，以及在报文传输和接收或其他事件方面所采取的动作

人类协议和网络协议实例：

网络结构

网络结构由三部分组成：

• 网络边缘：由主机、应用程序组成
• 网络核心：互联着的路由器、网络的网络
• 接入网和物理媒体：有线或者无线通信链路

网络边缘

网络边缘：与用户直接接触的部分，也是网络和用户之间的交互界面，包含以下设备：

• 终端设备
• 主机
• 服务器
• 用户个人电脑等

网络边缘是网络结构中与用户直接接触部分，包括各种用户终端设备和主机，负责实现用户与网络之间的通信和数据交换。

为网络边缘提供两种服务

• 采用网络设施的连接服务：在端系统之间提供面向连接的服务传输数据，比如TCP服务
• 采用基础设施的无连接服务：在端系统之间提供面向无连接的服务传输数据，比如UDP服务

网络核心

网络核心：网络核心是网络结构中的关键组成部分，也是网络网络中心的枢纽。由多个路由器和交换机组成的复杂网络，负责处理大量的 数据传输和路由转发。

网络核心实现数据传输和路由转发的方式

• 电路交换：电路交换需要建立一条专用的数据通信路径，这条路径上可能包含许多中间节点。这条通信路径在整个通信过程中将被独占，直到通信结束才会释放资源。
• 报文交换：以报文作为数据传输单位，即发送整个文件，且携带有源地址和目的地址等信息，采用存储——转发交换方式。
• 分组交换：将数据分割成小块（数据包/分组）进行传输的方式，并添加源地址、目的地址和分组编号等信息，采用存储——转发交换方式。

存储转发：将到达交换机的分组先 存储 到交换机的存储器中，等到相应的输出电路有空闲时再 转发。

存储转发的好处

• 错误检测和纠正：存储转发可以在完全接收数据包后进行错误检测和纠正
• 缓冲能力：存储转发可以利用设备内存来缓存到达的数据包，有助于应对网络拥塞或传输速率不均衡的情况

存储转发的坏处

• 延迟：存储转发需要等待数据包完整接收并存储后才能进行转发，会增加一定的传输延迟
• 内存开销：存储转发需要设备具备足够的内存来存储和处理数据包

电路交换

电路交换时通信的两个节点（末端节点）之间需要建立一条专用的数据通信路径，这条路径上可能包含许多中间节点。这条通信路径在整个通信过程中将被独占，其他节点无法使用这些链路和节点进行通信，直到通信结束才会释放资源。

电路交换优点

• 实时性强：一旦通信线路建立，双方之间的通信实时性强
• 有序传递：电路交换通信过程中数据会按顺序传递，不会出现数据乱序

电路交换缺点

• 资源浪费：通信路径在整个会话期间一直保持打开状态，即通信双方不实际传输数据时，也会占用带宽和其他网络资源
• 动态性差：电路交换中，通信路径一旦建立，就会被保留，无法根据网络流量的实际情况进行灵活调整

电路交换为了提高通信系统的容量和效率，采用了多路复用技术，实现 多个用户之间的并行传输，主要有以下几种方式：

• 频分多路复用技术（Frequency Division Multiplexing，FDM）：频分多路复用是指将不同用户的信号分配到不同的频带进行传输
• 时分多路复用技术（Time Division Multiplexing，TDM）：时分多路复用是指将不同用户的信息按照时间片的方式进行划分和传输
• 波分多路复用技术（Wavelength Division Multiplexing，WDM）：波分多路复用是指利用不同波长的光信号进行多路复用
• 码分多路复用技术（Code Division Multiplexing，CDM）：码分多路复用是一种基于码片进行信号分离的多路复用技术

计算举例：在一个电路交换网络上，从主机A到主机B发送一个640000比特的文件需要多长时间？所有的链路速率为1.536Mbps，每条链路速率为24的TDM，建立端-端的电路需要0.5s。

答：

• 每条链路的速率（一个时间片）：1.536Mbps / 24 = 64kbps
• 传输时间：640kb / 64kbps = 10s
• 共用时间：传输时间 + 建立链路时间 = 10s + 0.5s = 10.5s

电路交换不适合计算机之间通信的原因？

• 连接建立时间长：电路交换需要建立一个独占的通信路径，通信路径的建立和释放的过程需要较长的时间
• 链路利用率低：电路交换占用一个专用的通信路径，即使在数据传输的空闲时间段也无法被其他用户利用，导致链路的利用率较低。
• 缺乏灵活性：电路交换一旦建立通信路径，就会一直保持，无法根据实际需求进行动态调整和管理

报文交换

报文交换以报文作为数据传输单位，即发送整个文件，且携带有源地址和目的地址等信息，采用存储——转发交换方式。

报文交换的优点

• 灵活性高：通信双方可以自由定义报文格式和内容
• 使用性广：报文交换可以支持多种不同的通信协议和应用层协议
• 可靠性高：报文交换通过完整的报文进行传输，接收方可以根据报文头和尾进行检测和校验，保证报文的完整性和正确性

报文交换的缺点

• 开销较大：报文交换需要在每个报文中包含头和尾信息，增加数据的传输成本和网络带宽的占用
• 时延较大：报文需要在完整传输后才能被处理，报文交换的时延较大

分组交换

分组交换将数据块分割成小的分组，并在分组上添加源地址、目的地址和分组编号等信息，采用存储转发方式。

分组交换的优点

• 共享性：分组交换允许多个通信会话共享同一个物理链路，分组交换只在发送和接收分组时占用链路，不需要预留整条链路
• 灵活性：分组交换不需要事先规划和预留通信路径，通信双方可以根据需要自由选择路径，以适应不同的通信需求和网络状况

分组交换的缺点

• 时延不确定性：数据被分割成多个分组进行传输，每个分组在网络中的传输时延可能不同
• 必要的开销：分组交换需要给每个分组都带有头部信息，以存储分组的目的地址、序号、校验等信息

网络核心的关键功能

• 路由：决定分组采用的源到目标的路径
• 转发：将分组从路由器的输入链路转到输出链路

总结三种交换

• 电路交换 适用于需要高实时性和连续性的通信，比如：电话通信、视频会议、广播电视等
• 报文交换 适用于对数据完整性要求较高的通信，比如：电子邮件传输、文件传输、即时通讯等
• 分组交换 适用于数据量较大且要求灵活性和带宽利用率高的通信，比如：网页浏览、文件传输等

网络按交换方式分类

接入网和物理媒体

接入网使用不同的物理媒体来连接终端设备和网络服务提供商设备

接入网：指将终端设备与网络服务提供商网络连接起来的部分，是网络接入互联网的入口。

物理媒体：指网络节点之间传输数据的物理传输介质。物理媒体可以是有线（光纤、电线、同轴电缆）或无线的（无线电波）

互联网服务提供商 ISP

ISP：Internet Service Provider（互联网服务提供商），指提供互联网接入服务的公司或组织，负责建立和管理网络基础设施，向用户提供互联网接入、数据传输、存储、网站托管等服务。

ISP和网络核心的关系：ISP通过网络核心连接不同的接入网和其他ISP，实现跨网络的数据传输和互联互通。网络核心提供高带宽和高速传输能力，为ISP之间的数据交换提供基础设施。

协议层次

TCP/IP 网络模型

TCP/IP网络模型是常用的网络分层模型，是互联网通信的基础架构。TCP/IP网络模型包含四个层级，分别是：

1. 应用层：包含各种应用程序和协议，提供各种网络服务和功能，例如HTTP（Web浏览器之间的通信）、SMTP（电子邮件传输）。应用层把应用数据传给传输层，应用层只需要专注于为用户提供应用功能。
2. 传输层：提供端到端的数据传输服务，主要包括TCP（Transmission Control Protocol）和UDP（User Datagram Protocol）。
3. 网络层：负责实现数据包的传输和路由选择，其中最核心的协议是IP，用于为数据包提供源地址和目的地址，并确定数据包在网络中的传输路径。
4. 网络接口层：也称为数据链路层和物理层，负责处理与物理网络介质的直接通信，例如以太网、wifi等。

数据封装过程

1. 应用层数据封装成报文：应用层负责数据封装为特定的应用协议的数据单元。
2. 传输层数据封装成报文段：传输层将应用层数据添加传输层协议的头部，例如TCP头部或UDP头部，头部包含源端口和目的端口，用于标识应用程序之间的通信。
3. 网络层数据封装成数据包：网络将传输层数据封装成数据包，添加网络层协议的头部，例如IP的头部。该头部包含源IP地址和目的IP地址，用于确定数据包的源地址和目的地。
4. 网络接口层数据封装成帧：网络接口层将数据封装册灰姑娘帧，在数据包前后添加帧头和帧尾。头部包含元和目的MAC地址，尾部包含校验和等其他控制信息。

ISO/OSI 参考模型

ISO/OSI参考模型是国际标准化组织（International Organizastion for Standardization）提出的一个网络通信架构模型，用于描述计算机网络中的功能和通信协议，以便不同产商和组织在设计和实现网络时能够进行统一的参考。

• 应用层：最靠近用户的层次，负责为用户提供特定的应用服务，例如HTTP、SMTP、FTP等协议。
• 表示层：负责数据的格式化、加密、解密和压缩等操作，提供数据格式的转换和共享。
• 会话层：负责建立、管理和终止会话连接，提供会话控制和同步的功能。
• 传输层：负责在端到端的通信中提供可靠的传输服务，包括数据分段、流量控制、错误恢复等，例如TCP协议。
• 网络层：负责在网络中提供分组交换和路由选择的功能，实现不同网络之间的互连，例如IP协议。
• 数据链路层：负责可靠的点对点数据帧传输，并提供错误检测和纠正的机制，例如以太网的MAC层。
• 物理层：负责传输比特流，通过物理媒介进行数据的传输和接收，例如光纤、电缆等。

网络分层的作用

网络分层的作用是提供一种模块化的设计方法，使得网络具有互操作性、可靠性。

• 模块化设计：分层可以将网络的功能和任务分解为不同的层次，每个层次负责特定的功能。使得网络可以针对每个层次进行独立的开发和改进，而不会对整个网络造成影响。
• 互操作性：分层可以使不同的产商和组织能够按照相同的参考模型进行网络的设计和实现，使得不同产商和组织的设备可以进行互联和通信，实现互操作性。
• 可靠性：分层可以提供冗余和备份机制，防止单个层次或设备的故障导致整个网络的瘫痪。

服务模型

服务：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力。

原语：上层使用服务的形式，高层使用低层提供的服务，以及低层向高层提供服务都是通过服务访问原语来进行交互的形式。

原语本质是一组预定义的函数或指令，提供上层和底层服务之间的交互方式。

服务访问点SAP：上层使用下层提供的服务通过层间的接口

服务类型

基于传输层协议的服务类型可分为面向连接的服务和面向无连接的服务

• 面向连接的服务：通信双方在通信之前需要先建立连接，这个连接可以提供可靠传输、拥塞控制、流量控制等机制，例如TCP协议。
• 面向无连接的服务：通信双方在通信之前不需要建立连接，通信的发送方只能尽最大努力将数据发送给接收方，不能保证数据的可靠传输，数据包的传输可能会丢失或乱序。

服务和协议

服务和协议的联系：本层的协议要通过下层的服务来实现，本层的实体要通过协议为上层提供更高级的服务。

服务和协议的区别：

• 服务：低层实体和上层实体之间的通信是通过原语实现的，服务是垂直层面上的。
• 协议：对等层实体在通信过程中要遵循的规则的集合，协议是水平层面上的。

应用交互方式

应用之间的交互方式按照架构模式可以分为C/S模式、P2P模式、混合体模式

C/S模式

C/S模式将应用程序分为客户端和服务端两种角色，客户端负责发送请求并接收服务端的响应，服务端负责处理客户端的请求并提供相应的服务。

C/S模式优点

• 高度可控性：服务负责处理核心业务逻辑，可以集中管理和控制。
• 安全性：所有的数据和逻辑都保存在服务器端，客户端只需要传输请求和接收响应，可以通过安全措施保护服务器和数据。

C/S模式缺点

• 单点故障：如果服务器发生故障，所有的客户端将无法访问服务。
• 性能瓶颈：服务器负责处理所有的客户端请求，如果负载过大或处理不当，可能会导致性能瓶颈。

P2P模式

P2P模式应用程序之间相互连接并直接交换数据，没有中心化的服务器。每个节点既充当客户端又充当服务器，节点之间进行直接通信，共享资源和服务。

P2P模式优点

• 可扩展性：P2P网络可以很容易地扩展，加入更多地节点来提供更多地资源和服务。
• 高可用性：不会出现单点故障，P2P网络具有较高地可用性，即使某些节点离线，其他节点仍然可以继续工作。
• 去中心化：没有单一的中心服务器，每个节点都可以充当客户端和服务器，可以直接进行通信和共享资源。

P2P模式缺点

• 难以管理：P2P网络中的节点都是平等的，没有中心化的管理机构，难以管理和控制。
• 安全性问题：P2P网络中的节点可能存在不可信的节点，可能会对数据进行篡改或攻击。
• 数据一致性：由于数据存储在不同的节点上，数据一致性可能会面临挑战，需要额外的机制来确保数据的一致性。

混合体模式

混合体模式结合C/S模式和P2P模式，灵活地选择不同地交互方式来适应不同地需求。在混合体模式下，应用程序可以使用C/S模式和P2P模式进行交互，根据不同地场景和要求选择合适地方式。

例如：一个应用程序可以使用C/S模式作为主要的客户端-服务器架构，但在某些特定情况下通过P2P模式进行直接的点对点模式，以提高效率和可靠性。

混合体模式优点

• 灵活性：混合体模式可以根据具体的需求选择最合适的交互方式，利用C/S模式和P2P模式的优势。
• 高度可扩展性：通过使用C/S模式和P2P模式，可以在需要时动态调整和扩展系统。
• 性能和可靠性高：胡赫梯模式可以利用P2P模式的点对点模式来提高性能和可靠性，减轻服务器负载。

混合体模式缺点

• 配置和部署难度高：混合体模式需要同时管理和配置C/S模式和P2P模式的组件，可能需要更多的技术和资源。

参考资料

• 书籍：计算机网络（自顶向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）
• 视频资料：中科大郑烇、杨坚全套《计算机网络（自顶向下方法 第7版，James F.Kurose，Keith W.Ross）》课程www.bilibili.com/video/BV1JV…
• 其他资料：小林Coding 图解网络xiaolincoding.com/network/