计算机网络基础笔记

第1章：概论

学习目标：

  • ✓ 了解基本术语和概念
  • ✓ 掌握网络的基本原理
  • ✓ 为后续章节更深入的学习打下基础
  • ✓ 方法：以Internet为例子

重点内容：

1. 什么是Internet？

A. 从具体构成角度

节点

  • 主机及应用程序：

    • 主机 = 端系统
    • 运行网络应用程序
    • 包括PC、服务器、无线笔记本、智能手机等

  • 网络交换设备：

    • 路由器(router)
    • 交换机(switch)等网络设备

边：通信链路

  • 接入网链路：
    • 定义：主机连接到互联网的链路
  • 主干链路：
    • 定义：路由器间的链路
  • 通信链路类型：
    • 光纤
    • 同轴电缆
    • 无线电
    • 卫星
    • 传输速率 = 带宽(bps)

分组交换设备

  • 功能：转发分组(packets)
  • 类型：
    • 路由器
    • 交换机

B. 从协议角度

  • 协议作用：控制发送、接收消息

  • 协议实例：TCP、IP、HTTP、FTP、PPP

  • Internet定义：”网络的网络”

    • 特点：松散的层次结构，互连的ISP
    • 分类：公共Internet vs. 专用intranet

  • Internet标准：

    • RFC: Request for Comments
    • IETF: Internet Engineering Task Force (互联网工程任务组)

C. 从服务角度

  • 应用类型：使用通信设施进行通信的分布式应用
    • Web
    • VoIP
    • email
    • 分布式游戏
    • 电子商务
    • 社交网络
  • 基础设施功能：
    • 为apps提供编程接口(通信服务)
    • 将发送和接收数据的apps与互联网连接起来
  • 服务选择：类似于邮政服务
    • 无连接不可靠服务
    • 面向连接的可靠服务

2. 什么是协议？

定义

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/或接收或其他事件方面所采取的动作

人类协议示例

  • “几点了？”
  • “我有个问题”
  • “你好”
  • 发送特定的消息
  • 收到消息时采取的特定行动或其他事件

网络协议特点

  • 类似人类协议
  • 机器之间的协议而非人与人之间的协议
  • Internet中所有的通信行为都受协议制约

3. 网络组成要素

网络边缘

  • 定义：网络的外围部分

接入网、物理媒体

  • 物理连接类型

网络核心

  • 分组交换：将数据分成小包进行传输
  • 线路交换：建立专用连接通道

Internet/ISP结构

  • ISP层次：
    • 全球ISP
    • 区域ISP
    • 本地ISP
  • 网络类型：
    • 家庭网络
    • 移动网络
    • 机构网络

性能指标

  • 丢包率
  • 延时
  • 吞吐量

协议层次、服务模型

  • 不同层次的协议负责不同功能
  • 各层提供的服务模型

历史

  • Internet发展历程

注意要点：

  1. Internet是”网络的网络”，由多层ISP和不同类型网络组成
  2. 协议是网络通信的基本规则，定义了通信格式和行为
  3. 网络由节点(设备)和边(链路)组成
  4. 从服务角度看，Internet为各种应用提供了通信基础设施

网络边缘

  • 主机

    • 运行应用程序（如Web、email等）
    • 位于”网络的边缘”
    • 是用户直接接触的系统

  • 客户/服务器模式

    • 客户端向服务器请求服务、接收服务
    • 服务器提供资源和服务
    • 例如：Web浏览器/服务器、email客户端/服务器
    • 明确的角色分工，客户端发起请求，服务器响应请求

  • 对等（peer-peer）模式

    • 很少（甚至没有）专门的服务器
    • 每个节点既可以是客户端也可以是服务器
    • 例如：Gnutella、KaZaA、Emule等文件共享应用
    • 分散式结构，没有中央控制点

网络核心

  • 互连着的路由器（构成数据传输的主干网络）
  • 网络的网络（多层次、多区域的互联网结构）
  • 负责高效转发数据包

接入网、物理媒体

  • 有线或者无线通信链路
  • 是终端设备接入互联网的物理途径
  • 包括各种传输介质和接入技术

面向连接服务

  • 目标：在端系统之间传输数据

  • 握手：在数据传输之前做好准备

    • 人类协议中的例子：”你好”、”你好”的交流
    • 两个通信主机之间为连接建立状态
    • 确保双方都准备好进行通信

  • TCP - 传输控制协议 [RFC 793]

    • 互联网上面向连接的服务
    • 特点：
      • 可靠地、按顺序地传送数据
      • 确认和重传机制（保证数据不丢失）
      • 流量控制
        • 发送方不会淹没接收方
        • 根据接收方的接收能力调整发送速率
      • 拥塞控制
        • 当网络拥塞时，发送方降低发送速率
        • 防止网络崩溃，保证网络整体效率

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 [RFC 768]
    • 无连接（不需要建立连接）
    • 不可靠数据传输（不保证数据到达）
    • 无流量控制（不考虑接收方的接收能力）
    • 无拥塞控制（不考虑网络状况）
    • 简单、开销小、延迟低

协议应用

  • 使用TCP的应用:

    • HTTP (Web网页浏览)
    • FTP (文件传送)
    • Telnet (远程登录)
    • SMTP (电子邮件传输)
    • 这些应用需要可靠的数据传输

  • 使用UDP的应用:

    • 流媒体（视频、音频流）
    • 远程会议系统
    • DNS（域名解析系统）
    • 互联网电话
    • 这些应用通常可以容忍一定的数据丢失，但对延迟敏感

网络拓扑结构

  • 移动网络

    • 连接移动设备（手机、笔记本等）
    • 通过基站接入互联网

  • 家庭网络

    • 连接家庭中的各种设备
    • 通过路由器接入ISP

  • 区域性和全球性ISP

    • 提供互联网接入服务
    • 构成互联网的骨干网络
    • 不同级别的ISP相互连接

  • 机构网络

    • 连接企业、学校等机构内部的设备
    • 通常规模较大，结构复杂
    • 有专门的网络管理和安全策略

这些不同类型的网络通过路由器和交换设备相互连接，共同构成了完整的互联网架构，使得全球范围内的数据通信成为可能。