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# 基本概念

# 概念、功能和分类

# 概念

计算机网络是一些采用单一技术的、互联的、自治的计算机系统的集合，用来实现资源共享和信息传递。

其包括三个基本要求：

  1. 自治的 (autonomous): 需要具有独立的硬件和操作系统
  2. 互联的 (interconnected): 通过通讯模块和接口交换信息
  3. 单一技术 (a single technology): 采用相同的协议和标准

# 因特网

因特网 (Internet) 是一些互联网子网连接而成的逻辑网络，其遵循的顶层协议是 TCP/IP 协议。因特网是最大的互连网。

从拓扑结构上看，因特网由结点 (node) 和连接结点的链路 (link) 组成。其拓扑结构按工作方式可以分为两个部分：

  1. 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信 (传送数据、音频或视频) 和资源共享。
  2. 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务 (提供连通性和交换)。

# 万维网

万维网 (World Wide Web, WWW) 是基于客户端 - 服务器 (Client/Server, C/S) 方式的信息发现技术和超文本技术的综合，是因特网顶层的分布式系统。

# 组成

计算机网络的组成可以按物理层面 (physical, hardware) 和逻辑层面 (logical, software) 进行区分。

在物理层面，计算机网络自小到大可以分为

  • 个人局域网 (Personal Area Network, PAN)
  • 局域网 (Local Area Network, LAN)
  • 城域网 (Metropolitan Area Network, MAN)
  • 广域网 (Wide Area Network, WAN)
  • 互连网 (internetWork)

在逻辑层面，计算机网络有以下部分组成

  • 层 (layer): 计算机网络大多由一系列层的集合组成
  • 协议 (protocol): 两个通信实体如何交换信息的描述
  • 服务 (service): 计算机网络向两通信实体提供的辅助
  • 接口 (interface): 一个客户端如何使用服务的方式

# 功能

其主要有数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠性和负载均衡五大功能。

# 分类

计算机网络有多种分类方式。按照分布范围，可以分为广域网、城域网、局域网和个人区域网。按传输技术可以分为广播式网络和点对点网络。按拓扑结构可以分为总线形网络、星形网络、环形网络和网状网络。按交换技术可以分为电路交换网络、报文交换网络和分组交换网络 (包交换网络)。按传输介质可以分为有线网络和无线网络。

# 互联网标准

所有互联网标准以 RFC (Request For Comments) 形式在互联网上发表。

制定互联网标准需要经过如下三个阶段：

  1. 互联网草案 (Internet Draft): 有效期 6 个月，此时不是 RFC 文档
  2. 建议标准 (Proposed Standard): 此时成为 RFC 文档
  3. 互联网标准 (Internet Standard): 正式标准。此时的每个标准有唯一 STD 编号。

# 计算机网络的性能

计算机网络常见的性能指标包括

  1. 速率 (bit/s): 数据的传送速率
  2. 带宽 (Hz & bit/s): 示某信道允许通过的信号频带范围 (Hz) 或单位时间内网络中的某信道所能通过的 “最高数据率”(bit/s)
  3. 吞吐量 (bit/s): 单位时间内通过某个网络的实际的数据量
  4. 时延 (s): 指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间，可以细分为发送时延、传播时延、处理时延和排队时延
  5. 时延带宽积 (bit): 传播时延和带宽的乘积，就是以比特为单位的链路长度
  6. 往返时间 (s)
  7. 利用率：分为信道利用率和网络利用率

# 计算机网络体系结构

# 网络协议

在计算机网络中，一些规则明确确定了交换的数据格式以及有关的同步问题。这些为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议 (network protocol), 简称协议。网络协议一般由以下三要素组成：

  1. 语法：数据与控制信息的结构或格式
  2. 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应
  3. 同步：事件实现顺序的详细说明

# 计算机网络体系结构的设计思想

计算机网络体系结构设计成可分层的。分层的基本原则包括：

  1. 每层都实现一种相对独立的功能，降低大系统的复杂度
  2. 各层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
  3. 各层功能的精确定义独立于具体的实现方法，可以采用最合适的技术来实现
  4. 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
  5. 整个分层结构应能促进标准化工作

通常情况下，每一层需要完成的工作包括以下一种或多种：

  1. 差错控制：使相应层次对等方的通信更加可靠
  2. 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
  3. 分段和重装：发送端将要发送的数据块划分为更小的单位，在接收端将其还原
  4. 复用和分用：发送端几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用
  5. 连接建立和释放：交换数据前先建立一条逻辑连接，数据传送结束后释放连接

# 计算机网络体系结构的概念

计算机网络各层及其协议的集合称为网络的体系结构 (architecture). 具有代表性的体系结构包括两种：OSI 模型和 TCP/IP 模型.

# OSI

OSI 是国际标准化组织 ISO 于 1977 年起研究并提出的，全称为开放系统互联基本参考模型 (Open Systems Interconnection Reference Model, OSI/RM). OSI 的体系结构包括 7 层，分别为物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层及应用层。OSI 是法律上的国际标准，但由于参与制定的专家缺乏实际经验、协议复杂、制定周期长、层次划分不合理等问题，OSI 没能广泛使用。

OSI 不是一种网络体系结构，因为对其中的层，其没有规定特定的服务和协议。其仅仅指出了每一层的功能。

上图是 OSI 的一个示例图。下面，我们将介绍 OSI 各层及其特点。

# 物理层

物理层 (the physical layer) 是借助通信信道传输比特流的层，为 OSI 的最底层。物理层的传输单元是比特 (bit)。

# 网络层

最基本的功能包括路由、差错控制以及如何分组。

# 传输层

传输层 (the transport layer) 承上启下，向上屏蔽了所有通信细节。其目的是保证端到端 (end-to-end) 的可靠传输，传输单位为传送协议数据单元 (Transport Protocol Data Unit, TPDU), 也可以笼统称之为报文 (message).

应用层上传输的数据也被称为报文，因此说报文是一个不严谨的概念。

# 会话层和表示层

会话层 (the session layer) 和表示层 (the presentation layer) 中没有协议被指定，于是成为了一个空层。表示和会话任务通过应用层实现。

# 应用层

应用层 (the application layer) 不是为上层提供服务，而是直接为最终用户进程提供应用服务。

# TCP/IP

TCP/IP 即传输控制协议 / 网络协议 (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), 又称网络通讯协议。TCP/IP 本身是一些协议簇，其层是在协议簇结构的基础上后来进行划分的。因此其各层划分可能不十分严格，表述也不十分规范。TCP/IP 可以划分为

TCP/IP 是事实上的国际标准，也是 Internet 中最基本的协议。

TCP/IP 不具有可移植性。

# 链路层

TCP/IP 模型中的链路层 (the link layer) 实际上是接入 Internet 的所有接口的集合，其逻辑结构不十分完备

# 网络层

网络层 (the Internet layer) 中传递的数据单元也是 package. 其核心协议是 IP 协议。提供的服务是无连接服务 (connectionless service).

ip 数据报.

# 具有五层协议的体系结构

将 OSI 和 TCP/IP 的特点进行抽象，就得到了具有五层协议的体系结构。其包括物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层，与 OSI 和 TCP/IP 的关系图如下：