计算机网络的基本概念

计算机网络的定义

利用通信线路将具有独立功能的计算机连接起来而形成的计算机集合，计算机之间借助于通信线路传递信息，共享软件、硬件、数据等资源

前提：建立在通信网络上

目的：资源共享和在线通信

安全、可靠传送

计算机网络的组成部件

主机：信息资源和网络服务的载体，是对终端设备的总称

客户-服务器模式
- 服务器：网络服务和网络资源的提供者
- 客户机：网络服务和网络资源的使用者
对等计算模式：主机之间地位平等
一台主机既是网络资源的提供者和网络资源的使用者

例子：大型机、小型机、微型机、个人数字助理、Pad

通信设备：接受源主机或其它通信设备传入的数据，在对数据进行处理后转发给下一通信设备或目的主机

处理：差错校验、路由选择等

一半位于计算机网络路径的交叉路口，指挥数据按照正确路径前进

例子：集线器、网桥、交换机、路由器等

传输介质：用于互联主机-通信设备、通信设备-通信设备

传输介质不同，特性不同，距离和速度相差很大

链路：传输介质在主机-通信设备或通信设备-通信设备形成的数据传输通道

传输介质分类

有线：非屏蔽/屏蔽双绞线、同轴电缆、光纤
无线：短波信道、微波信道、红外信道、卫星信道

物联网、互联网和因特网

物理网络

联网主机和通信设备遵守共同的网络协议和行为准则。拥有相同的地址形式、数据格式、路由选择算法、差错处理方式

广域网：几十公里到几千公里

通常利用公用网络（公用数据网、公用电话网、卫星通话等）

如：ATM、帧中继、DDN

城域网：几十公里

如：FDDI、交换式以太网

局域网：仅覆盖有限的地理范围

要求：传输速率高（10Mbps-10Gbps）、误码率低（低于 $10^{-8}$ ）

通常由一个单位或组织建设和拥有，易于维护和管理

如：以太网、令牌环网、令牌总线网

互联网络

定义

将物理网络相互连接而成的计算机网络，是网络的网络

目的

屏蔽各种物理网络的差异，为用户提供统一的通用的服务

因特网

国际互联网
世界上最大、最著名的全球互联网，由成千上万的、各种各样的物理网络联接而成
拥有数十亿用户

包交换和通信协议

交换方式

线路交换

工作过程：在交换数据之前，通过控制信息在两台主机之间建立一条实际的物理信道。本次通信独占该物理信道
优势：实时性强
劣势：不能充分利用信道带宽，通信成本高

存储转发

工作过程：数据传输的通信节点接受整个数据，将数据短暂缓存后选择合适路径转发给下一个通信节点或主机
要求：需要在传输的数据中增加目的地址和源地址信息，以便中间节点路由选择
存在问题：
- 通信节点缓存空间
- 数据的传输延迟
- 差错后的重传量

包交换：现代计算机网络主要交换方式（一种存储转发的概念）

原理：将大块数据分割成多个小块数据分别发送
数据包：由分割后的小块数据与目的地址、源地址等控制信息组成
特点
- 充分利用信道带宽
- 降低传输延迟
- 对缓存空间要求较低
- 差错后数据重传量较小

协议

基本概念

通信双发为了实现通信所进行的约定或所作的对话规则

协议的组成

语义：what
语法：how
定时关系：when

计算机网络中多种协议并存

一种协议应处理另一种协议未处理过的通信问题
协议之间可以共享数据和信息

ISO-OSI参考模型

由国际标准化组织制定的网络层次结构模型
说明了信息的传输过程，各层具有的功能
网络分为七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层
网络的设计规划出一张蓝图

主要功能

物理层：利用物理介质透明地传送比特流
数据链路层：保证点到点可靠的数据传输
网络层：路由选择
传输层：提供可靠的端到端服务
会话层：建立、管理和终止应用程序之间的会话
表示层：保证一个系统引用层发出的信息能被另一个系统的应用层读出
应用层：为用户的应用程序进程之间提供网络服务

分层与网络设备的对应关系

主机应实现全部七层功能
通信设备应实现下三层功能
- 路由器实现到网络层
- 交换机实现到链路层
- 集线器实现到物理层

相邻层通信

通过接口进行通信：上层使用下层提供的服务并向上层提供服务

封装与解封装

封装：发送方在数据头部和尾部加入特定的协议头的过程

解封装：接受发将增加的数据头部去除的过程

协议数据单元

对等层的信息单元。通常上层的协议数据单元封装在下层的协议数据单元中

TCP-IP体系结构

网络的层次结构

目的

将庞大的复杂的计算机网络问题划分成若干较小的简单的问题——分而治之

划分原则

层内功能内聚

层间耦合松散

优越性

更层之间相互独立——高层不需要知道底层如何实现的
灵活性好——各层可以采用最合适自己的实现技术，一层的变化不会影响其他层
易于实现和维护
有利于网络标准化

TCP/IP体系结构

目前最流行的网络体系结构
工业标准或事实标准
层次划分：应用层（应用层、表示层、会话层）、传输层、互联层、（主机-网络层=链路层+物理层）

各层的功能

主机-网络层：负责通过网络发送和接受IP数据报
互联层：路由选择
传输层：负责应用进程之间的端对端通信
- 传输控制协议 TCP, Transport Control Protocol
- 用户数据报协议 UDP, User Datagram Protocol
应用层：进程间通信的高层协议
- FTP
- 邮件传输协议 SMTP
- DNS
- HTTP
- BitTorrent