计算机网络 - 概述

计算机网络 - 概述

“网络的网络”

网络之间可以通过路由器连接起来，形成覆盖范围更大的计算机网络。这样的网络称作“互连网”(internet)。
习惯上，与网络相连的计算机常称为主机 (host)。

这里需要区分internet与Internet。
前者是一个通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。
后者指当前全球最大的、开放的、由众多网络互相连接而成的特定互连网，采用TCP/IP协议族作为通信规则。
Internet具有两个重要特点：连通性 (connectivity) 和共享 (Sharing)

互连网目前发展到第三阶段，出现了互联网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)，逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。
根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的 IP 地址数目的不同，ISP分为：主干 ISP、地区 ISP 和 本地 ISP。

我们所谓的所谓“上网”就是指“（通过某ISP获得的IP地址）接入到互联网”。

我国主要ISP有电信、联通、移动等， 它们在各个地方埋网线，有自己的主机、 我们出钱连入他们的网络，就能访问上网了。
有一些网站站点放在电信机房中，我们电信网去访问，就会比较快，因为通往主机那边的地址的方式很多，如果电信网访问放在联通主机房中的网址，则相对会受到影响。

互连网的组成

从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块：
(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。这些主机又称为端系统 (end system)。

(2) 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

端系统间通信

“主机A与主机B进行通信”实际上指：运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信。

端系统（主机）之间的通信方式通常可划分为两大类：

• 客户-服务器方式（C/S方式）
• 对等方式（P2P方式）

客户-服务器方式(C/S方式)

客户 (client) 和服务器 (server) 都是指通信中所涉及的两个应用进程。
客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
客户软件的特点：被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。

客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。

服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务。

对等方式(P2P方式)

对等连接是指两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。
只要两个主机都运行了对等连接软件 (P2P 软件) ，它们就可以进行平等的、对等连接通信。
双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档。
对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又是服务器。

对等连接工作方式可支持大量对等用户（如上百万个）同时工作。

互联网的核心部分

网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）。
在网络核心部分起特殊作用的是路由器 (router)。
路由器是实现分组交换 (packet switching) 的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。
从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

电路交换

每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。
所采用的交换方式就是电路交换 (circuit switching)。

电路交换必定是面向连接的。

电路交换分为三个阶段：

• 建立连接：建立一条专用的物理通路，以保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用；
• 通信：主叫和被叫双方就能互相通电话；
• 释放连接：释放刚才使用的这条专用的物理通路（释放刚才占用的所有通信资源）。

分组交换

分组交换网以“分组”作为数据传输单元。
依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。
每一个分组的首部都含有地址（诸如目的地址和源地址）等控制信息。
分组交换网中的结点交换机根据收到的分组首部中的地址信息，把分组转发到下一个结点交换机。
每个分组在互联网中独立地选择传输路径。
用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。

三种*交换方式的比较：

交换方式	特点
电路交换	需要先建立连接比特流连续的从原点直达终点，随后释放连接
报文交换	整个报文传送至相邻结点，全部储存下来后查找转发表，转发至下一个结点
分组交换	单个分组传送到相邻结点，存储后查找转发表，转发至下一个节点（存储转发）

*在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换 (message switching)。
报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。

互联网核心部分中的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。
主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。

路由器处理分组的过程是：

• 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
• 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
• 把分组送到适当的端口转发出去。

在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。

计算机网络的类别

按作用范围分类

广域网 WAN (Wide Area Network)：作用范围通常为几十到几千公里。
城域网 MAN (Metropolitan Area Network)：作用距离约为 5 ~ 50 公里。
局域网 LAN (Local Area Network) ：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。
个人区域网 PAN (Personal Area Network) ：范围很小，大约在 10 米左右。

按照网络的使用者进行分类

公用网 (public network)
按规定交纳费用的人都可以使用的网络。因此也可称为公众网。
专用网 (private network)
为特殊业务工作的需要而建造的网络。

用来把用户接入到互联网的网络

接入网 AN (Access Network)，它又称为本地接入网或居民接入网。
接入网是一类比较特殊的计算机网络，用于将用户接入互联网。是从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络。
接入网本身既不属于互联网的核心部分，也不属于互联网的边缘部分。

计算机网络的协议体系

OSI 与 TCP/IP

为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织 ISO 于 1977 年成立了专门机构研究该问题。
他们提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，简称为 OSI。

法律上的 (de jure) 国际标准 OSI 并没有得到市场的认可。
非国际标准TCP/IP却获得了最广泛的应用。TCP/IP 常被称为事实上的(de facto)国际标准。

网络协议的三个组成要素
语法：数据与控制信息的结构或格式 。
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。
同步：事件实现顺序的详细说明。

OSI 的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。
TCP/IP 是四层体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。
但最下面的网络接口层并没有具体内容。
因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。

五层协议体系

	名称	协议	PDU	中继系统	地址
5	应用层	HTTP,SMTP	网关	报文
4	运输层	TCP,UDP	报文段	网关	端口（socket）
3	网络层	IP	IP数据报(Packets)	路由器	IP地址
2	数据链路层	PPP,CSMA/CD(Ethernet),CSMA/CA*(Wi-Fi)	帧	网桥/桥路器	MAC地址
1	物理层	802.11	比特	转发器

无线局域网标准802.11的MAC和802.3协议的MAC非常相似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性检测。
在802.3协议中，是由一种称为CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)的协议来完成调节，这个协议解决了在Ethernet上的各个工作站如何在线缆上进行传输的问题，利用它检测和避免当两个或两个以上的网络设备需要进行数据传送时网络上的冲突。
在802.11无线局域网协议中，无线传输信号的性质决定了无线信道接收与发送信号时，无法采用CSMA/CD通过电压变化检测冲突的方法（Near/Far现象），同时无线网络中存在隐蔽站与暴露站的问题，因此设计了CSMA/CA来完成无线局域网下的冲突检测和避免