计算机网络概论

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一、网络

• 组成：资源共享＋自治计算机＋网络协议；软硬件＋协议；结点＋链路；通信子网（路由器，交换机等）＋资源子网（软硬件＋数据）；边缘部分（主机＋应用）＋核心部分（路由＋转发）。

性能指标

数据交换和多路复用

• 设备：主机（端系统），路由器（将一个网络与另一个网络连接），交换机（将不同设备连接）等
• 局域网：一定范围内（办公室，大楼或校园等）几个主机相连的私有网络，内部每个主机有唯一标识。
• 广域网：将交换机、路由器或调制解调器等连接设备互联，由通信公司创建并运营。
• 因特网：成千上万个互联的网络组成多层次ISP（internet service provider）结构的互联网。骨干网（国际因特服务供应商）：通过一些复杂的交换系统（网络对等交互点）互联；供应商网络（国内或地域因特网服务供应商如中国移动，中国电信）：付费使用骨干网上的一些服务；客户网络：向供应商网络付费来得到服务。
• 协议分层：
• 协议：网络中事先约定的明确所交换的数据格式（语法），控制信息（语义），以及事件实现顺序（同步）。
• 协议分层：将服务和实施分开来，每层使用更低层的服务，并向较高一层提供服务；一个协议层可以只看做一个具有输入输出的黑匣子；每层自己实现而不用考虑其他层如何实施。独立性，灵活性，易于实现和维护，能促进标准化工作。各层主要完成的功能：差错控制，流量控制，分段和重装，复用和分用，建立连接和释放。

二、应用层

应用层向用户提供服务：假设A和B直接接收和发送消息。

1、客户机－服务器模式

• web是连接分布在世界各地的文档信息的存储库，web服务器可以往存储库中添加新网页，网页之间通过链接跳转，即超文本概念：链接通过自动机器检索系统检索系统中另一个文档。现在超文本扩展为超媒体：一个链接去的网页可以是文本，音频视频等。web具体
• 客户端：解释和显示网页的浏览器，根据文档类型，解释器可以是HTML，Java，JavaScript等。
• 服务器：服务器存储网页文档，回应请求。
• 统一资源定位器（URL）：网页需要唯一的标识和其他网页区分开。大多数时候为：协议://主机/路径，如http://www.baidu/login/；需要端口号时：协议://主机：端口/路径，如http://localhost:90/563/ 。
• 超文本传输协议：定义如何编写客户机-服务器程序以便于从网路中检索文件的协议，客户端请求（随机端口），服务端响应（80端口）。

2、文件传输协议（FTP）

• FTP是TCP/IP提供的标准协议（21端口），解决文件从一个系统复制到另一个系统问题，如两个系统使用不同的文件命名方式，两系统有不同的文件结构或者有不同的数据表示方式。
• FTP使用客户/服务器模式，服务器进程有主进程（负责新的请求）和若干从属进程（负责单个请求）：主进程通过端口21等待客户连接（TCP连接），客户连接上后启动从属进程处理，主进程继续等待。当客户进程向服务器进程建立连接请求时，寻找服务器21端口（控制连接）的同时，还告知自己的另一个端口用于建立数据传送连接（FTP使用并行的两个TCP连接），使协议更简单易于实现。
• 简单文件传输协议TFTP则使用UDP连接和客户/服务器模式（端口69），每次传送的数据报文只有512字节，支持ASCⅡ或二进制传送，发完数据后在一段时间内收不到确认就重发
• FTP和TFTP协议中需要修改文件时都是先从服务器上获取文件副本，修改后上传至源节点，而网络文件系统NFS允许应用程序打开一个远程文件并能在某一特地位置读写数据，在网络上传送的是少量的修改数据，NFS服务器更新数据后返回应答信息。

3、电子邮件email

用户交流通过中间电子邮件服务器（队列），使用客户端/服务器模式和TCP可靠数据传输（25端口）。一个电子邮件系统包括用户代理，邮件服务器以及邮件发送协议和邮件接收协议（由于不能保证通信双方同时在线：发送用户使用代理将邮件上传发送方服务器，发送方服务器将邮件发送给接收方服务器，接收方在线时再从接收方服务器上获取邮件）。

• SMTP简单邮件传送协议

命令/响应方式：

1. 代理发送邮件到发送方邮件服务器（推）：发送方通过发送方代理（如QQ邮箱，网易邮箱等）编辑邮件，后代理方作为客户与发送方邮件服务器建立TCP连接。服务器发送220 OK就绪，命令HELO开始对话，代理发送邮件到发送方服务器的邮件队列，QUIT结束对话断开连接。
2. 发送方服务器发送邮件到接收方邮件服务器（推）：发送方邮件服务器每隔一段时间扫描自己的邮件队列，发现有邮件后检查邮件头，和接收方服务器建立TCP连接，此时发送方服务器作为客户端，开始以上对话。出现服务器错误时等待，邮件不被允许传到其他服务上。

SMTP协议不能传送可执行文件和其他二进制文件，且限于传送7位的ASCⅡ码，SMTP服务器会拒绝超过一定长度的邮件，。在这些情况提出MIME通用互联网邮件扩充，在SMTP基础上增加邮件主体结构，扩充了非ASCⅡ码的编码规则，用户通过MIME后使用SMTP。

• 邮件读取协议POP3邮局协议和IMAP网际报文存取协议

      3.接收方代理从邮件服务器上接收邮件（拉）：接收方在线时可使用两种协议从接收方服务器上接收邮件，首先建立TCP连接。POP3需要认证用户名和口令后才能获取邮件服务器上邮件，只要用户从服务器上读取了邮件，邮件就从服务器上自动删除。IMAP用户登录邮件服务器后就可以像在本机上一样操纵服务器上的邮件，它不会自动删除。

4、TELNET

• 远程登录服务：服务器程序可以为客户机提供特定的服务，但是不会为其编写一对一的服务，而是采用远程登录方式为其提供服务。如在寝室远程登录使用实验室的机器。
• TELNET终端网络：是最早远程登录协议之一，要求登录名和密码，但都是明文传输，不安全（用户在本地通过TCP连接登录到另一台主机上）。
• 安全外壳SSH：远程登录和文件传输的安全协议，使用RSA加密，登录需要安全验证。

5、域名系统DNS

        为了确认网络中的一个实体，TCP/IP协议族使用唯一定义该主机和网络之间连接的IP地址，而人们习惯使用名称（域名：如www.baidu)，采用了DNS名称映射地址系统:域名和IP之间相互查询，通常由主机自动发起查询（不显示给用户）。

DNS是一个分级分布式数据库系统，采用客户/服务器模式：域名向IP的翻译；主机别名；邮件服务器别名；web服务器负载均衡（大型网站的多个服务器交替呈现）。层次：根域名服务器（本地域名不知道时访问根，全球共13个根域名（但有很多根域名服务器或镜像根域名服务器），一般不直接返回IP，而是下一步域名服务器）；顶级域名服务器：国家顶级域名服务器（cn:中国,us:美国,uk:英国等），通过顶级域名服务器（com:公司企业,net:网络服务机构,org:非营利性组织,edu:美国专用的教育机构）；二级域名：类别域名(如edu:中国教育机构,ac:科研机构,gov:中国政府机构等)和行政区域名(如bj北京市:,js:江苏省等)(cn下)，三级域名，四级域名等。

每一个互联网服务提供者ISP都可以有一个本地域名服务器，也称默认域名服务器。为了提高域名服务器的可靠性DNS域名服务器都会把数据复制到几个域名服务器来保存，其中一个是主域名服务器，其他是辅助域名服务器。

DNS资源记录（RR）：格式（name,value,type,ttl），type=A(name是域名，value是IP)；type=NS(name是域，value是该域权威域名解析服务器的主机名)；type=CNAME（name是真实域名的别名，value是真实域名)；type=MX(value是与name对应的邮件服务器)；ttl：时限。注册域名需要向域名管理机构提交权威域名解析服务器的名字和IP，域名管理机构向com顶级域名服务器插入记录并在权威域名解析服务器中加入记录。

6、动态主机配置协议DHCP

连接到互联网的计算机需要配置IP地址，子网掩码，默认路由器的IP地址和域名服务器的IP地址。DHCP协议提供即插即用联网的机制（一台计算机加入新的网络和获取IP地址而不用手工配置），DHCP使用客户/服务器模式，使用传输层UDP协议。

1. DHCP服务器在UDP端口等待客户端发来的报文；
2. 需要IP的主机在启动时向DHCP服务器广播发送发现报文（源IP设为全0，目的IP设为全1）；
3. 本地网络的主机都会收到该报文，但只有DHCP服务器会回复提供报文，主机可能会收到多个提供报文，选择其中一个后向其发送请求报文，被选择的服务器发送确认报文，客户就可以使用提供报文中的IP了（已绑定状态）；
4. 服务有期限，若到时间则请求更新租用期，如校园网的DHCP服务器的租期设为1小时。通常不是每个网络都有一个DHCP服务器，而是至少有一个DHCP中继代理（一般是路由器），在用户和DHCP服务器之间进行转发。

7、简单网络管理协议SNMP

• 网络管理：对网络资源进行监视、测试、配置、分析、评价和控制，如此以合理的价格满足网络的一些需求，如实时运行性能、服务质量等。
• 管理站是整个网络系统的核心，由网络管理员直接操作和控制，管理站所在部门称为网络运行中心NOC。
• 被管设备：主机、路由器、打印机、集线器、网桥或调制解调器等，每个被管设备可能有许多被管对象，如一块网络接口卡等。每一个被管设备都要运行一个程序以便和管理站中的管理程序进行通信（网络管理代理程序）。
• 简单网络管理协议SNMP中的管理程序和代理程序以客户/服务器方式工作，SNMP定义管理站和代理之间所交换的分组格式，SNMP的网络管理还包括管理信息结构SMI和管理信息库MIB。
• 管理信息结构SMI：解决被管对象的命名问题，用来存储被管对象的数据类型有哪些，和在网络上传送的管理数据应如何编码。
• 管理信息库MIB：被管对象必须维持可供管理程序读写的若干控制和状态信息，这些被管对象构成的虚拟的信息存储库。

8、应用编程接口和套接字

• 只要应用程序需要从操作系统获得服务（如读取文件），就要把控制权交给操作系统（系统调用），操作系统在执行完必要的操作后就通过系统调用接口（又称为应用编程接口API）将控制权返回给应用程序。
• 典型的是Berkeley UNIX操作系统采用的套接字接口API（Socket），还有微软公司的WinSock等。网络编程中常常把套接字作为应用程序和传输层协议的接口。
• 过程：当应用程序需要使用网络进行通信时，必须首先发出Socket系统调用，请求操作系统为其创建一个“套接字”（请求操作系统把一些网络通信所需要的系统资源(存储空间，网络带宽等)分配给应用程序）。操作系统为这些资源的总和用一个小的整数（套接字描述符）来表示，此后应用程序的任何网络操作都用到套接字描述符，以便操作系统识别。

9、端到端模式P2P

不需要固定服务器，一台主机既是服务器又是客户，提供自己有的，访问自己想要的。准备好共享他们资源的网络用户成为同位体并逐渐构成网络（Peer to Peer）。当网络中的同位体有可共享的文件（音频、视频等），其他感兴趣的同位体可以与该计算机连接并下载这个文件，下载后的文件可供其他同位体访问并下载。在P2P文件系统中，对等用户的数量非常多，且处于一种无序状态，对等方可以随时加入或随时退出。

• 集中网络：混合P2P网络。中央服务器目录系统列出同位体和他们提供了什么，使用客户机-服务器模式。同位体向服务器发送查询请求，获得资源所在IP，与IP所在计算机相连，通过端到端方式传输文件。
• 分散网络：不依赖于集中目录系统。未结构化的P2P网络：节点随机连接。结构化P2P网络：使用一组预设的规则来链接节点。

三、传输层

负责端到端的完整报文传输（为应用层之间提供端到端的逻辑通信）和差错控制。

• 进程间通信：传输层协议将传输到计算机的信息送抵相应的进程。
• 地址-端口号：在主机上的进程叫做客户程序，客户程序需要来自通常运行在远程主机上的进程提供的服务（服务器程序），如QQ客户端和远程服务器。为了通信，我们必须定义本地主机和远程主机（使用IP地址），本地进程和远程进程（使用端口号）。在TCP/IP协议族中，端口号是0和65535（16位）之间的整数。临时端口号：分配给客户程序；通用端口号：如浏览器常用80端口。
• 复用：发送方不同应用进程都可以使用同一个传输层协议传输数据；
• 分用：接收方的传输层在剥去报文首部后能够把这些数据正确交付目的应用进程。

1、用户数据报协议（UDP）

不可靠的无连接传输协议，既简单同时开销最小，适合发送短的消息且不考虑可靠性时。UDP数据包又叫用户数据报有一个固定大小为8字节的首部＋数据，封装在16位的IP数据报中，整体长度短。

• 无连接：发送数据前不需要建立连接（不需要建立Socket），尽最大努力交付，不保证可靠交付；
• 支持1对1，1对多，多对1，多对多的交互通信。
• 面向报文：对于应用程序交付下来的报文，直接加上首部后交付IP层，既不合并也不拆分，一次交付一个完整的报文；
• 没有拥塞控制：网络拥塞不会使原主机的发送速率降低，适合视频通话等：允许网络拥塞时丢失一些数据，但不允许数据有太大的时延。
• UDP首部格式：源端口（需要回信时使用，不需要可置0），目的端口（必须：终点交付报文使用），长度（UDP数据报总长度），校验和（差错检测）：当传输层从网络层收到UDP数据报时，就根据目的端口，上交应用进程，目的端口不正确则丢弃报文（主机到主机之间的寻址由网络成负责）。
• 在UDP校验和的计算中，除了首部4个字段共8个字节外，在数据报之前加上12字节伪首部（源IP，目的IP，类型，长度），和数据一起，每16位求和取反得校验码。 伪首部从数据报所在IP分组的头部提取，既不想向下传也不向上交，只是在计算校验和时临时加入，既检验了UDP端口和数据，也检验了IP地址。

2、传输控制协议（TCP）

面向连接的可靠协议，提供流量控制和拥塞控制，明确的定义了连接设施、数据传输和连接拆卸以提供面向连接的服务。TCP段，每一段前有至少20字节头部＋数据封装在IP数据报中。

• 面向连接：通信前必须先建立连接，完毕后必须拆除连接;
• TCP一个连接两个端点，端点称套接字socket＝(IP地址：端口号)，该套接字和应用编程接口API socket不同，应区分；
• 提供可靠交付：无差错、不丢失、不重复、按顺序；
• 全双工通信：TCP连接的两端都设有发送缓存和接收缓存；
• 面向字节流：TCP把应用程序交下来的数据仅仅看成一连串无结构的字节流。

四、网络层

网络层协议负责主机到主机的消息发送：逻辑寻址（全局唯一：如IP），路由（路径选择），分组转发。

1、网络层服务

• 打包：从传输层协议接收数据包，添加包源地址和目标地址以及其他网络协议所需要的头，传给数据链路层。从数据链路层收到的报文解除其头部后传给传输层。
• 数据包传送：传递数据包不可靠：数据包在传送过程中可能损毁、丢失或重复。各数据包之间的传送是单独的：如在传输层的数据包分成多个网路层数据包，则这些数据包在传输过程中没有连接，他们到达的顺序是不一定的。
• 路由：物理网络是网络和连接这些网络的路由器的集合，从源到目的有不一条路线，网络层根据路由协议来寻找路线。

2、网络层协议

• IPv4：第四版网络协议。用来标记每个设备和互联网之间连接的标识符叫做网络地址或IP地址（32位如192.168.1.254），如路由器有多个网络连接就有多个IP地址。头部长度20~60字节。
• IPv6：为了防止地址耗尽，IPv6使用128位来定义任何连接到网络的设备，如FEF7:5623:0017:A2B5:BC21:0243:7256:1345。基本头部长度40字节。

五、数据链路层

解决帧的传输问题：差错检测，流量控制，物理寻址，访问控制（各节点对链路的控制）

1、节点和链接

• 数据链路层的通信是节点对节点的，通常将路由器和端主机看作节点，将它们之间的网络看作链接。

2、局域网（LAN）

• 有线LAN（以太网）：根据每秒传输的位数（数据速率），以太网发展经历四代：标准以太网（10Mbps每秒一千万位）、快速以太网（100Mbps）、千兆以太网（1Gbps）和万兆以太网（10Gbps）。这些位不是一位一位发送的，所有数据都被打包起来并称为帧，其还包括源地址、目的地址、数据类型、实际数据信息等等。
• 无线LAN：无线以太网（WiFi）和蓝牙。

3、广域网（WAN）

因特网中连接两个节点的可能是LAN也可能是WAN。

• 有线WAN：拨号上网服务（调制器通过数据制造信号，解调器从调制信号中恢复数据）；数字用户线路（DSL，允许用户同时使用语音频道和数据频道，电子邮件或网络连接之类的服务由电话公司提供）；有线电视网络（使通过微波连接来使用远程广播电台成为可能）；交换式有线WAN。
• 无线WAN：全球互联接入；手机网络；卫星网络。

六、物理层

解决单一比特传输问题

负责定义接口：机械特性（接口形状等），电气特性（电平电压等），功能特性（发送数据信号还是控制信号等），规程特性（接口工作过程）。

负责比特编码，定义速率，比特同步（时钟同步）

定义传输模式：单工（数据只能单向传送），半双工（可双向，同一时间只能单向），全双工（数据双向传送）。

1、数据和信号

将从数据链路层接收的位转换成用于传输的电磁信号，当位被转换成为信号后，信号将被传输至传输媒介。节点对节点，之间传输电磁信号。

2、数字化传输

数字数据呈现的是离散的值，数字信号可以只拥有有限个定义的值，需要专用通道。

3、模拟传输

模拟数据指连续信息，模拟传输不需要专用通道，如在空气中传播是，我们只使用频道中的一部分。数模可转换。

七、传输介质

1、有线：导向介质

双绞线，同轴电缆，光纤电缆

2、无线

无线电波（3kHz~1GHz）；微波(1~300GHz)；红外波(300GHz~400THz)，红外波的频率较高，无法穿透墙壁。

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