概论

1.1互联网

1. 从具体构成
   网络由结点和边组成

计算机网络：由联网的计算机构成的网络
节点：
主机节点——数据的源、数据的目标；
数据交换节点——路由器（工作在网络层）、交换机（工作在链路层）（它们既不是源也不是目标）数据中转节点

边：通信链路
接入网链路——把主机和交换节点
主干链路——交换节点和交换节点连在一起

协议：支持互联网工作的标准，控制发送、接收消息（TCP、IP、HTTP、PPP）

互联网：网络的网络
主机=端系统，运行网络应用程序
通信链路：传输速率=带宽（bps）
分组交换设备：转发分组（路由器、交换机）

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。

2. 从服务角度

• 使用通信设施进行通信的分布式应用
• 通信基础设施为apps提供编程接口（通信服务）
  无连接不可靠服务UDP
  面向连接的可靠服务TCP

3. 网络结构
   • 网络边缘（主机；应用程序：客户端和服务器）：目标主机把数据发给网络核心
   • 网络核心（互连着的路由器；网络的网络）：数据交换作用，将数据传到目标主机
   • 接入网、物理媒体（有线或者无线通信链路）：将网络边缘接入网络核心

1.2网络边缘

三种模式：

1. 端系统（主机）：运行应用程序
2. 客户/服务器模式（主从模式）：扩展性差，达到阈值断崖式下降
3. 对等（peer-peer）模式：每个节点即是服务器也是客户端，下载速度快，同时从不同的服务器请求（一个文件可以从多个服务器下载不同的片段）

两种服务：

1. 采用网络设施的面向连接服务（只有端系统维护连接、链路不知道）
   目的：在端系统之间传输数据
   在数据传输之前——握手（打招呼，作准备，确认两个通信主机之间为连接建立状态，再进行数据传输）
   TCP服务：
   可靠地（请求，确认，查询过去，查询结果返回。4步）、按顺序传送数据；
   流量控制（协调接收方速度和发送方速度，速度需要匹配，不超过处理能力）；
   拥塞控制（网络拥塞时，发送方降低发送速率，减缓拥堵）

2. 采用基础设施的无连接服务
   目标：在端系统之间传输数据
   无需握手——直接发送数据（上来就发送，对方直接回应）
   UDP-用户数据报协议：
   无连接（查询过去，查询结果返回。2步）；
   不可靠数据传输；
   无流量控制；
   无拥塞控制；

1.3网络核心

网络核心：路由器的网状网络
数据通过网络传输2中方式：

1. 电路交换（每个呼叫预留一条专有电路）
   端到端的资源被分配给从源端到目标端的呼叫“call”
   独享资源；
   若无数据传输，被发配的资源会被浪费，因为该线路不能被别人使用，此时空闲

使用时将带宽分成片：
频分FDM、
时分TDM（周期）、
波分

不适合计算机之间通信

2. 分组交换（数据分组，存储转发）
   以分组为单位存储-转发方式（带宽不分片，数据被分组）
   资源共享，按需使用（存储、转发：分组每次移动一跳）：转发之前，节点必须接收到整个分组，延迟较大，需要排队时间
   排队和延迟：
   到达速率>链路的输出速率
   分组排队，等待传输；若路由器缓存用完，分组被抛弃。

网络核心的关键功能
路由：决定分组采用的源到目标路径（全局，找到路径）
转发：将分组从路由器的输入链路到输出链路
由转发和路由相互配合，原主机将目标能够放出去，目标主机能够收到

分组交换：统计多路复用（时分复用链路资源，但划分时间片的方式不是固定的）
分组交换（按照网络层是否有连接）分成两种方式：
数据报方式：每一个分组携带目标主机完整地址，每个节点根据该完整地址存储转发，两个主机在通讯之前不需要握手，每个分组传递都是独立的。
虚电路：主机和目标主机通信前握手，之间的交换节点保持通信的状态，建立起一条虚拟的线路，每个分组携带一个虚电路号，节点根据虚电路号存储转发，每个节点都有相应标识

1.4接入网络和物理媒体

1. 接入网：将网络边缘接入网络核心
   两个注意点：
   接入网络的带宽；
   接入线路是独享or共享。

三种接入方式：
1.住宅接入：modem （猫），通过电话线调制解调；不能同时上网和打电话
2.DSL：仍使用电话线，1-4kHz保留通话，剩余带宽分为上行和下行（）
3.线缆网络：用有线电视信号线缆（本身只能下行，保留电视信号，剩下带宽改造为上下行。HFC：上下行非对称，用户共享接入网）

2. 物理媒体：将两者连在一起的物理介质

分成两类：
1.导引性媒体：看得见摸得着的（电缆、光线，信号都局限在导体内部，传的远）
2.非导引性媒体：看不见摸不着（开放空间传电磁波，信号会向周边辐射，传的近）

1.5互联网结构和ISP

互联网结构，有两种划分方式：
1.按照上文划分方式（按照节点和链路的类型划分）：网络边缘、核心、接入网
2.把关系比较密集，在一个网络中的设备，称之为一个ISP的网络，互联网由很多ISP网络构成；任何一个端系统都是通过接入到ISP接入到互联网。建立全局ISP，将所有ISP接入其中。

松散的层次结构：
中心：第一层ISP，国家/国际覆盖（直接与其他第一层ISP相连，与大量第二层ISP和其他客户网络相连）
第二层ISP：更小些的（区域性）ISP（与第一层ISP相连，也可能与其他第二层ISP相连）
第三层ISP与其他本地ISP：接入网（与端系统最近）

1.6分组时延、丢失和吞吐量

1. 分组丢失原因：路由器缓冲区已满，后来到达的分组被丢掉。

2. 时延：分组到达链路的速率超过了链路输出能力，分组等待排到队头、被传输。

四种分组延时：
1.节点处理延时：检查bit是否出错，查去向（路由表）
2.排队延时：在输出链路上等待传输的时间，排到队头的时间（取决于路由器的拥塞程度）
3.传输延时：存储转发延时（将队头分组从路由器传出）；R = 链路带宽，L = 分组长度，将分组发送到链路上的时间 = L/R
4.传播延时：在链路上的传播时间；d = 物理链路的长度，s = 在媒体上的传播速度（～2x10^8 m/sec），传播延时 = d/s

排队延时取决于流量强度：R=链路带宽，L=分组长度，a=分组到达队列的平均速率；流量强度 = La/R，不能超过1

丢失的分组可能会被前一个路由重传（链路提供可靠的服务），也可能不重传（链路提供不可靠的服务）。如果使用TCP，在链路提供不可靠服务时，由源主机重传。

3. 吞吐量：
   在源端和目标端之间传输的速率（数据量/单位时间）
   -瞬间吞吐量：在一个时间点的速率
   -平均吞吐量：在一个长时间内平均值
   瓶颈链路：端到端路径上，限制端到端吞吐的链路
   

1.7协议层次及服务模型

1. 分层化方法实现复杂网络功能：
   将网络复杂的功能分成功能明确的层次，每一层实现其中一个或一组功能；
   本层的服务：借助下层服务实现的本层协议实体之间交互带来的新功能（上层可以利用的）+更下层所提供的服务
   协议实现的目的：通过接口为上层提供更好的服务；

1.服务：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力
2.原语：上层使用下层服务的形式，高层使用低层提供的服务，以及低层向高层提供服务都是通过服务访问原语来进行交互的——形式
3.服务访问点SAP：上层使用下层提供的服务通过层间的接口——地点

2. 服务的类型
   面向连接的服务：TCP方式交互，需要握手。
   无连接的服务：两个应用程序采用UDP方式交互，不需要握手。

3. 服务和协议

1.区别：
服务：低层实体向上层实体提供它们之间的通信的能力，通过原语操作（垂直）；
协议：对等层实体之间在互相通信过程中，需要遵循的规则和集合（水平）
2.联系：
本层协议的实现要靠下层提供的服务来实现；
本层实体通过协议为上层提供更高级的服务。

4. 分层处理和实现复杂系统的好处
   对付复杂的系统

概念化：结构清晰，便于标示网络组件，以及描述其相互关系（分层参考模型）
结构化：模块化更易于维护和系统升级（改变某一层服务的实现不影响系统中的其他层次；如改变登机程序并不影响系统的其他部分）

5. 互联网协议栈
   
   应用层：网络应用（SMTP、HTTP、DNS、FTP）
   传输层（运输层）：主机之间的数据传输（TCP、UDP）
   网络层：为数据报从源到目的选择路由
   链路层：相邻网络节点间的数据传输
   物理层：在线路上传送bit

应用层——报文
传输层——报文段（进程到进程之间的区分、提供可靠数据传输）
网络层——数据报（传输以分组为单位，源主机到目标主机端到端传输）
链路层——帧（解决相邻两点的传输）
物理层——bit（把数字数据转换成物理信号）

应用层

2.1应用层协议原理

网络应用的体系结构：

1. 客户-服务器模式（C/S）
   服务器：一直运行；固定IP地址和周知端口号；扩展性，服务器场，扩展性差
   客户端：主动与服务器通信；与互联网有间歇性的连接；可能是动态IP地址；不直接与其他客户端通信
2. 对等模式（P2P）
   几乎没有一直运行的服务器；任意端系统之间可以进行通信；每一个节点即是客户端又是服务器；参与的主机间歇性连接可以改变IP地址
3. 混合体：客户-服务器和对等体系结构
   Napster：文件搜索——集中（主机在中心服务器上注册其资源，主机向中心服务器查询资源位置）；文件传输——P2P（任意Peer节点之间传输文件）
   即时通信：在线检测——集中（用户上线时，向中心服务器注册其IP地址；当用户与中心服务器联系，以找到其在线好友的位置）；两个用户聊天之间——P2P

进程通信：

进程：在主机上运行的应用程序
1.同一个主机内，使用进程间通信机制通信（操作系统）
2.不同主机间，通过交换报文来通信

客户端进程：发起通信的进程
服务器进程：等待连接的进程

2.2Web和HTTP

2.3FTP

2.4Email

2.5DNS

2.6P2P应用

2.7CDN

2.8TCP套接字（Socket）编程

2.9UDP套接字编程