Internet(因特网)概述

    现在的网络是指“三网”,即电信网络、有线电视网络和计算机网络。
    发展最快的并起到核心作用的当然是计算机网络。
    下面介绍下因特网的概述,包括因特网的组成,网络,节点,链路等等概念。大概会有下面这些内容。


    基本概念区分

    网络(network)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。 (注意此结点不等于节点)
    互联网是“网络的网络”(network of networks)。
    连接在因特网上的计算机都称为主机(host)

    网络把许多计算机连接在一起。因特网则把许多网络连接在一起。

    网络和互联网

    1983是因特网的诞生时间。


    Internet 和 Internet 的区别

    以小写字母 i 开始的 internet(互联网或互连网)是一个通用名词,它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。

    以大写字母I开始的的 Internet(因特网)则是一个专用名词,它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络,它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则,且其前身是美国的 ARPANET。


    三级结构的因特网

    三级计算机网络,分为主干网、地区网和校园网(或企业网)。


    因特网服务提供者 ISP

    Internet Service Provider因特网服务提供者,所以ISP到底是什么呢?

    我们所有的用户都是通过ISP上网的。

    ISP

    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 也分成为不同的层次。

    下面是具有三层 ISP 结构的因特网的概念示意图:

    ISP


    因特网的组成

    • 边缘部分 由所有连接在因特网上的主机组成。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。
    • 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

    处在因特网边缘的部分就是连接在因特网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(end system)。


    主机通信

    “主机 A 和主机 B 进行通信”,实际上是指:“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”。

    即“主机 A 的某个进程和主机 B 上的另一个进程进行通信”。或简称为“计算机之间通信”。


    两种通信方式

    网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类:客户-服务器方式即Client/Server方式 ,对等方式即 Peer-to-Peer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。
    客户是服务的请求方,服务器是服务的提供方。

    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。
    不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

    服务器软件的特点

    一种专门用来提供某种服务的程序,可同时处理多个远地或本地客户的请求。
    系统启动后即自动调用并一直不断地运行着,被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求,因此,服务器程序不需要知道客户程序的地址。
    一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。


    对等连接方式

    对等连接(peer-to-peer,简写为 P2P)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同时是服务器。例如主机 C 请求 D 的服务时,C 是客户,D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供服务,那么 C 又同时起着服务器的作用。


    因特网的核心部分

    网络核心部分是因特网中最复杂的部分。

    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)。

    在因特网核心部分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。


    路由器的作用

    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。 为了了解分组交换,我们看下有哪些交换。


    三种交换方式

    电路交换

    两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。 5 部电话机两两相连,需 10 对电线。N 部电话机两两相连,需 N(N – 1)/2 对电线。当电话机的数量很大时,这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。

    当电话机的数量增多时,就要使用交换机来完成全网的交换任务。

    在这里,“交换”(switching)的含义就是转接——把一条电话线转接到另一条电话线,使它们连通起来。
    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

    电路交换必定是面向连接的。

    电路交换的三个阶段:建立连接,通信,释放连接.

    A 和 B 通话经过四个交换机,通话在 A 到 B 的连接上进行.很明显,电路交换传送计算机数据效率低。


    分组交换

    • 在发送端,先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。
    • 每一个数据段前面添加上首部构成分组。
    • 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等控制信息。
    • 分组交换网中的结点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息,把分组转发到下一个结点交换机。
    • 用这样的存储转发方式,最后分组就能到达最终目的地。
    • 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。
    • 最后,在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。

    注意:这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错,在转发时也没有被丢弃。

    过程如下:

    ISP

    注意分组的数据包到达目的地的路径可以不相同。中间可能有很多个路由器,每到一个路由器就:在路由器中暂存查找转发表找到转发的端口。

    分组交换的优点
    1. 高效 动态分配传输带宽,对通信链路是逐段占用。
    2. 灵活 以分组为传送单位和查找路由。
    3. 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。
    4. 可靠 保证可靠性的网络协议;分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。
      分组交换的缺点
    5. 分组在各结点存储转发时需要排队,这就会造成一定的时延。
    6. 分组必须携带的首部(里面有必不可少的控制信息)也造成了一定的开销。

    报文交换

    存储转发原理并非完全新的概念,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


    路由器

    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。

    这里注意:主机和路由器的作用不同

    主机是为用户进行信息处理的,并向网络发送分组,从网络接收分组。路由器对分组进行存储转发,最后把分组交付目的主机。

    下面这个图,是书上的经典图。对比了三种交换。


    计算机网络的概念发生根本变化

    早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网,各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。

    分组交换网则是以网络为中心,主机都处在网络的外围。用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。


    计算机网络的分类

    再来看下网络的定义:最简单的定义:计算机网络是一些互相连接的、自治的计算机的集合。

    从网络的作用范围进行分类

    广域网 WAN (Wide Area Network)
    局域网 LAN (Local Area Network)
    城域网 MAN (Metropolitan Area Network)
    个人区域网 PAN (Personal Area Network)

    从网络的使用者进行分类

    公用网 (public network)
    专用网 (private network)


    计算机网络的性能指标

    速率

    比特(bit)是计算机中数据量的单位,也是信息论中使用的信息量的单位。
    Bit 来源于 binary digit,意思是一个“二进制数字”,因此一个比特就是二进制数字中的一个 1 或 0。

    速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。速率的单位是 b/s,或kb/s, Mb/s, Gb/s 等。
    速率往往是指额定速率或标称速率。


    带宽

    “带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度,单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫等)。

    现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语,单位是“比特每秒”,或 b/s (bit/s)。

    更常用的带宽单位是:

    千比每秒,即 kb/s (103 b/s)
    兆比每秒,即 Mb/s(106 b/s)
    吉比每秒,即 Gb/s(109 b/s)
    太比每秒,即 Tb/s(1012 b/s)

    请注意:在计算机界,K = 2的10次方 = 1024,M = 2的20次方, G = 2的30次方, T = 2的40次方


    吞吐量

    吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量。

    吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量,以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
    吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。


    时延(delay 或 latency)

    ISP

    发送时延

    发送数据时,数据帧从结点进入到传输媒体所需要的时间。
    也就是从发送数据帧的第一个比特算起,到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。

    传播时延

    电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。
    信号发送速率和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念。

    处理时延

    处理时延 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。

    排队时延

    结点缓存队列中分组排队所经历的时延。

    排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量。

    对于高速网络链路,我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率
    提高链路带宽减小了数据的发送时延。

    时延带宽积

    链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。
    时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

    利用率

    信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)。完全空闲的信道的利用率是零。

    网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。
    信道利用率并非越高越好。

    D=D0/1-U,U 是网络的利用率,数值在 0 到 1 之间。


    协议与划分层次

    网络协议(network protocol),简称为协议,是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定

    #### 网络协议的组成要素
    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。


    划分层次

    主机 1 向主机 2 通过网络发送文件。两个主机将文件传送模块作为最高的一层 。剩下的工作由下面的模块负责。各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。
    ISP
    这样分层的好处有很多:比如各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。若层数太少,就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。


    计算机网络的体系结构

    计算机网络的体系结构(architecture)是计算机网络的各层及其协议的集合

    TCP/IP 是四层的体系结构: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 。 这里就不介绍七层结构了,因为已经被淘汰了。

    整个比如说有两个主机A,B,他们进行通信的过程就是:


    什么是实体、协议、服务和服务访问点

    实体:实体(entity) 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

    协议:协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合

    服务:在协议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务

    服务访问点SAP:同一系统相邻两层的实体进行交互的地方,称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。

    注意下面几个问题:

    本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。

    下面的协议对上面的服务用户是透明的。

    协议是“水平的”,即协议是控制对等实体之间通信的规则。

    服务是“垂直的”,即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。


    IP over Everything

    路由器在转发分组时最高只用到网络层而没有使用运输层和应用层。

    IP 可应用到各式各样的网络上


    总结

    总结和整理自《计算机网络第六版》,部分图片也来自该书,感谢。大概的是能够对整个体系中最重要的知识做了个概述和总结。还有一些基本的关键词和专业术语的了解,比如ISP等等。这些也是很重要的。