Computer Networks Overview

因特网概述

基本概念

• NetWork,由若干结点(Node)和链路(Link)组成
• internet ,多个 Network可以通过路由器(Router)互联起来,形成一个覆盖范围更大的网络，internet 可以理解为网络的网络(Network of Networks)
• Internet 将世界上最大的互联网络称作 Internet

Internet 发展的三个阶段

ISP —— Internet Service Provider

Internet上的主机通过ISP接入Internet,之后才能互相通信;

ISP可以从因特网管理机构申请到成块的 IP 地址,同时拥有通信线路以及路由器等联网设备。机构/个人缴纳一定的费用,就可以从 ISP租用IP 地址,并通过 ISP接入Internet

中国的主流ISP有:中国电信、中国移动、中国联通等

第一层 ISP（Tier 1 ISP）：这些是全球互联网的主干网络运营商，它们拥有遍布全球的网络基础设施。这些公司的网络通常覆盖了全球的主要地区和城市，包括北美、欧洲、亚洲、澳大利亚等。第一层 ISP 之间通过免费的互联网络（Peering）协议进行数据交换，不需要向其他 ISP 支付费用。
以下是一些知名的第一层 ISP 及其总部所在地：

• AT&T：总部位于美国德克萨斯州达拉斯。
• Verizon：总部位于美国纽约州纽约。
• Level 3 Communications：总部位于美国科罗拉多州布隆菲尔德，现已被 CenturyLink（现为 Lumen Technologies）收购。
• NTT Communications：总部位于日本东京。
• Telia Company：总部位于瑞典斯德哥尔摩。

---

第二层 ISP（Tier 2 ISP）：这些 ISP 拥有自己的网络基础设施，但是不足以覆盖全球，所以它们需要购买第一层 ISP 的服务，以便将数据传输到全球的其他地方。第二层 ISP 通常会向本地或区域的客户提供服务。

---

第三层 ISP（Tier 3 ISP）：这些 ISP 通常没有自己的网络基础设施，而是购买第二层 ISP 的服务，然后将其转售给最终用户。第三层 ISP 通常会提供一些增值服务，如电子邮件、网页托管和虚拟专用网络（VPN）。

Internet 的标准化工作

• 因特网的标准化工作对因特网的发展起到了非常重要的作用。
• 因特网在指定其标准上的一个很大的特点是面向公众。
  • 因特网所有的 RFC(Request For Comments)技术文档都可从因特网上免费下载。任何人都可以随时用电子邮件发表对某个文档的意见或建议。
• 因特网协会 ISOC 是一个国际性组织，它负责对因特网进行全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用。
  • 因特网体系结构委员会 IAB，负责管理因特网有关协议的开发；
  • 因特网工程部 IETF，负责研究中短期工程问题，主要针对协议的开发和标准化；
  • 因特网研究部 IRTF，从事理论方面的研究和开发一些需要长期考虑的问题。
• 制定因特网的正式标准需要四个阶段:
  • 因特网草案
  • 建议标准(该阶段的标准会开始写入 RFC 文档)
  • 草案标准
  • 因特网标准
    

Internet 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,用于通信和资源共享.
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).

路由器是一种专用计算机，是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心最重要的部分。
处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机。这些主机又称为端系统(end system)

三种交换方式

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。

电路交换 Circuit Switching

传统的电话两两相连,但当用户很多时,这种方式就不可行了,因此引入中间设备(电话交换机),使用电话交换机接通电话线的方式称为电路交换。

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

电路交换的三个步骤是:建立连接(分配通信资源),传输数据(一直占用通信资源),释放连接
(归还通信资源)

而当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的。所以计算机通常采用的是分组交换，而不是线路交换

分组交换 Packet Switching

• 报文: 信息交换的基本单位,在网络中传输的信息单位
• 分组: 为了传输方便,将报文划分为固定长度的数据块(分组,packet),在每一个数据段前面,加上一些由必要的控制信息组成的首部(报头),称为分组。

• 发送方:构造分组,发送分组
• 路由器:缓存分组,转发分组(分组转发)
• 接收方:接受分组,还原报文

在路由器的输入和输出端口之间没有直接连线,路由器处理分组的过程是:把收到的分组先放入缓存,查找转发表,找出某个目的地址的最佳输出端口,然后从缓存中取出该分组,通过输出端口转发出去.
在分组交换中，每个packet独立地通过网络进行传输。这意味着分组可以通过不同的路径到达目的地，并且可能会在不同的时间到达。在接收端，这些分组会被重新组装成原始的报文。

报文交换 Message Switching

在报文交换中，整个报文作为一个单元进行发送，并且在整个传输过程中保持其完整性。报文在发送前需要完全准备好，并且在传输过程中不会被分割。这种方式的优点是简单，但缺点是如果报文很大，那么它可能会占用网络资源一段很长的时间，导致网络拥塞。报文交换主要用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。

三种交换方式对比

电路交换

• 通信之前首先要建立连接；连接建立好之后，就可以使用已建立好的连接进行数据传送；数据传送后，需释放连接，以归还之前建立连接所占用的通信线路资源。
• 一旦建立连接，中间的各结点交换机就是直通形式的，比特流可以直达终点；

报文交换

• 可以随时发送报文，而不需要事先建立连接；整个报文先传送到相邻结点交换机，全部存储下来后进行查表转发，转发到下一个结点交换机。
• 整个报文需要在各结点交换机上进行存储转发，由于不限制报文大小，因此需要各结点交换机都具有较大的缓存空间。

分组交换

• 可以随时发送分组，而不需要事先建立连接。构成原始报文的一个个分组，依次在各结点交换机上存储转发。各结点交换机在发送分组的同时，还缓存接收到的分组。
• 构成原始报文的一个个分组，在各结点交换机上进行存储转发，相比报文交换，减少了转发时延，还可以避免过长的报文长时间占用链路，同时也有利于进行差错控制。

计算机网络的定义和分类

计算机网络的定义

计算机网络的最简单的定义是：一些互相连接的、自治的计算机的集合

• 互联 计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信
• 自治 指计算机有独立性,有自己的软硬件,可以单独允许使用
• 集合 至少两台计算机组成

计算机网络的分类

• 按交换技术分类: 电路交换网络 报文交换网络 分组交换网络
• 按使用者分类: 公用网 专用网
• 按传输介质分类: 有线网络 无线网络
• 按覆盖范围分类: Wide/Metropolitan/Local/Personal Area Network
• 按拓扑结构分类 总线型 环型 星型 网状型

计算机网络的性能指标

Bandwidth & Throughput

Delay

时延时指数据的一端传送到另一端所需的时间。
网络时延由以下几部分组成

RTT & Packet Loss Rate

计算机网络体系结构

常见的计算机网络体系结构

计算机网络是一个复杂的系统,早在 ARPANET 时代,就已经意识到了网络的复杂性,因此提出了分层的思想。分层将复杂问题分解为若干较小的局部问题,使得网络的设计和管理变得更加容易。

OSI (Open System Interconnection) 七层模型是国际标准化组织 (ISO) 制定的一个通信系统的框架, 它将通信系统划分为七层, 每一层都有自己的功能, 并且每一层的功能都是相对独立的, 只与相邻的两层进行通信。但由于 OSI 模型过于复杂, 实际应用中并不常用, 而是使用 TCP/IP 四层模型

TCP/IP 体系结构相当于将 OSI 体系结构的物理层和数据链路层合并为了网络接口层，并去掉了会话层和表示层。

在用户主机的操作系统中，通常都带有符合 TCP/IP 体系结构标准的 TCP/IP 协议族。而用于网络互连的路由器中，也带有符合 TCP/IP 体系结构标准的 TCP/IP 协议族。只不过路由器一般只包含数据链路层和网络层。

Ch6-1ApplicationLayer
Ch5-1TransportLayer

Reference

JavaGuide-Network-OSI and TCP/IP
bilibili-计网体系结构分层思想举例