计算机网络 --- 计算机网络和因特网_计算机网络与因特网

一.什么是因特网

1.计算机网络的定义

将分布在不同地理位置上的具有独立工作能力的计算机、终端及其附属设备用通信设备和通信线路连接起来，并配置网络软件（协议），以实现计算机资源共享（数据、软件、硬件）。

2.观点一：具体构成

（1）数以亿万计的互联的计算设备

a.所有计算设备都称为主机或端系统。

（2）通信链路

a.端系统通过通信链路和分组交换机连接到一起。
b.光纤、铜缆、无线电、卫星；
c.不同的链路以不同的速率传输数据，传输速率=带宽。

（3）路由器（转发设备）

转发分组。

（4）协议

a.协议控制报文发送、接收。
b.如：TCP、IP、HTTP、FTP、PPP。

（5）因特网服务提供商（ISP）

a.每个ISP是一个由多个分组交换机和多段通信链路组成的网络。

（5）因特网：“网络的网络”

a.松散的等级结构；
b.公共因特网比较专用互联网。

（6）因特网标准

a.RFC：请求评论（因特网标准）；
b.IETF：因特网工程任务组。
c.因特网标准由IETF研发

3.观点二：服务描述

因特网是为应用程序提供服务的基础设施。

a.分布式应用程序；
b.通信、计算、数据共享的服务。

4.什么是协议

（1）网络协议

a.及其而不是人类；
b.因特网中的所有活动均有协议支配。

（2）一个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，以及在报文传输和接收或其他事件方面所采取的动作。

二.互联网的构成

1.网络边缘

（1）端系统
位于互联网边缘与互联网相连的计算机和其他设备。
（2）端系统由各类主机（host）构成
桌面计算机、移动计算机、服务器、其他智能终端设备。

2.网络核心

由互联端系统的分组交换设备和通信链路构成的网状网络。

a.分组交换设备：路由器、链路层交换机；
b.通信链路：光纤、铜缆、无线电、激光链路。

3.个域网PAN（Personal Area Network）

（1）能在便携式消费电器与通信设备之间进行短距离通信的网络。
（2）覆盖范围一般在10m半径以内，如蓝牙耳机。

4.局域网LAN（Local Area Network）

（1）局部地区形成的区域网络，如企业网络；
（2）分布地区范围有限，可大可小；
（3）电脑WLAN接入，打印机共享等。

5.城域网MAN（Metropolitan Area Network）

范围覆盖一个城市的网络。

6.广域网（Wide Area Network）

覆盖很大地理区域，乃至覆盖地区和国家。

7.Tier-1 ISP

（1）全球最高级别ISP，互不结算。
（2）如：中国电信、中国联通、美国AT&T等。

8.Tier-2 ISP

（1）教育网、中国移动。
（2）往往需要向更高级别ISP交流量费。

三.网络边缘

1.主机（Host）

（1）客户端
便携机、智能手机、平板电脑、智能手环等各类智能终端。
（2）服务器
通常位于数据中心。

2.主机的功能

（1）容纳（即运行）应用程序；
（2）产生信息并向接入网发送数据；
（3）从网络接收数据并提供给应用程序。

3.接入网

（1）接入网目标
①接入网的是将端系统连接到其边缘路由器上的物理链路；
②边缘路由器是端系统去往任何其他远程端系统的路径上的第一台路由器。

（2）如何将端系统连接到边缘路由器
①有线网络接入技术：光纤到户FTTH、以太网、同轴电缆、双绞线的DSL、拨号上网；
②无线网络接入技术：WIFI、4G/5G、卫星广域覆盖；
③接入场景：住宅（家庭）接入网、机构（学校、公司）接入网、移动接入网络（WIFI、4G/5G）

各种异构网络通过边缘路由器接入。

（3）光纤到户FTTH
①光纤到户FTTH

a.FTTH：Fiber To The Home
b.我国及全球先进地区普遍采用的光纤通信的传输方法；
c.分为两类：有源（主动）光纤网络AON和无源（被动）光纤网络PON；
d.优点：带宽大，线路稳定；
e.从本地中心局直接到家庭提供了一条光纤路径。

②无源（被动）光纤网络PON

a.PON：Passive Optical Network；
b.OLT：局端的光线路终端，提供光信号和电信号之间的转换；
c.ONU光网络单元（如光猫ONT）；
d.光猫ONT通过一个或多个无源分光器，连接到局端的光线路终端OLT。

e.整体流程：
* 每个家庭具有一个光纤网络端接器（ONT），它由专门的光纤连接到邻近的分配器；
* 该分配器把一些家庭（通常少于100个）集结到一根共享的光纤；
* 该光纤再连接到本地电话和公司的中心局中的光纤线路端接器（OLT）；
* 该OLT提供了光信号和电信号之间的转换，经过本地电话公司路由器与因特网相连；
* 在家庭中，用户将一台家庭路由器与ONT相连，并经过这台家庭路由器接入因特网。

（4）数字用户线DSL
①DSL：Digital Subscriber Line；
②使用电话线连接到数字用户线接入复用器（DSLAM）；

a.DSL电话线上，语音和数据可以同时传输；
b.数据进入互联网，语音连接到电话网。

③上下行速率不对称

24-52Mbps下行速率，3.5-16Mbps上行速率。

④DSL调至解调器
将数字数据转换为高频音，以通过电话线传输给本地中心局。

⑤DSLAM
来自许多家庭的模拟信号在DSLAM处被转换回数字形式。

（5）同轴电缆
①同轴电缆：Cable

a.家庭利用传统有线电视信号线（同轴电缆）接入头端上网；
b.多个家庭共享有线电视的头端；
c.不对称：高达40Mbps-1.2Gbps下行传输速率，30-100Mbps上行传输速率。

②混合光纤同轴电缆HFC

先用同轴电缆接入光纤节点，再用光纤连接到头端。

（6）无线接入
①无线接入网通过基站（“接入点”）将终端系统连接到路由器上。
②无线局域网WLAN

a.通常在建筑物内或周围（几十米）；
b.802.11b/g/n（WIFI）：11,、54、450Mbps等传输速率。

③广域蜂窝接入网

a.由移动蜂窝网络运营商提供（10公里）；
b.2G/3G/4G/5G等蜂窝网络；
c.0.1-1000Mbps速率。

（7）企业和家庭网络
①实际的接入网

a.往往采用有线、无线等多种技术的混合；
b.甚至WIFI和4G等多种无线技术的混合接入。

②有线以太网接入
③无线WIFI接入

4.物理媒体

（1）传输单元：位（bit）

a.在发射机/接收机之间的物理介质上传播的数据的最小单元。
b.用比特表示（bit）。
c.存储常用字节byte：K/M/G层级为2¹⁰进制；
d.传输常用比特bit：K/M/G层级为10³进制。

（2）物理媒体

a.是指发射机和接收机之间的具体链路介质；
b.引导型介质：信号在固体介质中传播。如铜、光纤、同轴电缆。
c.非引导型介质：信号自由传播。如无线电（陆地无线电、卫星无线电信道）。

四.网络核心

1.网络核心

（1）目标：将海量的端系统互联起来。
（2）由各类交换机（路由器）和链路，构成的网状网络。

2.两大功能

（1）路由
①全局操作：确定数据分组从源到目标所使用的路径；
②需要路由协议和路由算法，产生路由表。

（2）转发
①本地操作：路由器或交换机将接受到的数据分组转发出去（即移动到该设备的某个输出接口）。
②确定转发出去的接口/链路：根据从“入接口”收到分组头中的目的地址，查找本地路由表，确定“出接口”。

3.分组交换（包交换）

（1）主机将数据分成分组，发送到网络；
（2）网络将数据分组从一个路由器转发到下一个路由器，通过从源到目标的路径上的链路，逐跳传输抵达目的地。
（3）存储转发技术

a.数据分组传输延迟：
需要L/R秒才能将L位数据包以R bps的速率传输（推出）到链路中。
b.存储和转发：
路由器需要接收到完整的整个数据分组以后，才能开始下一跳发送。

（4）分组交换（packet switching）
①通信双方以分组为单位，使用存储转发机制，实现数据交互的通信方式。
（2）以分组作为数据传输单元。
（3）每个分组的首部都含有地址（目的地址和源地址）等控制信息。
（4）每个分组在互联网中独立地选择传输路径。
（5）支持灵活的统计多路复用。

统计多路复用：主机A和B的报文分组按需共享带宽。

4.电路交换（circuit switching）

（1）主要特点
①电路交换通常采用面向连接方式。
②先呼叫建立连接，实现端到端的资源预留。
③预留的资源包括：链路带宽资源、交换机的交换能力。
④电路交换连接建立后，物理通路被通信双方独占，资源专用，即使空闲也不与其他连接共享。
⑤由于建立连接并预留资源，因此传输性能好；但如果传输中发生设备故障，则传输被中断。
（2）电路交换的多路复用
①频分多路复用FDM；
②时分多路复用TDM；
③在每一路上实现具有和专用链路类似的性能；
④该路资源专用，即使空闲也不与其他连接共享。

5.报文交换

与分组交换类似，采用存储转发方式，但不将应用的大报文拆分成多个分组。

6.三种交换方式的比较

（1）电路交换：
需要建立连接并预留资源，难以实现灵活复用。
（2）报文交换和分组交换：
较灵活，抗毁性高，在传送突发数据时可提高网络利用率。
（3）由于分组长度小于报文长度，分组交换比报文交换的时延小，也有更好的灵活性。
（4）分组交换适合有大量突发数据传输需求的互联网。
（5）分组交换允许更多的用户使用网络。

7.分组交换与电路交换对比

（1）是否建立连接：
分组交换不需要建立连接，更简单；
电路交换需要建立连接、通信、释放连接。
（2）效率：
分组交换采用统计时分复用共享带宽资源（高）；
电路交换通信期间独占资源（低）。
（3）灵活：
分组交换采用存储转发，可动态选择路径；
电路交换采用电路连接，路径保持不变。
（4）时延性能：
分组交换由于存在竞争和拥塞，时延性能不能保证；
电路交换时延可以保证。
（5）其他