计算机网络概论
1.1 计算机网络的形成与发展（了解）
1.1.1 计算机网络发展阶段的划分
第一阶段：计算机网络的形成与发展
（1）时间：20世纪50年代。
（2）特点：1.数据通信技术日趋成熟，技术基础；2.分组交换概念提出，理论基础；3.ARPANET的成功运行，证明分组交换理论正确性；4.TCP/IP协议的广泛运用为更大规模的网络互连奠定了坚实的基础。
第二阶段：互联网的形成与发展
（1）时间：20世纪90年代初期。
（2）特点：1. E-mail、FTP等应用，展现处计算机网络广阔的应用前景；2. NSFNET允许商用，加快Internet形成速度；3. Web，电子商政、医疗etc.；4.全球信息高速公路，大规模用户接入。
第三阶段：移动互联网的形成与发展
（1）时间：20世纪90年代末期。
（2）特点：1. 移动IP技术与无线通信技术；2. 移动通信网与互联网业务融合；3.智能手机、平板计算机；（4）移动互联网应用成为信息产业的增长点。
第四阶段：物联网的形成与发展。
（1）时间：前后。
（2）特点：1. 物理世界与网络世界融合的需求，促进了物联网概念的
形成与研究的发展；2. 感知技术、智能技术的发展与应用为物联网发展奠定了
坚实基础；3. 物联网被列为我国优先发展的战略性新兴产业之一；4. 物联网发展为计算机网络技术提供了更大的发展空间。
总结：计算机网络的发展正在沿着如下的规律发展：
（1）互联网— 移动互联网— 物联网；
（2）“由小到大”的发展、壮大，“由表及里”的渗透到社会的各个角落；
（3）遵循“互联网+”的模式，在与各行各业的跨界融合中，
推动国民经济发展方式的转型与社会发展。
1.1.2 计算机网络的形成与发展
ARPANET研究
Advanced Research Projects Agency NETwork 是是美国国防高等研究计划署（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）开发的世界上第一个运营的数据包交换网络，是全球物联网的鼻祖。
通信网络方案的设计首先要解决的两个基本问题：
（1）网络拓扑结构； （2） 数据传输方式。
网络拓扑结构（掌握！！！！！）
（1）定义网络拓扑（Network Topology）用来描述计算机网络的结构。
（2）技术难点：
拓扑学是几何学的一个分支，它是从图论演变过来的；将实体抽象成与其大小无关的“点”，将连接实体的线路抽象成“线”；计算机网络拓扑是指计算机通信子网(!!!)的拓扑结构；设计计算机网络的第一步就是设计拓扑，以满足：计算机位置、响应时间、吞吐量等。
（3）结构分类：
分组交换技术
（1）数据传输方式
电路交换（Circuit Switching）
面向连接，通信前要通过信令来建立连接，连接建立后，双方将使用分配的同一个信道进行通信，通信完成后释放链路。
优点：抖动和延时小，适用于像话音这类实时性业务。
缺点：交换效率低。分组交换（Packet Switching）
用户信息被封装在固定长度或可变长度的数据分组中进行传输，通过数据分组中的路由信息进行选路。
优点：灵活，主要用于无连接的业务（数据业务）。
缺点：交换设备和协议非常复杂，时延和抖动都很大。
（2）三个重要概念分组：数据预分成多个固定格式分组；存储转发：中间节点先存储，再转发；路由选择：转发节点选择合适的（路由选择算法）传输路径。
数据通过通信子网传输时，有报文（Message）与报文分组（Packet）两种传输方式：
ARPNET设计思想
（1）计算机网络的基本功能是数据处理与数据通信。
（2）在逻辑功能上形成了与之相应两部分：资源子网和通信子网。
（3）通信子网把数据从一台主机传输到另一台主机，最终传送给目的主机。主要负责全网的数据传输、路由与分组转发等通信处理任务，为网络用户提供数据传输、转接、加工和变换等通信处理工作。包括通信线路、网络连接设备、网络通信协议和通信控制软件。通信子网转发节点用小型计算机实现，称为：接口报文处理器IMP（Interface Message Processor）。
（4）网络上的计算机称为主机，主机通过通信子网连接。
（5）资源子网负责全网的数据处理业务，向网络用户提供各种网络资源与网络服务。主机是资源子网主要组成单元。主要包括：主机与终端、终端控制器、联网外设、网络软件及数据资源。
TCP/IP的研究与发展
（1）目的：将不同类型的网络互联起来，使不同类型的网络主机之间可以互相通信。
（2）1977年，ARPANET提出了传输控制协议TCP（Transport Control Protocol ）与互联网控制协议IP （ Internet Protocol）。TCP/IP已经成为Internet的核心技术。
NSFNET
NSFNET与ARPANET通信子网的硬件基本相同，但是NSFNET运行之初就采用TCP/IP协议，是第一个使用TCP/IP协议的广域网。
Internet的形成与发展
（1）1964年，保罗·巴兰提出了分组交换的概念；
（2）1969年，美国国防部高级研究计划管理局ARPA（Advanced Research Projects Agency）建立ARPANET；
（3）1973年，ARPANET连接卫星网络（SATNET）和夏威夷大学分组无线业务网（ALOHAnet），TCP/IP协议被提出；
（4）1975年，ARPANET连入了100多台主机，并结束了网络试验，大部分移交给美国国防部国防通信局运行（MILNET）；
（5）1980年，ARPANET所有的主机开始转向TCP/IP协议.。
（6）1983年，ARPANET向TCP/IP的转换全部结束。并分为两个独立的部分：ARPANET和MILNET。
（7）1986年，美国国家科学基金会NSF构建了与ARPANET互联的NSFNET，后来取代ARPANET成为Internet的主干网。
（8）1990年，NSFNET被美国高级网路与服务公司（ANS）创建的主干网ANSNET取代， ANSNET成为Internet的主干网。
（9）1996年，Internet 2组织成立，它是一个由美国教育和科研团体组成的先进网络技术联盟，主要目的是开发先进的网络应用，并且研究和开发未来的网络创新技术。
1.1.3 三网融合
三网融合是指：计算机网络、电信通信网、电视传输网在技术、业务上的融合。
1.1.4 物联网的形成与发展
1.2 计算机网络定义与分类（理解）
1.2.1 计算机网络定义
（1）定义：以相互共享资源的方式互联起来的自治计算机集合。
（2）含义：
共享资源（本地或远程资源），包括硬件、软件、数据资源；计算机系统在地理位置上是分散的，具有独立的功能。
（3）特征：
主要目的是实现计算机资源共享和信息交互。联网计算机系统是相互独立的自治系统。联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议。
1.2.1 计算机网络分类
（1）广域网（Wide Area Network，WAN）
覆盖范围：几十公里至几千公里；
典型网络：Internet网络。
（2）城域网（Metropolitan Area Network，MAN）
覆盖范围：50公里至100公里城市范围内；
技术特征：高端路由器和多层交换机是宽带城域网的核心设备；
典型网络：LTE、WiMAX、有线电视网络。
（3）局域网（Local Area Network，LAN）
覆盖范围：通常不超过几公里；
技术特征：决定局域网的三个因素：网络拓扑、传输介质、介质访问控制方法；
典型网络：共享介质局域网（WiFi、IEEE 802.3 载波监听多路访问/冲突检测机
制、IEEE 802.4令牌总线、IEEE 802.5令牌环），交换式局域网（以太网）。
（4）个人区域网（Personal Area Network，PAN）
覆盖范围：自身附近10米以内；
技术特征：有线方式使用USB方式连接，无线方式主要使用IEEE 802.15系列标准；
典型网络：蓝牙（802.15.1），ZigBee（802.15.4），红外线通信技术。
（5）人体区域网（Body Area Network，BAN）
覆盖范围：节点之间距离1米以内；
技术特征：通过人体携带或者植入体内传感器，采集生理信号（温度、血糖、
血压、心跳等）。
1.3 计算机网络的组成与结构（理解）
1.3.1 早期计算机网络的组成与结构
概论
（1）计算机网络是计算机技术和通信技术高度结合的产物；
（2）最早出现的计算机网络是广域网，以资源共享为目的；
（3）从逻辑功能上看，广域网由资源子网和通信子网组成。
（4）发展过程：
远程联机系统；具有通信功能的多机系统；计算机通信网；计算机网络；计算机互联网。
发展过程
（1）远程联机系统
上世纪五十年代中期，计算机内部增加了通信处理功能，把远程输入输出设备通过通信线路与计算机主机相连接。用户在远程终：端输入信息，主机为其处理后，将处理结果送回远程用户。例如：Electronic Numerical Integrator And Computer（冯诺依曼）；
（2）具有通信功能的多机系统
多台计算机通过通信线路连接起来的系统。增加了前端处理机和集中器负责通信处理、数据压缩和代码转换等功能，大大减轻了主机的负担，提高了线路的利用率。
1. 前端处理机：类似于IMP，负责与终端的通信处理工作，主机专门用于数据处理。使数据处理与通信处理由两台机器分工进行；
2. 集中器：在终端较为集中的区域设置，通过低速线路将附近的大量终端连接到集中器上，然后再通过高速线路将集中器与主机连接起来。各终端的数据经集中器集中后，按一定格式经高速线路送到主机。
（3）计算机通信网
用通信线路将主机系统连接起来以信息传输为主要目的计算机群。整个通信网可看作若干功能不同的计算机系统集合。用户访问网络资源，首先需要了解网络中是否有所需的资源，同时还需要了解该资源放在何处，然后才能调用此资源。
特点：各计算机子系统相对独立，是一个松散耦合的系统。
（4）计算机网络
以共享资源为主要目的，共同完成某项任务。制定了一套全网共同遵循的规则（网络协议），并配备网络操作系统，由网络操作系统管理和维护网络，用户使用网络资源就像使用自己的计算机资源一样方便。
为了简化计算机网络的分析与设计，有利于网络的硬件和软件配置，按照计算机网络的系统功能，计算机网络分为资源子网和通信子网。
（5）计算机互联网
1.3.2 ISP的基本概念
（1）ISP（Internet Service Provider），因特网服务提供商。提供拨号上网服务、网上浏览、下载文件、收发电子邮件等服务，是网络最终用户进入Internet的入口和桥梁。
（2）ICP （Internet Content Provider），互联网内容提供商，现在也称为OTT（Over The Top）。是向广大用户综合提供互联网信息业务和增值业务的运营商。
1.4 分组交换技术的基本概念（掌握）
1.4.1 数据交换方式分类
计算机网络的数据交换方式基本可以分为两大类：电路交换和存储转发交换（也就是报文交换）。
1.4.2 电路交换特点
（1）定义：电路交换（Circuit Switching）与电话交换工作方式类似。分为三个阶段：电路建立、数据传输和电路释放。
（2）优点：
当电路连接过程完成后，在两台主机之间建立的物理线路连接为此次通信专用，通信实时性强；适用于交互式会话类通信。
（3）缺点：
不适用于计算机与计算机之间的突发性通信；不具备数据存储能力，不能平滑通信量；不具备差错控制能力，无法发现与纠正传输差错。
1.4.3 分组交换特点
（1）存储转发交换特点（Store and forward Switching）：
发送的数据与目的地址、源地址、控制信息一起，按照一定的格式组成一个数据单元（报文或报文分组）再发送出去；路由器可以动态选择传输路径，可以平滑通信量，提高线路利用率；数据单元在通过路由器时，需要进行差错校验，以提高数据传输的可靠性；路由器可以对不同通信速率的线路进行速率转换。
（2）报文（Message）与报文分组的比较（Packet）
报文交换（Message Switching）:
不对传输的数据块长度做任何限制，直接封装成一个包进行传输，封装后的包称为报文。报文交换缺点：副本保留时间长，出错重传花费时间多，报文处理时间长，存储空间利用率低。
分组交换（Packet Switching）：
将报文划分成有固定格式和最大长度限制的分组进行传输，有利于提高路由器检测接收分组是否出错、出错重传处理过程的效率，有利于提高路由器存储空间利用率。路由选择算法可以根据链路通信状态、网络拓扑变化，动态地为不同的分组选择不同的传输路径，有利于减小分组传输延迟，提高数据传输的可靠性。
1.4.4 数据报文方式与虚电路方式
分组交换技术可以分为数据报（Data Gram，DG）和虚电路（Virtual Circuit，VC）。
（1）数据报方式
在数据报方式中，分组传输前不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”。源主机发送的每个分组都可以独立选择一条传输路径，每个分组在通信子网中可能通过不同的传输路径到达目的主机。
特点：同一报文的不同分组，可以经过不同的传输路径通过通信子网，在到达目的主机时，可能出现乱序、重复与丢失现象。每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址。数据报方式传输的延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。
（2）虚电路方式
虚电路方式将数据报与电路交换相结合，发挥各自优点。在发送分组前，收发双发建立一条**“逻辑连接”的虚电路**。分为三个阶段：虚电路建立、数据传输、虚电路释放。
特点：在每次分组传输之前，需要在源主机与目的主机之间建立一条虚电路。所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不必携带目的地址、源地址。分组到达目的主机时不会出现丢失、重复与乱序的现象。分组通过虚电路上的每个路由器时，路由器只进行差错检测，不进行路由选择。路由器可以与多个主机之间的通信建立多条虚电路。数据固定长度或可变长度，所有数据的路由固定、相同。优点：灵活，传输时延小。缺点：交换设备和协议非常复杂，链路建立时延大。
1.4.5 分组交互网中的延时
（1）定义：分组交换延时指一个分组从源主机发出经过分组交换网（或链路）的传输，到达目的主机所需的时间，也称网络延时。总延时：dtotal = dproc+ dqueue+ dtrans+ dprop。
（2）处理延时dproc（Processing Delay）
拆分分组头部与数据，以及检查校验和，确定分组是否出错，地址校验：源地址、目的地址，路由选择。延时取决于路由器运算能力和通信协议复杂度。
（3）排队延时dqueue（Queuing Delay）
分组进入输出队列等待发送，到开始发送的时间，延时取决于队列长度和端口发送速度。
（4）发送延时dtrans（Transmission Delay）
发送端口将一个分组的第一个比特发送到传输介质开始，到将该分组的最后一个比特发送到传输介质所需时间。路由器的端口发送速率是一定的，如果端口发送速率是S（bit/s，即bps），分组长度为N（bit），那么有：dtrans=N/S。
（5）传播延时dprop（Propagation Delay）
分组的第一个比特从发送端口通过传输介质，到达目的结点的接收端口所用时间。取决于介质长度和信号在该介质中传播速度，与分组长度和端口发送速率无关。
1.4.6 面向连接服务与无连接服务
（1）通信服务类型
面向连接服务，如电路交换。无连接服务，如分组交换。在网络数据传输的各层都会涉及通信服务类型选择问题。每层的通信协议，决定了通信服务类型。通信服务类型不同，通信的可靠性与协议的复杂性也不相同。
（2）面向连接服务
和电话系统的工作模式相似。主要特点如下：数据传输过程必须经过连接建立、连接维护与释放连接三个阶段。在数据传输过程中各个分组不需要携带目的地址。传输的分组顺序不变，因此传输的可靠性好，但是协议复杂，通信效率不髙。
（3）无连接服务
和邮政系统服务的信件投递过程相似。主要特点如下：每个分组都需要携带源地址与目的地址，各个分组的择发过程是独立的。不需要连接建立、连接维护与释放连接三个阶段。目的主机接收的分组可能出现乱序、重复与丢失现象。可靠性不好，但是由于省去了很多协议处理过程，因此它的通信协议相对简单，通信效率比较高。
（4）确认和重传机制
确认：目的主机在接收到分组后，向源主机发送正确接收到分组的确认信息ACK（Acknowledgment）。错误确认：目的主机在接收到分组后，发现有错误，向源主机发送错误确认信息NAK（Negative Acknowledgment）。如果发送主机在规定时间内没有接收到确认信息，就会认为该分组发送失败，这时源主机会重传该分组。确认和重传机制可以提髙数据传输的可靠性，但是需要制定较为复杂的确认和重传协议，并且要增加网络通信负荷与占用网络带宽。
（5）服务类型与服务质量
通信协议的效率和可靠性互相矛盾。需要根据不同的通信要求选择不同的服务类型。
1.5 网络体系结构与网络协议（掌握）
1.5.1 网络体系结构的基本概念
计算机网络中，为使计算机之间能够正确而有效地传送和接收数据，必须有一套关于数据传输顺序、传输格式以及其控制方法的通信规约，这些为网络进行数据交换而建立的通信规约称为计算机网络协议。
（1）计算机网络协议由语义、语法、时许三个要素组成；
（2）分层
计算机网络系统所提供的网络服务是十分复杂的。为了使这些功能设计简化，可将它们划分为一系列按某种方式组合的较为简单的功能来逐步完成，也就是分层。每一层完成一定的功能，这些功能代表整个通信处理过程的一个组成部分，每一层都是建立在它的下一层基础之上。
（3）接口
计算机网络中不同功能层之间的通信规约称为接口。或者说，接口是数据流穿越功能层界面的约定。
计算机网络协议分为两大类：同等层间的通信协议和不同层之间的通信协议。
（4）网络体系结构
网络体系结构是网络层次结构模型与各层协议的集合；网络体系结构对计算机网络应该实现功能进行精确定义；网络体系结构是抽象的，而实现网络协议的技术是具体的。
（5）层次型网络体系结构的优点
各层之间相互独立。灵活性好。易于实现和标准化。
1.5.2 OSI参考模型
（1）OSI参考模型研究背景
1983年国际标准化组织ISO (International Organization for Standardization）提出开放系统互连参考模型，即著名的ISO7498国际标准，记为OSI/RM （Open System Interconnection Reference Model）。
在计算机网络领域有影响的标准化组织主要有以下4个：
① 国际电信联盟ITU
② 国际标准化组织ISO
③ 电子工业协会EIA
④ 电气电子工程师协会IEEE
（2）OSI参考模型基本概念
OSI参考模型定义了具有不同硬件体系结构或不同操作系统的计算机计算机联网的标准框架，为分散的开放系统互联提供了基础。
定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系，以及各层所包括的可能的服务。
详细说明了各层所提供的服务，但是并不涉及接口的具体实现方法。
例如：手机上网可以在4G、5G、WiFi中自由选择。
1.5.3 TCP/IP参考模型
（1）TCP/IP协议与参考模型
IP协议共出现过6个版本。目前使用的是版本4，即IPv4。
TCP/IP是Internet中重要的通信规则。它规定了计算机通信所使用的协议数据单元、格式、报头与相应的动作。TCP/IP协议体系具有以下主要特点：
① 开放的协议标准。
② 独立于特定的计算机硬件与操作系统。
③ 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互联网络。
④ 统一的网络地址分配方案，所有网络设备在Internet中都有唯一的IP地址。
⑤ 标准化的应用层协议，可以提供多种拥有大量用户的网络服务。
