一、计算机网络及其参考模型

互联网计算

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10% 大作业 + 40% 上机 + 50% 期末

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219.219.113.233
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一、计算机网络概述

1. What is a network?

• 物体,事物,设备,人的连接
• LAN(Local Area Networks) 局域网
• WAN(Wide Area Networks) 广域网

2. 数据网络分类：LAN/WAN

1. LANs 局域网 广播方式通信
   1. Operate locally
   2. Multi-user access 连接可以被共享
   3. High speeds expected 最高达到800G (距离短)
   4. Error rate is easily controlled 因为范围小好判断出错
2. WANs 广域网
   • 先于 LAN 网络产生
   1. Operate over larger areas 现在主要使用光纤
   2. Access over serial links, optical links, etc. 点对点的连接
   3. Traditionally, have lower speeds
   4. Error rate can not be easily controlled
3. 网络抽象模型
   • node：节点
   • link：链路

2.1 局域网和广域网差别

1. 局域网
   • 作用范围比较窄
   • 多用户同时复用链路介质
   • 网络性能比较高（一般是一个公司来管理处理，可以达到 GPS 甚至是 10GPS）
   • 出错率相对比较容易控制（低）
2. 广域网
   • 在比较大的地理范围上进行连接
   • 要么串行连接（serial links），要么光链路连接（optical links）
   • 传统上，传输速率比较低，因为一般是多公司管理，标准和介质等都不同
   • 出错率相对比较高

2.2 LAN Devices 局域网设备

1. Hub 集线器：工作在第一层
   • 多端口中继器（Reapter），连接 PC
   • 重复信号
2. Bridge 网桥：工作在第二层
   • 将局域网分段
   • 进行 MAC 地址的计算
3. Switch 交换机，多端口网桥：工作在第二层
   • 多端口网桥
   • 全带宽（满带宽）
   • 大规模集成电路实现：相对于网桥的优点
4. Router 路由器 ：工作在第三层
   • 路径选择
   • 分组交换
     

2.3 WAN Devices 广域网设备

1. Router 路由器
   • 路径选择
   • 分组交换
2. Modem: 调制解调器
3. CSU/DSU: 通道服务单元/数据服务单元
4. TA/NT1: 终端适配器/网络终端1

• 234都是将模拟信号转换为数字信号, 还可以进行远程局域网连接

2.4 LAN Services and WAN Services

1. LAN Service: Ethernet (以太网) 最流行的局域网服务
2. WAN Service: 有很多,不是本节课重点

3. Internet 互联网

1. 简介

• 互联网, 全球性的计算机网络系统, 将世界各地的局域网（LAN）,广域网（WAN）和其他类型的网络连接在一起
• 全球最大的开放性广域网
• TCP/IP 作为参考标准
• 从 ARPNET 发展出来

3.1 Internet with Multi-layer ISP structure（多层 ISP 结构的 Internet

1. Internet Service Providers（ISP）：互联网服务提供商
   • user——ISP——Internet
2. 具有多层 ISP 结构的 Internet
   • 主机A → 本地 ISP → 第二层 ISP → NAP → 第一层 ISP → NAP → 第二层 ISP → 本地 ISP → 主机B
     

• 第一层 ISP 是核心层，主要负责远距离连通。
• 这种多层 ISP 结构可以将大量的流量本地化
• NAP（Network Access Point）：第一二层之间的接入点，也可以是 google（大公司）直接和第一层 ISP 进行链接
• ICP（Internet Content Provider）：互联网内容提供商，不提供接入服务
• 在低层次的 ISP 可以解决的问题就不进入上一层进行解决，将大量的流量分流。

二、计算机网络基本概念

1. Data数据

• Data is sent in bits, 1s and 0s.
  • 数据按位（1 和 0）为单位发送
• Data is not the information itself.
  • 数据不是信息本身，不同方式解析数据会是不同信息
    • 数据都是 0-1 序列，需要按照一定编码格式翻译转码才成为信息
• Data is an encoded form of information which is a series of electrical impulses/optical signals into which information is transmitted for sending.
  • 数据是信息的一种编码形式，它是一系列电脉冲/光信号，信息被传输到其中进行发送

1.1 Data Packets数据包

1. 为了传输，计算机数据通常被分解成小的、易于传输的单元
   • 使用 OSI 模型
   • 这些单元可以称为：包packets、帧frames、段segments
   • 具体取决于OSI模型的不同层次
     • 网络层称为 packets 报文，数据链路层称为 frames 帧，数据段层称为 segments 段
2. why data packets? 为什么使用数据包？
   • Computers can take turns sending packets
     • 计算机可以轮流发送数据包，分时段处理不同报文，使得多进程处理事务。
   • If packet is lost, only small amount of data must be retransmitted重新传输.
     • 如果数据包丢失，则只需重新传输少量数据
   • Data can take different paths.
     • 数据可以采用不同的路径

1.2 Protocol协议

1. It is possible for different types of computer systems to communicate
   • 不同类型的计算机系统可以进行通信
2. All devices must speak the same “language” or use the same protocol (use same set of rules).
   • 所有设备必须使用相同的“语言”或使用相同的协议（使用同一套规则）。

1.3 Source and Destination源地址和目标地址

• 源地址 Source address specifies the identity of the computer sending the packet.
  • 发送数据包的计算机的身份
• 目标地址 Destination address specifies the identity of the computer designated to receive the packet.
  • 接收数据包的计算机的身份

1.4 传输介质 Media Types

1. Media—material through which data packets travel
   • 介质是数据包传输所通过的介质。
2. 带宽 Bandwidth：
   • is the measure of how much information can flow from one place to another in a given amount of time.带宽是指在单位时间内可以传输的最大数据量
   • Measured in: bits/second (bps)通常以比特每秒（bps）为单位。
     • 单位：bps，计算时注意要将字转换为位
   • 作用: 带宽决定了网络的最大传输能力。带宽越高，网络能够传输的数据量就越大。
   • 类比: 可以将带宽类比为高速公路的车道数，车道越多，能够同时通过的车辆就越多。
3. 通量 Throughput：
   • Actual measured bandwidth at a specific time 单位时间内实际传输的数据量，也以*比特每秒（bps）*为单位。
   • Throughput <= Bandwidth
   • 作用: 通量反映了网络的实际性能，通常会受到网络拥塞、延迟、丢包等因素的影响。
   • 类比: 通量可以类比为高速公路上实际通过的车辆数，即使高速公路有很多车道，但如果有交通堵塞，实际通过的车辆数也会减少。

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三、OSI 参考模型

1. OSI (Open System Interconnection) Model开放系统互连参考模型

• 由国际标准化组织 （ISO） 提议
• 是一个分层的网络架构模型，用于标准化网络通信的功能
• 帮助网络构建者实现可以通信和协同工作的网络模型
• 描述信息或数据如何通过网络从一台计算机移动到另一台计算机
• 分层通信过程：每一层执行一项特定任务

2. The OSI Reference Model层次模型

+——————-+
| 应用层 (Layer 7)
| Application
+——————-+
| 表示层 (Layer 6)
| Presentation
+——————-+
| 会话层 (Layer 5)
| Session
+——————-+
| 传输层 (Layer 4)
| Transport
+——————-+
| 网络层 (Layer 3)
| Network
+——————-+
| 数据链路层 (Layer 2)
| Data Link
+——————-+
| 物理层 (Layer 1)
| Physical
+——————-+

3. OSI模型的七层结构

• 1. 物理层 (Physical Layer)
  • Keywords: Signal and Media 信号和介质
  • Binary transmission 二进制传输
  • 功能: 负责传输原始的比特流。
• 2. 数据链路层 (Data Link Layer)
  • Keywords: frame, media access control 帧和介质访问控制
  • Access to media 介质访问
  • 功能: 负责节点之间的可靠传输。负责帧的创建、传输和错误检测。
• 3. 网络层 (Network Layer)
  • Keywords: Path selection路径选择, Routing路由, Addressing寻址
  • Addresses and best path 路径选择，最优路径
  • 功能: 在进行路由的两个终端系统之间提供连接和路径选择
• 4. 传输层 (Transport Layer)
  • Keywords: Reliability可靠性, Flow control流量控制, Error correction纠错
  • End-to-end connections 终端到终端通信
  • 功能: 负责终端节点之间的可靠网络通信，负责数据传输的流量控制，并为虚拟电路的建立、维护和终止、传输故障检测和恢复提供机制
• 5. 会话层 (Session Layer)
  • Keywords: Dialog and Conversations 对话和交流
  • Inter-host connection 进程之间通信如何用户交流
  • 功能: 管理和控制（建立、维护和终止）应用程序之间的会话；manages data exchange between presentation layer entities管理表示层实体之间的数据交换。
• 6. 表示层 (Presentation Layer)
  • Keywords:Common Format 标准
  • Data presentation and encryption 展示
  • 功能: 负责数据的格式化、加密和解密，确保数据的语法和语义正确。
• 7. 应用层 (Application Layer)
  • Keyword: Browser 浏览
  • User interface 给用户展示交互接口
  • 功能: 提供网络服务和应用程序接口，直接为用户和应用程序提供服务。

4. 分组

• （1）application layers应用层
  • Application应用
  • Presentation展示
  • Session会话
  • deal with the user interface, data formatting, and the application access
    • 处理了用户接口，数据格式和应用权限
• （2）data flow layers数据流层
  • Transport传输
    Network网络
    Data Link数据链路
    Physical物理
  • control the physical delivery of messages over the network.
    • 控制着通过网络传输的数据信息

5. Data Encapsulation数据封装

• 定义：
  数据封装是指在网络通信中，数据在传输过程中通过各层协议逐层添加协议头（header）和协议尾（trailer）的过程。每一层协议都在数据包的前面或后面添加特定的信息，以便在接收端能够正确地解析和处理数据。

• 基本步骤：

  7. 应用层（Application Layer）：
     数据生成并准备传输。
  8. 表示层（Presentation Layer）：
     数据格式化和加密。
  9. 会话层（Session Layer）：
     管理会话和数据交换。
  10. 传输层（Transport Layer）：
      添加传输层头部（如TCP/UDP头），用于数据分段和重组。
  11. 网络层（Network Layer）：
      添加网络层头部（如IP头），用于路由和寻址。
  12. 数据链路层（Data Link Layer）：
      添加数据链路层头部和尾部（如MAC地址和帧校验序列），用于帧的传输和错误检测。
  13. 物理层（Physical Layer）：
      将数据转换为电信号或光信号，通过物理介质传输。

• 数据封装过程

  • 5->4：添加首部 H5，应用程序数据作为数据部分
  • 4->3：添加首部 H4，第五层的作为数据部分
  • 3->2：添加首部 H3，第四层的作为数据部分
  • 2->1：添加首部 H2 和尾部 T2（校验位），第三层的作为数据部分
  • 1：转成比特流进行发送

• 在接收端，数据封装的过程将逆向进行，即逐层剥离协议头和协议尾，直到还原出原始数据。

6. Peer-to-Peer Communications 点对点通信

四、TCP/IP Model

1. 组成

• 含有四层
  • 应用层Application
  • 传输层Transport
  • 网络层Internet
  • 网络访问层Network Access

2.功能

• （1）Application Layer 应用层
  • 处理高级协议、表示、编码和会话控制问题
    • 包含[OSI]中上三层（应用层、表示层、会话层）的全部功能
  • Handles high-level protocols, issues of representation, encoding, and session control
  • TCP/IP将所有与应用程序相关的问题合并到一个层中，并确保这些数据被正确打包到下一层。
• （2）Transport Layer 传输层
  • 处理服务质量问题，如可靠性、流量控制和错误校正
    • 对应[OSI]中第4层：传输层
  • Deals with the quality-of-service issues of reliability, flow control, and error correction.
• （3）Internet Layer 网络层
  • 最优路径的选择（报文从一方发送给另一方，报文传输经过路由器进行路径选择）
    • 对应[OSI]中第3层：网络层
  • Best path determination and packet switching
• （4）Network Access 网络接入层
  • 也称为host-to-network layer 主机到网络层。
    • 包含[OSI]中下两层：物理层和数据链路层
  • 它关注 IP 分组实际建立物理链路，然后建立另一个物理链路所需的所有问题。
  • 它包括 LAN 和 WAN 技术的细节，以及 OSI 物理和数据链路层中的所有细节。

3.名词解释——常见的TCP/IP协议

• FTP
  • File Transfer Protocol 文件传输协议
• HTTP
  • Hypertext Transfer Protocol 超文本传输协议
  • 主要用于浏览器
• SMTP
  • Simple Mail Transfer protocol 简单邮件传输协议
• DNS
  • Domain Name System 域名解析系统
  • 将域名解析成IP地址
• TFTP
  • Trivial File Transfer Protocol 简单文件传输协议
  • 基于UDP，在局域网发送较小文件

4. TCP/IP 和 OSI 的相似点

• both have layers, networking professionals need to know both
  • 层次
• both have application layers, though they include very different services
  • 应用层（虽然服务不同）
• both have comparable transport and network layers
  • 相同的传输层和网络层
• packet-switched (not circuit-switched) technology is assumed
  • 假设采用分组交换（非电路交换）技术
• OSI 是基于报文交换来进行实现的，TCP/IP 也是基于报文交换来完成实现的。

5.TCP/IP 和 OSI 的不同点

1. TCP/IP 看起来更简单，因为它有更少的层
2. TCP/IP 协议是因特网发展的标准，因此 TCP/IP 模型正是因为它的协议才获得了可信性。
3. 通常网络不是建立在 OSI 协议之上的，即使 OSI 模型被用作指南。
4. TCP/IP 标准是大家都在使用的标准（实施标准），5 层和 7 层都只是讲课使用的
5. 本课程我们一般使用5 层来进行分割讲解。
   

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五.Network Topology 网络拓扑

1.定义

• 网络拓扑是指网络中各个节点（如计算机、路由器、交换机等）之间的物理或逻辑连接方式。不同的网络拓扑结构有不同的特点和适用场景。

2.常见的网络拓扑结构包括：

• 物理拓扑：导线（介质）的实际布局
  • 总线、星形、环形、扩展星形、分层（树形）、渔网型（mesh）
  • 如何把节点具体连接起来
    
• 逻辑拓扑：定义主机如何访问媒体
  • 令牌传递，使用 token 来获取通信的权利
  • 主要涉及到管理介质如何被访问
• 逻辑拓扑：主要是指如何在逻辑上如何控制网络

1. 总线拓扑（Bus Topology）

• Physical Perspective：
  • 所有节点通过一条主干电缆连接。
  • 数据在主干电缆上传输，所有节点都能接收到数据。
  • 优点：
    • 所有主机都可以直接通信。
  • 缺点：
    • 主干电缆故障会导致整个网络瘫痪，断开主机之间的连接。
• Logical Perspective：
  • Every networking device to see all signals from all other devices
  • 每个网络设备都可以看到来自所有其他设备的所有信号，实际上是广播式传播
  • 优点：比较简单，所有的设备都可以监听到总线的信号。
  • 缺点：
    • 信号冲突，需要进行复杂的介质访问权限控制来保证通信正常
    • 如果一处断开，则全部无法进行网络传输

2. 环形拓扑（Ring Topology）

• Physical Perspective：
  • 所有的设备直接首尾相连，组成一个菊花链（daisy-chain）
  • 数据沿着环路单向或双向传输。
  • 优点：
    • 数据传输延迟较小。
    • 适用于负载均衡。
  • 缺点：
    • 任意一个节点或连接故障都会影响整个网络。
    • 故障定位和修复较为复杂。
• Logical Perspective
  • 为了使信息流动，每个站点必须将信息传递给其相邻的站点。
  • 我们需要对于链路进行访问控制，防止很多设备同时使用环，我们使用 token 来进行控制访问权力

3. 双环拓扑（Dual Ring Topology）

• Physical Perspective
  • 每个节点通过两条环形链路连接到相邻节点，形成两个独立的环。
  • 双环拓扑是指一个节点有两个点，同时只能一个环在传输信息，两个环的传输时的方向是不能确定的。
• Logical Perspective
  • 双环拓扑就像两个独立的环，同一时间只有一个环被应用。
  • 有 token 令牌才有发送权力发送信息（使用总线）
• 优点:
  • 提供可靠性和灵活性
  • 容错性：一个环出现故障时，数据可以通过另一个环继续传输，确保网络的可靠性。
• Eg.优先使用外环，如果外环出现物理错误，则切换到内环上使用，并且对外环进行物理修复。

4. 星型拓扑（Star Topology）

• Physical Perspective：
  • 星型拓扑结构有一个中心节点，所有的链路都从它辐射（radiating）出去。
• Logical Perspective
  • 所有信息的流动将通过一个设备。
• 优点：
  • 它允许所有其他节点相互通信，方便。出于安全或限制访问的原因，它也可能是可取的
• 缺点：
  • 中央节点故障会导致整个网络瘫痪。
  • 根据使用的网络设备类型，冲突可能是一个问题，中心点会有很大的负担，并且容易造成通信阻塞

5. 树形拓扑（Tree Topology）

• 树拓扑使用一个主干节点（Trunk Node），从该节点分支到其他节点。
• 物理观点：主干是一条有几层分支的电线。
• 逻辑观点：信息流是层次性的。
• 在根一级数据节点可以对数据进行汇总和统计

6. 渔网状拓扑（Mesh Topology）

• Physical Perspective：
• 每个节点与网络中的其他节点直接相连。
  • 优点：
    • 高度冗余，任意节点或连接故障不会影响网络整体。
    • 高可靠性和稳定性。 the maximum connectivity and reliability.
  • 缺点：
    • 结构复杂，成本高。
    • 需要大量的电缆和端口。

7. 蜂窝拓扑（Cellular Topology）

• 物理视角（Physical Perspective）
  • 蜂窝拓扑结构是用于无线技术的拓扑结构
  • 有时接收节点移动（如手机），有时发送节点移动（如卫星）
• 逻辑视角（Logical Perspective）
  • 节点之间直接通信（尽管有时非常困难），或者只与相邻的单元通信，这是非常低效的。
  • 每一个节点都是无线的连通方式：远节点需要进行转发。

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六.Network Devices 网络设备

1.LAN Devices in a Topology

• 主机Hosts （网络终端设备）：
  • 直接连接到网段的设备
  • 打印机、计算机、服务器、传真机、复印机
• Hosts（网络中间设备）
  • 主机不属于任何层，但 OSI 模型的功能在主机内部的软件中执行

2.NIC 网络接口卡 – Layer 2（Data Link数据链路层）

• NIC，第二层，网卡（Network Interface Controller），网络终端设备
• 携带称为 MAC 地址的唯一代码，固定地址，在芯片上
• 用于控制网络上主机的数据通信
• 将计算机产生的并行信号转换成串行格式通过网络发送
• 用于转换信号以及发送和接收比特的收发器
• 提供主机对媒体的访问权限
• 为什么是第二层的设备：
  • 可以识别帧
  • 帮助主机接入网络
• 计算机母线：并行通信；网卡总线：串行通信
  • 所以网卡需要完成两者之间的交换。
• 也是可以完成第一层的工作的

3.Media介质 – Layer 1

• 网络中间设备，第一层

1. 以位为单位携带信息流
2. 信号从一个网络设备传送到另一个网络设备的方式
3. 0-1 信号变为电信号或者无线电波光信号等。

4.Repeaters中继器 - Layer 1（物理层）

• 网络中间设备
• 主要功能：
  • 延长网络长度：
    • 用于延长网络的物理长度，实现传输超出一段介质传输的介质
  • 清理、放大和重发信号：
    • 清理、放大和重发由于长电缆传输而减弱的信号。
  • 信号再生和重定时：
    • 在比特级别重新生成（放大）和重定时网络信号（数字信号），以允许它们在媒体上传播更长的距离
  • 不进行过滤：
    • 中继器不对数据包进行任何过滤或处理，只是简单地转发信号。
• 这些功能确保了信号在长距离传输中的完整性和可靠性。

5.Hubs（集线器） – Layer 1

• 网络中间设备
• 信号再生和重定时：用于重新生成和重定时网络信号，连接多个端口，可以比中继器做更多的事情
• 传播信号propagate signals
  • 不能过滤流量cannot filter traffic
  • 不能确定最佳路径cannot determine the best path
  • 网络中心节点used as network concentration points
  • 有时称为多端口中继器sometimes called multiport repeaters
• 逻辑拓扑：总线方式连接，一个端口入，所有端口出
• 不允许总线上同时有两路信号进行传输
• 冲突域：可能出现冲突的区域，但是集线器不进行这些控制，而是由交换机或者路由器来完成控制，不能降低冲突概率
• 而放大器方法的是模拟信号。

Repeaters/Hubs - Difference中继器和集线器的不同

• 中继器通常只有两个端口，而集线器通常有4个到20个或更多端口。
• 中继器在一个端口接收信号，并在另一个端口重复信号，而集线器在一个端口接收信号并在所有其他端口传输信号。
• 集线器最常见于以太网10Base-T或100Base-T网络中。
• 都是转发，都不做过滤功能
• 两个设备之间最多有 4 个集线器和网桥

6.Bridges（网桥） – Layer 2（数据链路层）

• 网络中间设备

1. 目的是在 LAN 上过滤流量，以保持本地流量，但允许连接到 LAN 的其他部分以定向到那里的流量
2. 跟踪网桥两侧的 MAC 地址，并根据此 MAC 地址列表进行决策
   • 目的地址如果在同一端，就不进行转发（不必进行转发，MAC Table）
   • 而在不同侧（不同的 segments）就进行尽量向外转发
3. 比集线器更智能
4. 收集并在段之间传递数据包
5. 创建冲突域
   • 通过网桥划分冲突域
   • 每个冲突域中都有一定的主机
   • 第一层以上的设备才能划分冲突域
6. 维护地址表

• 这些功能使得网桥在局域网中能够有效地管理和优化流量，提高网络的整体性能和效率。

7.Switches（交换机） – Layer 2

• 网络中间设备
• 集中连接 used to concentrate connectivity
• 结合集线器的连接性和网桥的流量调节 combine the connectivity of a hub with the traffic regulation of a bridge
• switch frames from incoming ports to outgoing ports providing each port with full bandwidth 根据MAC地址表将帧从输入端口切换到相应的输出端口，为每个端口提供全带宽。
• provide separate data paths 为每个连接的设备提供独立的数据路径，避免冲突，提高网络性能。

8.Routers路由器 – Layer 3

• 网络中间设备
• 在大型网络中调节流量。
• 基于网络地址（如IP地址）做出转发决策。
  • 主要是进行网段的划分，根据网络地址（包含在 IP 地址中）进行转化
• 检查数据包的第三层数据，选择最佳路径，并通过适当的输出端口转发数据包。
• 主要目的：
  • 用于路径选择和将数据包切换到最佳路由。

9.Evolution of Networking Devices and the OSI Layers

1. 网络设备的工作层次和主机情况
   • 物理层：介质、中继器、集线器
   • 数据链路层：网桥、交换机、电路交换设备
   • 网络层：路由器

• 高层设备可以识别低层设备的信号，但是低层设备不能识别高层次的数据逻辑
• Host 下层通过网卡进行实现，上层通过网络操作系统、应用实现