補基礎：自學：計算機科學導論 第六章 計算機網絡

6.1 引言

6.1.1 網絡標準

1. 性能

2. 可靠性

3. 安全

6.1.2 物理結構

1. 連接類型
   網絡由兩個或兩個以上通過鏈路連接的設備構成。
   鏈路是數據從一個設備傳輸到另一個設備的通信通道。
   點對點連接：提供了兩個設備間的專用鏈路
   多點連接：兩個以上的指定設備共享一個鏈路
2. 物理拓撲：指網絡在物理上的布置方式。
   兩個或多個設備連接到一個鏈路，一個或多個鏈路形成拓撲。
   有四種可能的基本結構：網狀型、星型、總線型和環形
   網狀拓撲中，每個設備都有專用的點對點鏈路與其他每個設備相連。
   星型拓撲中，每個設備都有專用的點對點鏈路，只與集線器相連。
   總線拓撲中，使用多點鏈路，一根長電纜（稱之為總線）把網絡中所有的設備連接在一起。節點使用分支線和連接頭與總線相連。
   環形拓撲中，每個設備都有專用的點對點鏈路，只與兩邊的設備相連。信號只以一個方向沿著環從一個設備傳輸到另一個設備，直到到達目的地。環中的每個設備連接一個中繼器。

	優點	缺點
網狀拓撲	保證每個連接都能傳輸它自己的數據負載，消除流量問題。 如果一條鏈路不能使用，不會影響整個網絡	主要缺點與電纜的數量和需要的輸入/輸出口的數量有關
星型拓撲	容易安裝和重構 簡化故障隔離	環的斷裂會使整個網絡不可用
總線拓撲	安裝簡單	總線電纜的鼓掌或斷裂將終止所有的傳輸
環形拓撲	具網狀拓撲其大多數優點 價格低廉 容易安裝 可伸縮性好	整個拓撲依賴單個點（集線器），如果集線器停機，整個網絡就不工作了

 

6.1.3 網絡分類

1. 局域網（LAN）
   常常是私有的，連接單個辦公室，大樓或校園里的設備。
   LAN是為個人計算機或工作站間的資源共享而設計的。共享的資源包括硬件（如打印機），軟件或者數據。
2. 廣域網（WAN）
   提供長距離的數據、圖像、音頻和視頻信息的傳輸
3. 城域網（MAN）
   大小介于LAN和WAN之間的網絡。通常覆蓋一個鎮或一個城市。

6.1.4 互聯網

網絡都是互連在一起的，當兩個或多個網絡連接在一起時，它們就變成互聯網。

6.1.5 因特網

由成千上萬個互相連接的網絡組成。

 

6.2 TCP/IP協議族

允許使用不同技術的局域網和廣域網互相連接到一起。

TCP/IP協議族通常被定義成5層

應用層    5

傳輸層    4

網絡層    3

數據鏈路層    2

物理層    1

上圖顯示了從設備A發送到設備B時涉及的層，可能經過許多路由器，路由器只是用前三層。

 

6.3 層

6.3.1 應用層：負責向用戶提供服務

允許人或軟件訪問網絡。

提供對電子郵件、遠程文件訪問和傳輸、瀏覽萬維網等服務的支持。

應用層是唯一一個大多數因特網用戶能夠看到的層

 

1. 客戶/服務器體系結構

每個應用由兩個分開但相關的程序組成：客戶端程序和服務器端程序。

服務器端程序需要一直運行。運行此程序的計算機稱為服務器

客戶端程序只在需要時運行

客戶端和服務端程序間的通信稱為進程到進程的通信。

 

2. 應用層地址

當客戶需要向服務器發送請求時，它需要服務器應用層的地址。
URL（統一資源定位符）用來標識一個特殊的HTTP站點。

服務器應用層地址不是用來發送消息的，而是幫助客戶找到服務器計算機的實際地址。

網絡中的每臺計算機都有一個稱為邏輯地址或IP地址的地址

服務器應用層地址能幫助客戶端找到服務器計算機的IP地址。客戶端進程應該已經知道DNS（域名服務器）地址。這些服務器都將域名匹配到IP地址的目錄。客戶端準備和發送消息到DNS服務器，詢問它所需要的服務器的實際IP地址。當收到響應之后，客戶端服務器就知道了所需服務器的IP地址。

 

6.3.2 傳輸層：負責客戶和服務器進程間的消息的邏輯傳輸

建立客戶和服務器計算機的傳輸層的邏輯通信。

1.傳輸層的地址（端口號）

當消息到達服務器時，它必須被指向正確的進程。同時需要另一個地址來標識服務器進程，稱為端口號。類似給某個大樓里的某個人發送消息，需要知道大樓的地址和房間號碼。IP地址類似大樓地址，端口號與房間號碼類似。

雖然客戶端端口號可以由運行客戶端進程的計算機臨時指定，但是因特網限制了臨時端口號的范圍，以避免破壞眾所周知的端口地址范圍。

2. 多路復用和解多路復用

好比住宅小區的門衛，住戶可以把郵件交給門衛，門衛把這些郵件交給郵遞員（多路復用）；門衛把收到的郵件分發給住戶（解多路復用）。

傳輸層使用端口號（與門衛使用的公寓號碼相似）完成多路復用和解多路復用。

服務器進程使用眾所周知的端口號，而客戶端進程使用傳輸層指定的臨時端口號。

3. 擁塞控制

物理上傳送數據包的下層網絡可能發生交通擁塞。這個可能引起網絡丟棄（失去）一些數據包。

有些協議為每隔進程使用緩沖區，消息在發送前存儲在緩沖區中。如果傳輸層檢測到網絡上有擁塞，就暫緩發送。

 

4. 流量控制

發送端的傳輸層能監控接收端的傳輸層，檢查接收者接收到的數據包是否過量。

 

5. 差錯控制

消息的傳輸過程中，它有可能被損壞、丟失、重復或亂序。傳輸層的發送負責確保消息被目的傳輸層正確接收。

傳輸層可以在緩沖區（臨時存儲）中保留消息的副本，直到它從接收者那里接收到包無損壞到達和次序正確的確認。

如果在預期時間內沒有確認，那么發送者就重新發送數據包。

 

6. 傳輸層協議

1. UDP（用戶數據報協議）
   完成多路復用和解多路復用。
   通過給包增加校驗和來進行差錯控制。接收者會重新計算校驗和，如果接收者得出結論這個包被損壞，它會丟掉這個包，而不通知發送者重新發送。
   UDP速度快，效率高，并且會自己完成流量控制或差錯控制。
   DNS服務器，處理視頻都使用的是UDP
   UDP被稱為無連接協議，因為UDP不提供屬于單個消息的數據包間的邏輯連接。換句話說，UDP中的每個包都是一個單獨的實體，沒有序號。好比需要發送一組有次序的包裹到目的地，郵局不能保證這些包裹按次序分發。
2. TCP（傳輸控制協議）
   支持傳輸層所有職責的協議。
   沒有UPD快速和高效。
   TCP使用序號、確認號和檢驗和。
   發送方還使用緩沖區，這種配置提供了多路復用、解多路復用、流量控制、擁塞控制和差錯控制
   TCP被稱為面向連接的協議，因為它在兩個傳輸層間提供邏輯連接。如果數據包到達的順序錯了或丟失了，將被重新發送。接收端的傳輸層不把次序錯的數據包發送給應用程序，但保留消息中的所有數據包，知道他們以正確的次序被接受。
3. SCTP（流控制傳輸協議）
   結合了UDP和TCP的優點。適用于音頻和視頻的實時傳輸，同時也提供差錯控制和流量控制。

 

6.3.3 網絡層：負責單個數據包從源主機到目的主機的發送

保證每個數據包從源點到最終目的地，它可能跨多個網絡。

 

1. 網絡層地址

從客戶端到服務器的數據包和從服務器返回的數據包需要網絡層地址。服務器的地址由服務器提供，而客戶端地址是客戶端計算機所知道的。

網絡層使用它的路由表找到下一條（路由器）的邏輯地址，把這個地址傳遞給數據鏈路層。使用數據鏈路層需要的這個邏輯地址來找到下一個路由器的數據鏈路層地址。

 

2. 路由選擇：指雪頂數據包的部分或全部路徑

因為因特網是網絡（LAN、WAN和MAN）的集合，因此從源到目的地的數據包發送可能是幾個發送的組合：

源到路由器的發送、幾個路由器到路由器的發送、路由器到目的地的發送。

當一個路由器接收到一個數據包時，它檢查路由表，決定這個數據包到最終目的地的最佳路線。路由表提供了下一個路由器的IP地址，當數據包到達下一個路由器時，下一個路由器再做出新的決定。

注意：路由器只是用TCP/IP的前三層

路由器是根據路由選擇協議來更新路由表的。此協議向網上的所有路由器發送自己的消息，更新它們關于路由的信息。

路由選擇協議有：RIP、OSPF和BGP

 

3. 網絡層協議

TCP/IP支持一個主協議（IP）和幾個輔助協議，幫助IP完成職責

1. IP（因特網協議）
   IPv4負責從源計算機到目的地計算機的數據包發送。全球的計算機和路由器都用32位的IP地址標識，使用點分十進制記法表示。
   在消息的源頭，IPv4把源和目的地IP地址加到從應用層傳送來的數據包中。
2. 輔助協議
   ICMP（因特網控制消息協議）：用來報告一定數目的差錯給源計算機。例如，由于擁堵，路由器丟失一個數據包，ICMP可以發送一個數據包給源計算機，警告它擁堵。
   IGMP（因特網小組管理協議）：用來增加IP的多播能力。IP本質上是單播傳輸的協議，一個源，一個目的地。多播傳輸是指一個源、多個目的地。
   還有別的輔助協議，如ARP（地址解析協議）和RARP（反向地址解析協議）

 

6.3.4 數據鏈路層：負責數據幀的節點到節點的發送

1. 數據鏈路層地址

一個設備可以靜態或動態地找到另一個設備的數據鏈路層地址。

靜態方法中，設備創建具有兩列的表，用于存儲網絡層和數據鏈路層地址對。

動態方法中，設備可以廣播一個含有下一設備IP地址的特定數據包，并用這個IP地址詢問鄰近節點，鄰近節點返回它的數據鏈路層地址。

數據鏈路層的地址是不通用的，每個數據鏈路協議可能使用不同的地址格式和大小。以太網協議使用48位地址，通常被寫成十六進制格式，例如： 07:01:02:11:2C:5B。數據鏈路層地址被稱為MAC地址（物理地址或介質訪問控制）

2. 差錯控制和流量控制（有些數據鏈路層協議在數據鏈路層中使用）

方法與傳輸層相同，但是，它只在節點發出點和節點到達點間實現。差錯會被檢查多次，但沒有一個差錯檢查覆蓋了路由器內部可能發生的差錯。

6.3.5 物理層：完成在物理介質上傳輸二進制流所需要的功能。

負責組成幀的單個二進制位從一個節點到另一個節點的傳送。換言之，數據鏈路層傳送的單元是幀，物理層傳送的單元式二進制位。幀中的每個位被轉化為電磁信號，通過物理介質（無線或電纜）傳播。

物理層不需要地址，傳播方式是廣播。

 

6.3.6 層的總結

 

6.4 因特網應用（不作展開）

6.4.1 電子郵件

6.4.2 文件傳輸協議

6.4.3 遠程登錄 – TELNET

6.4.4 萬維網

6.4.5 其他因特網應用