1.1 電腦網絡在資訊時代的作用
電腦網絡已經由一種
通訊基礎設施
發展成為一種重要的
資訊服務基礎設施。
電腦網絡已經成為我們生活中
不可或缺
的一部份。
電腦網絡的定義：
地理上分散的器材
透過通訊介質互聯
以資源共享為目的
工作原理：協定
1.2 因特網概述
1.2.1 網絡、互聯網和因特網
網絡
：由若幹
節點
（Node）和連線這些節點的
鏈路
（Link）組成。節點可以是電腦、集線器、交換機、路由器等。
互聯網
： 多個網絡透過路由器互連起來，這樣就構成了一個覆蓋範圍更大的網絡，即互聯網，因此互聯網是
網絡的網絡
。
因特網
：是世界上最大的互聯網絡。
Tips：
internet是一個通用名詞，泛指由多個電腦網絡互聯而成的網絡，這些網絡之間的通訊協定是
任意
的。
Internet是一個專用名詞，指當前世界最大的、開放的、由眾多網絡互聯而成的特定電腦網絡，采用TCP/IP協定族作為通訊的規則，其前身為美國的
ARPANET
。
1.2.2 因特網發展階段
因特網服務提供者ISP：
ISP可以從互聯網管理機構申請到很多IP地址，同時擁有通訊路線和路由器等聯網器材，使用者向ISP交納費用即可獲得所需IP的使用權並且可以透過ISP連入互聯網。ISP分為三個層次：主幹ISP、地區ISP和本地ISP。
1.2.3 因特網的標準化工作
1.2.4 互聯網的組成
1.3 三種交換方式
1.3.1 電路交換（Circuit Switching）
要讓所有的電話機都兩兩相連是不現實的，若有
部電話則需要
根電話線，於是便采用交換機的方式（如下圖c所示）。
電話交換機接通電話線的方式稱為電路交換。
從通訊資源的分配角度來看，交換就是按照某種方式動態地分配傳輸路線的資源。
電路交換的三個步驟：
-
建立連線（分配通訊資源）
-
通話（一直占用通訊資源）
-
釋放連線（歸還通訊資源）
電路交換的傳輸效率太低，不作為電腦數據的傳輸方式。
1.3.2 分組交換（Packet Switching）
報文
： 發送的整塊數據成為一個報文（message）
分組
： 在發送報文之前，將較長的報文分解成更小的等長數據段，每個數據段前加上一些額外的控制資訊組成的首部（header），就組成了一個分組（packet），分組又稱為
包
，分組的首部稱為
包頭
。
1.3.3 三種交換方式的對比
1.4 電腦網絡的定義和分類（重點）
1.4.1 電腦網絡的定義
最簡單的定義：一些互相連線的、自治的電腦的集合。
互聯：電腦之間可以透過有線或者無線的方式進行數據通訊。
自治：指獨立的電腦，它有自己的硬件和軟件，可以單獨執行使用。
集合：至少需要兩台電腦。
電腦網絡的較好的定義是:電腦網絡主要是由一些
通用的、可編程的硬件
互連而成的，而這些硬件並非專門用來實作某一特定目的（例如，傳送數據或影片訊號)。這些可編程的硬件能夠用來
傳送多種不同類別的數據
，並能
支持廣泛的和日益增長的套用
。
1.4.2 電腦網絡的分類
Tips：按照覆蓋範圍分類的根本依據是數據傳輸的方式，根據數據傳輸的距離調制成不同的波。
1.5 電腦網絡的效能指標（重點）
1.5.1 速率
1.5.2 頻寬
Tips： 頻寬指的是路線上允許的最高速率，類比高速公路，速率就是高速公路上汽車行駛的速度，頻寬就是這條高速公路的限速值。
1.5.3 吞吐量
1.5.4 時延
排隊時延：
分組在路由器輸入輸出佇列中排隊等待處理和轉發所經歷的時延。排隊時延的長短往往取決於網絡中當時的通訊量。當網絡的通訊量很大時會發生佇列溢位，使分組遺失，這相當於排隊時延為無窮大。
四種時延產生的地方如下：
計算例題：
Tips：一般計算時延時，電磁波傳播速率取
，為在金屬介質中的傳播速度。
1.5.5 時延頻寬積
1.5.6 往返時間
1.5.7 利用率
1.5.8 丟包率
1.6 電腦網絡體系結構（重點）
1.6.1 常見的電腦網絡體系結構
OSI體系結構
7層網絡體系結構記憶方法：
上三層（資源子網路）：
套用層
表示層
會話層
核心層：運輸層
下三層（通訊子網路）：
網絡層
數據鏈路層：網絡由鏈路連線而成
實體層：決定數據傳輸的硬件
TCP/IP體系結構
1.6.2 電腦網絡體系結構分層的必要性
電腦網絡是一個非常復雜的系統
，早在ARPANET設計時就提出了分層的設計理念。
「分層」
可將龐大而復雜的問題，轉化為若幹較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易於研究和處理，下面按照簡單到復雜的順序，將實作電腦網絡面臨的主要問題劃分到相應的層次中：
實體層
采用怎樣的傳輸媒體（比如網線）
采用怎樣的物理介面（PC端的網口）
使用怎樣的訊號表示位元0和1
數據鏈路層（網絡內部）
如何辨識網線中的各主機（主機編址問題，例如MAC地址）
如何從訊號所表示的一串位元流中區分出地址和數據
如何協調各主機爭用總線（主線形式的網絡現在基本已經淘汰）
網絡層（多個網絡之間）
如何標識各網絡以及網絡中的各主機（網絡和主機共同編織的問題，例如IP地址）
路由器如何轉發分組，如何進行路由選擇
運輸層
如何標識行程之間網絡通訊的問題，即解決對於伺服器發來的資訊，交給哪個行程處理的問題。
出現傳輸錯誤時（丟包、誤碼），如何處理。
套用層
制定各種套用層協定，並按照協定標準來編寫各種套用，如支持萬維網的HTTP協定，支持電子郵件的SMTP協定等。
透過套用行程間的互動來完成特定的網絡套用。
總結
1.6.3 電腦網絡體系結構分層思想舉例
如上圖所示，主機與N1網絡相連，伺服器與N2網絡相連，N1和N2透過路由器相連，下面用分層的思想模擬主機行程發送請求給伺服器，伺服器處理後返回資訊再由主機行程接受的過程：
套用層按照HTTP協定構建一個HTTP請求報文
運輸層給HTTP報文添加一個TCP首部，稱為TCP報文段，報文段內容如下：
網絡層給TCP報文添加一個IP首部，成為IP數據報，主要是使得數據報可以在互聯網中傳輸，即被路由器轉發，IP數據報內容如下：
數據鏈路層給IP數據報添加一個首部和一個尾部成為幀，首部使得幀可以在一段鏈路上傳輸，可以被目的主機接收，尾部用於讓目的主機檢查是否有誤碼
實體層將幀轉換成位元流，如果網絡是乙太網路，還會在位元流前加入前導碼，用於讓目的主機做好接收的準備，最後將位元流轉換成相應的訊號發送到傳輸媒體 ，訊號透過傳輸媒體到達路由器的實體層。
路由器中實體層將訊號轉換為位元流，然後去掉前導碼並將幀交給鏈路層
鏈路層去掉幀的首部和尾部變成IP數據報交給網絡層
網絡層解析IP數據報的首部，提取出目的網絡的地址，然後尋找自身的路由表確定轉發埠，準備轉發
網絡層再將IP數據報交給鏈路層，鏈路層加上首部和尾部形成幀
實體層接收幀並轉換為位元流，同時加入前導碼，轉換為訊號發送到傳輸媒體，訊號透過傳輸媒體到達伺服器的實體層。
伺服器的實體層接收訊號轉換為位元流，然後再逐層處理最後得到HTTP響應報文
伺服器對HTTP響應報文進行處理並給主機發送HTTP相應報文，流程和上述類似。
1.6.4 電腦網絡體系結構中的專業術語
實體
協定
協定：控制兩個對等實體進行邏輯通訊的規則的集合。邏輯通訊實際並不存在，是一種假設的通訊，便於單獨研究某一層的通訊。
協定的三要素：
語法：定義所交換資訊的格式，下圖示IP數據報的格式，每個格子稱為欄位或者域，語法定義了這些小格子的長度和順序。
語意：定義收發雙方所要完成的操作
同步：定義雙方的時序關系，如下圖就是TCP收發雙方的時序關系
服務
在協定的控制下，兩個對等實體間的邏輯通訊使得本層能夠向上一層提供服務。
要實作本層協定，還需要使用下面一層所提供的服務。
協定是「水平的」，服務是「垂直的」。
實體看得見相鄰下層所提供的服務，但是並不知道實作該服務的具體協定。也就是說，下面的協定對上面的實體是「透明」的。
在同一系統中相鄰兩層的實體進行互動（即交換資訊） 的地方，通常稱為服務存取點 SAP (Service Access Point)。SAP 是一個抽象的概念，它實際上就是一個邏輯介面。
服務存取點：在同一系統中相鄰兩層的實體交換資訊的邏輯介面，用於區分不同的服務類別。
數據鏈路層的服務存取點為幀的「類別」欄位。
網絡層的服務存取點為IP數據報首部中的「協定欄位」。
運輸層的服務存取點為「埠號」。
服務原語：上層使用下層所提供的服務必須透過下層交換一些命令，這些稱為服務原語。
協定數據單元PDU：對等層次之間傳送的封包稱為該層的協定數據單元。
服務數據單元SDU：同一系統內，層與層之間交換的封包稱為服務數據單元。
多個SDU可以合成為一個PDU；一個SDU也可以劃分為幾個PDU。
1.7 小結
1.8 相關習題
1.8.1 體系結構相關習題
1.8.1 時延相關習題
時延主要計算傳播時延和發送時延，傳播時延是指線上路上傳播所耗費的時間，主要由路線長度和訊號線上路上的傳播速率決定。發送時延是指主機發送數據所需要的的時間，主要區間於發送數據分組的大小和主機的頻寬。如下圖所示，鏈路頻寬為1Mb/s，則發送一個位元所用的時間為1微秒，發送完一個位元後，這個位元在鏈路中的訊號頭部已經到達了200m的位置，這是由傳播速率決定的。
