I) 计算机网络的基本概念

1. 什么是计算机网络

计算机网络就是一种通信网络，它是通信技术与计算机技术紧密结合的产物。
一个典型的通信系统的模型：
信源 -> 发送设备 -> 信道（可能有噪声源） -> 接收设备 -> 信宿（接收端）

计算机网络也是互连的（互联互通），自治的（无主从关系）的计算机集合。但是在距离远，数量大时，我们如何保证互连呢？====> 通过交换网络互连主机，也就是交换节点（路由器或交换机）

2. 什么是Internet

2.1 从组成细节的角度

Internet是全球最大的互联网络，它是ISP（Internet Service Provider）网络互联的网络之网络。有全球性的ISP，它会和区域的ISP连接，区域的ISP会一方面接入家庭网络，另一方面会接入机构网络（如校园网），最后组成一个大的互联系统。
其中会有数亿的计算设备接入网络，不可能让他们直接互连，这时候需要路由器和交换机为我们提供分组交换技术服务，来转发分组（数据包）。
总结下Internet的组成:

有数以亿计的互连的计算设备集合，他们成为端系统，其上运行着各种网络应用
传播数据的信道有光纤，铜缆，无线电还有卫星
路由器和交换机为我们提供分组交换技术服务，来转发分组（数据包），因为不能让终端们自己直接互连

2.2 从服务角度

a). 为网络应用提供通信服务的通信基础设施:
 Web, VoIP, email, 网络游戏, 电子商务, 社交网络, ...
b). 为网络应用提供应用编程接口(API):
 支持应用程序“连接” Internet，发送/接收数据
 提供类似于邮政系统的数据, 传输服务

思考问题

Q：仅有硬件(主机、链路、路由器......)连接，Internet能否顺畅运行?能保证应用数据有序交付吗?......
A：不能，还需要协议

3. 网络协议

3.1 什么是网络协议

 网络协议(network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定
 协议规定了通信实体之间所交换的消息的格式、意义、顺序以及针对收到信息或发生的事件所采取的“动作”(actions)

3.2 协议的三要素

语法(Syntax)
 数据与控制信息的结构或格式
 信号电平（从底层上讲）

语义(Semantics)=>(就像写信后需要寄信，要按照邮局的要求购买信封，在上面写名字，地址，这一系列的规定)
 需要发出何种控制信息
 完成何种动作以及做出何种响应
 差错控制

时序(Timing)
 事件顺序
 速度匹配

3.3 协议是计算机网络的重要内容

i). 协议规范了网络中所有信息移动网络发送和接收过程
 e.g., TCP, IP, HTTP, Skype, 802.11
ii). 学习网络的重要内容之一
iii). 网络创新的表现形式之一
vi). Internet协议标准
IETF:互联网工程任务组( Internet Engineering Task Force)会出版最权威的RFC: Request for Comments，这是一个类型文档的东西，详细的定义了一个网络协议。

II) 计算机网络结构

1. 网络边缘

网络边缘主要是指主机和网络应用,比如手机，在他们上运行着网络应用程序，比如：web，email。
网络核心也称为核心网络，是互连的路由器（或分组转发设备），他们是网络之网络。
在网络边缘有两种应用模型：
a.) 客户／服务器(client/server)应用模型：
 客户发送请求，接收服务器响应
 如:Web应用，文件传输FTP应用
b.) 对等(peer-peer, P2P)应用模型:
 无(或不仅依赖)专用服务器
 通信在对等实体之间直接进行
 如:Gnutella, BT, Skype, QQ

2. 接入网络

Q: 如何将网络边缘接入核心网?
A：用边缘路由器，这类用户有住宅(家庭)接入网络；机构接入网络 (学校,企业等)；移动无线接入网络。用户关心的是带宽（也就是网速）／共享or独占？

2.1 数字用户线路（DSL）

利用已有的电话线连接中心局的DSLAM（DSL多路复用器），继而最后接入IPS。采用频分多路技术（FDM），特点是不对称，上行速度慢，下行速度快，且网络是独享的。

2.2 电缆网络

采用光纤同轴，数据和电视信号共享在线缆分布式网络上，用不同频率区分信号，最后接入电缆调制解调器端接系统（CMTS），特点是不对称，上行速度慢，下行速度快，且网络是共享的。

2.3 典型的接入网络方案

a) 家庭网络：通过一个路由器，连接其他设备（电笔，手机，打印机），路由器的另一端连接电缆或DSL调制解调器。
b) 企业／机构：用以太交换机。
c) 无线接入网络：通过共享的无线接入网络连接端系统与路由器，分为无线局域网（LANs），作用与统一建筑物（30m），采用802.11b/g（WiFi协议）；另一种是广域无线接入，通过电信运营商的蜂窝网，作用几十公里，比如3g，4g，5g

3. 网络核心

互连的路由器网络，其关键功能是：路由+转发
路由(routing): 确定分组，从源头到目的的传输路径
转发(forwarding): 将分组从路由器的输入端，切换至正确的输出端口，比如路由算法中的本地转发表，通过目的地址确定输出的链路
网络核心解决的基本问题，通过数据交换，实现了数据从源主机通过网络核心送达目的主机。

4. Internet结构

各式各样的端系统通过接入ISP（比如家庭，公司和大学ISPs）连接带Internet。接入ISP必须进一步互连，才能实现任意两个主机相互发送分组。
数百万的接入ISP如何互连在一起？如果直接互连，会产生O(Nˆ2)的问题，不适用于大规模网络。现有的方案是，在地理区域内部会有一级(tier-1)的ISP，比如亚洲，欧洲，北美洲，这些一级ISP主要服务本大洲的网络，同时会有IXP(Internet exchange point)服务来互连这些一级ISP，最后构成全球网络。
同时还有一些内容提供商，如Google，Microrosft，可能会运行自己的网络，绕过一级ISP和区域ISPs，并就近为端用户提供服务内容。

III）网络核心-数据交换

1. 数据交换-电路交换

通过数据交换实现数据通过网络核心从源主机到达目的主机。利用交换网络避免了Nˆ2的问题，它帮助我们实现物理或逻辑上的交换端口；
最典型的电路交换网络：电话网络，它是一种独占资源，意思就是一旦连接电路建立，就不能被第三方共享，直到释放。交换网络的中继线可以采用多路复用技术，满足多用户的需求。

2. 数据交换-多路复用技术

频分多路复用：分配不同的载波频率
时分多路复用：每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙
波分多路复用：在光通信中，调制不同的光的波长
码分多路复用：多应用在蜂窝网，使用不同的码片序列

3. 数据交换-报文／分组交换

存储-转发交换方式：报文送到中间某个路由后，再转送到下一个路由，每次都是路由接收到全部的数据后，再转发到下一个。报文交换和分组交换都采用存储-转发交换方式。

报文交换：将信息整体传递，以完整的“报文”进行存储-转发
分组交换：把报文拆分成一系列的较小的数据包，分组发送，分组后的数据会包含额外的头信息，

相比报文交换，分组交换可以并行的传输数据：在第一分组到达第一个路由之后，第二分组就会向第一个路由发送，此时第一组继续向第二个路由发送，如同流水线一样快速。
如今，分组交换广泛的应用在互联网中，但是它也有一定的局限性，它是适用于突发的数据传输类型的网络，且并不是绝对优于电路交换。比如，有可能用户某段时间都在看视频玩游戏，需要很高的带宽，很容易产生堵塞。因此在语音通话这种持续性的传输活动中还是应用着电路交换。
传输时间公式，M是报文大小，R是链路传输率，h是跳步数，n是路由数,L是分包的大小
T = M/R + (h-1)L/R = M/R+nL/R
Bit(比特)：也就是一个二进制位，是0或者1
Byte(字节)：一个字节也就是一个B，由8个比特组成，如果再算传输时间时，带宽以Mbps为单位的话，报文的大小要乘以8换算成bits为单位
Mbps：一种传输速率，million bits per second，每秒传输的比特数

第一周-计算机网络概述