Qit_計網筆記

第1章概述

1.1 計算機網絡在信息時代中的作用

一、計算機網絡基礎概念

（一）計算機網絡的定義

定義：計算機網絡在信息時代中起到核心作用，實現了萬物聯網和人人用網的目標。

（二）計算機網絡的特點

信息時代特征：以網絡為核心，萬物聯網人人用網。
三大類網絡：有線電視網絡、電信網絡、計算機網絡。
- 計算機網絡提供電話、電報及傳真等服務，使用戶能在計算機之間傳送數據文件，是發展最快的并起到核心作用的網絡。

（三）三網融合

概念：融入現代計算機網絡技術，實現有線電視網絡、電信網絡和計算機網絡的融合。

二、Internet基礎

（一）Internet的定義與稱呼

定義：全球最大、最重要的計算機網絡。
稱呼：
- 因特網：推薦但未廣泛推廣。
- 互聯網：目前流行最廣，事實上的標準譯名。
- 互連網：局部范圍互連起來的計算機網絡，互聯網 ≠互連網。

（二）Internet提供的服務與應用

服務與應用：游戲、視頻、社交、電子郵件、購物、網店等。
金融服務：網銀、無現金支付、數字錢包、數字貨幣等。

（三）Internet的技術基礎

互連結構與交換技術。
TCP/IP體系結構與協議。

三、互聯網的基本特點與地位

（一）互聯網的基本特點

連通性?(connectivity)：
- 使上網用戶之間可以非常便捷、非常經濟地交換各種信息。
- 用戶終端好像彼此直接連通一樣。
資源共享?(Sharing)：
- 實現信息共享、軟件共享、硬件共享。
- 資源好像就在用戶身邊一樣方便使用，是Internet提供許多服務的基礎。

（二）互聯網在生活中的地位

融入生活：已經融入人們的生活、工作、學習和交往。
基礎設施：成為社會最為重要的基礎設施之一。

四、互聯網+與經濟形態

（一）互聯網+的定義

定義：指“互聯網+各個傳統行業”，把互聯網的創新成果深度融合于經濟社會各領域。

（二）互聯網+的應用領域

應用領域：互聯網工業、農業、教育、醫療、商業、交通、金融、政務等。

五、互聯網的負面影響與管理

（一）互聯網的負面影響

安全問題：傳播病毒、竊取數據與錢財、散布謠言、不良信息、欺詐等。
社會問題：網癮等。

（二）互聯網管理的重要性

管理需求：需要加強對互聯網的管理，以應對其負面影響。

1.2 互聯網概述

1.2.1 網絡的網絡

一、計算機網絡

定義：由若干節點(node)和連接這些節點的鏈路(link)組成。節點可以是計算機、集線器、交換機或路由器等。

二、互連網 (internetwork 或 internet)

定義：多個網絡通過一些路由器相互連接起來，構成了一個覆蓋范圍更大的計算機網絡，即“網絡的網絡”(network of networks)。
與網絡的區別：
- 網絡：把許多計算機連接在一起。
- 互連網：把許多網絡通過一些路由器連接在一起。與網絡相連的計算機常稱為主機。

三、互聯網 (Internet)

定義：當前全球最大的、開放的、由眾多網絡相互連接而成的特定計算機網絡，采用TCP/IP協議族作為通信的規則，前身是美國的ARPANET。
關鍵區別：
- 以小寫字母“i”開始的internet是通用名詞，泛指多個計算機網絡互連而成的網絡。
- 以大寫字母“I”開始的Internet是專用名詞，特指全球最大的互聯網。

1.2.2 互聯網基礎機構發展的三個階段

一、第一階段：1969 – 1990

特點：從單個網絡ARPANET向互連網發展。
關鍵事件：
- ARPANET最初只是一個單個的分組交換網，不是一個互連網。
- 1983年，TCP/IP協議成為ARPANET上的標準協議，使得所有使用TCP/IP協議的計算機都能利用互連網相互通信。人們把1983年作為互聯網的誕生時間。
- 1990年，ARPANET正式宣布關閉。

二、第二階段：1985 – 1993

特點：建成了三級結構的互聯網。
三級結構：主干網、地區網和校園網（或企業網）。覆蓋了全美國主要的大學和研究所以及成為互聯網中的主要組成部分。

三、第三階段：1993 – 現在

特點：全球范圍的多層次ISP結構的互聯網。
關鍵組成部分：
- 互聯網服務提供者 ISP (Internet Service Provider)：提供接入到互聯網的服務，需要收取一定的費用。
- 多層次ISP結構：主干ISP、地區ISP和本地ISP，覆蓋面積大小和所擁有的IP地址數目的不同。
- 互聯網交換點IXP (Internet eXchange Point)：允許兩個網絡直接相連并快速交換分組，常采用工作在數據鏈路層的網絡交換機。世界上較大的IXP的峰值吞吐量都在Tbit/s量級。
- 內容提供者(Content Provider)：在互聯網上向所有用戶提供視頻等內容的公司，不向用戶提供互聯網的轉接服務。

1.2.3 互聯網的標準化工作

一、標準化組織架構

互聯網研究部IRTF
互聯網工程部IETF
互聯網體系結構研究委員會IAB
互聯網研究指導小組IRSG
互聯網工程指導小組IESG
互聯網協會ISOC

二、標準發表形式

RFC：Request For Comments（請求評論），所有RFC文檔均可從互聯網上免費下載。
任何人都可以用電子郵件隨時發表對某個文檔的意見或建議。
但并非所有的 RFC 文檔都是互聯網標準。只有很少部分的 RFC 文檔最后才能變成互聯網標準。 RFC 文檔按發表時間的先后編上序號（即 RFCxxxx，xxxx 是阿拉伯數字）。

三、標準化過程

互聯網草案(Internet Draft)
建議標準(Proposed Standard)
草案標準(Draft Standard)
互聯網標準(Internet Standard, 記為STDxx)
標準軌道：包括互聯網草案、建議標準、互聯網標準等正式流程。
非標準軌道：包括歷史(Historic)、信息(Informational)、實驗(Experimental)等非正式文檔。

1.3 互聯網的組成

一、互聯網的組成

1. 互聯網的工作方式劃分

邊緣部分：
- 由所有連接在互聯網上的主機組成，用戶直接使用，進行通信（傳送數據、音頻或視頻）和資源共享。
- 處在互聯網邊緣部分的是連接在互聯網上的所有主機，又稱端系統(end system)。
- 端系統在功能上可能有很大差別：
  - 小的端系統：普通個人電腦、智能手機、網絡攝像頭等。
  - 大的端系統：昂貴的大型計算機或服務器。
- 端系統擁有者：個人、單位或某個ISP。
核心部分：
- 由大量網絡和連接這些網絡的路由器組成，為邊緣部分提供服務（提供連通性和交換）。
- 在網絡核心部分起特殊作用的是路由器(router)。

1.3.1 互聯網邊緣部分的通信方式

“計算機之間通信”的含義：是指主機 A 的某個進程和主機 B 上的另一個進程進行通信。

一、客戶/服務器方式（C/S方式）

描述：進程之間服務和被服務的關系，客戶是服務的請求方，服務器是服務的提供方。
通信過程：
- 客戶A向服務器B發出請求服務，服務器B向客戶A提供服務。
- 通信關系建立后，可以是雙向的，客戶和服務器都可發送和接收數據。
程序特點：
- 客戶程序：
  - 被用戶調用后運行，需主動向遠地服務器發起通信（請求服務），必須知道服務器程序的地址。
  - 不需要特殊的硬件和很復雜的操作系統。
- 服務器程序：
  - 專門用來提供某種服務的程序，可同時處理多個客戶請求。
  - 一直不斷地運行著，被動地等待并接受來自各地的客戶的通信請求，不需要知道客戶程序的地址。
  - 一般需要強大的硬件和高級的操作系統支持。

二、對等連接方式（P2P方式）

描述：兩臺主機在通信時不區分服務請求方和服務提供方，只要都運行了P2P軟件，就可以進行平等的、對等連接通信。
本質：仍然使用客戶服務器方式，只是對等連接中的每一個主機既是客戶又是服務器。

1.3.2 互聯網核心部分的技術

互聯網的核心部分是互聯網中最復雜的部分。 向網絡邊緣中的主機提供連通性，使任何一臺主機都能夠向其他主機通信。

一、路由器的作用

功能：路由器是實現分組交換(packet switching)的關鍵構件，其任務是轉發收到的分組。
重要性：分組轉發是網絡核心部分最重要的功能。

二、交換技術

典型交換技術：電路交換、分組交換、報文交換等。
互聯網采用：分組交換技術。

三、電路交換

特點：
- 電線對的數量與電話機數量的平方（N2）成正比。
- 當電話機的數量增多時，使用電話交換機將這些電話連接起來。并且每一部電話都直接連接到交換機上，而交換機使用交換的方法，讓電話用戶彼此之間可以很方便地通信。這種交換方式就是電路交換 (circuit switching)。
“交換 (switching)”的含義
- 轉接：把一條電話線轉接到另一條電話線，使它們連通起來。
- 從通信資源的分配角度來看，就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源。
電路交換特點分為三個階段：
- 建立連接：建立一條專用的物理通路（占用通信資源）。
- 通話：主叫和被叫雙方互相通電話（一直占用通信資源）。
- 釋放連接：釋放剛才使用的專用的物理通路（歸還通信資源）。
- 電路交換特點：通話的兩個用戶始終占用端到端的通信資源，導致通信線路利用率低。

四、分組交換（互聯網采用分組交換技術）

主要特點：
- 采用存儲轉發技術。
- 分組交換以“分組”作為數據傳輸單元。發送端依次把各分組發送到接收端。
- 在發送端，把較長的報文劃分成更小的等長數據段，每個數據段前面添加首部構成分組(packet)。分組又稱為“包”，而分組的首部也可稱為“包頭”。
- 發送端依次把各分組發送到接收端，接收端收到分組后剝去首部，還原成原來的報文。
- 根據首部中包含的目的地址、源地址等重要控制信息進行轉發。
- 每一個分組在互聯網中獨立選擇傳輸路徑。
- 路由器負責轉發分組，即進行分組交換，要創建和動態維護轉發表。
優點：
- 高效：動態分配傳輸帶寬，對通信鏈路是逐段占用。
- 靈活：為每一個分組獨立地選擇最合適的轉發路由。
- 迅速：以分組作為傳送單位，可不先建立連接就能發送分組。
- 可靠：保證可靠性的網絡協議；分布式多路由的分組交換網，使網絡有很好的生存性。
問題：
- 排隊延遲：分組在各路由器存儲轉發時需要排隊。
- 不保證帶寬：動態分配。
- 增加開銷：各分組必須攜帶控制信息；路由器要暫存分組，維護轉發表等。

五、報文交換

原理：基于存儲轉發原理。
時延：較長，從幾分鐘到幾小時不等。
現狀：現在已很少使用。

六、三種交換方式的比較

電路交換：若要連續傳送大量的數據，且其傳送時間遠大于連接建立時間，則電路交換的傳輸速率較快。
報文交換和分組交換：不需要預先分配傳輸帶寬，在傳送突發數據時可提高整個網絡的信道利用率。
分組交換與報文交換：分組交換比報文交換的時延小，靈活性更好，因為一個分組的長度往往遠小于整個報文的長度。

1.4 計算機網絡在我國的發展

一、關鍵發展節點

（一）早期實驗與初建

1980年：鐵道部開始進行計算機聯網實驗。
1989年11月：我國第一個公用分組交換網CNPAC建成運行。

（二）正式接入互聯網

1994年4月20日：我國用64 kbit/s專線正式連入互聯網，被國際上正式承認為接入互聯網的國家。
1994年5月：中國科學院高能物理研究所設立了我國的第一個萬維網服務器。
1994年9月：中國公用計算機互聯網CHINANET正式啟動。

（三）后續發展與擴展

CERNET與下一代互聯網：
- 1994年：中國教育和科研計算機網CERNET成為我國第一個IPv4互聯網主干網。
- 2004年2月：我國的第一個下一代互聯網CNGI的主干網CERNET2試驗網正式開通，以2.5~10 Gbit/s的速率連接北京、上海和廣州三個CERNET核心節點，并與國際下一代互聯網相連接。
全國范圍公用計算機網絡建設：
- 陸續建造了多個全國范圍的公用計算機網絡，包括：中國電信互聯網CHINANET、中國聯通互聯網UNINET、中國移動互聯網CMNET、中國教育和科研計算機網CERNET、中國科學技術網CSTNET。

（四）互聯網發展統計與現狀

中國互聯網絡信息中心CNNIC：每年兩次公布我國互聯網的發展情況。
國際出口帶寬：到2019年底，我國的國際出口帶寬已超過8.8 Tbit/s（1 Tbit/s = 103 Gbit/s）。

二、中國互聯網發展的重要企業和事件

1. 互聯網企業創立與發展

（一）互聯網公司創立與搜索引擎發展

1996年：張朝陽創立中國第一家以風險投資資金建立的互聯網公司—愛特信公司，后推出“搜狐”產品并更名為搜狐公司，搜狐網站是中國首家大型分類查詢搜索引擎。
1997年：丁磊創立網易公司，推出中國第一家中文全文搜索引擎，并開發超大容量免費郵箱（如163和126等）。
2000年：李彥宏和徐勇創建百度網站，現已成為全球最大的中文搜索引擎。

（二）社交媒體與即時通信軟件興起

1998年：王志東創立新浪網站，新浪的微博是全球使用最多的微博之一。
1998年：馬化騰、張志東創立騰訊公司。
1999年：騰訊推出PC上的即時通信軟件OICQ，后改名為QQ。
2011年：騰訊推出專門供智能手機使用的即時通信軟件“微信”。

（三）電子商務與支付平臺發展

1999年：馬云創建阿里巴巴網站。
2003年：馬云創立個人網上貿易市場平臺—淘寶網。
2004年：阿里巴巴集團創立第三方支付平臺—支付寶。

2. 中國公用計算機網絡

到目前為止：我國陸續建造了基于互聯網技術的并能夠和互聯網互連的多個全國范圍的公用計算機網絡，其中規模最大的五個為：
- 中國電信互聯網CHINANET（原來的中國公用計算機互聯網）
- 中國聯通互聯網UNINET
- 中國移動互聯網CMNET
- 中國教育和科研計算機網CERNET
- 中國科學技術網CSTNET

3. 互聯網發展統計與信息發布

中國互聯網絡信息中心CNNIC：每年兩次公布我國互聯網的發展情況。

1.5 計算機網絡的類別

1.5.1 計算機網絡的定義

精確定義未統一：計算機網絡的精確定義在學術界和工業界并未完全統一。
較好的定義：
- 硬件組成：
  - “可編程的硬件”表明這種硬件一定包含有中央處理器 CPU，并且能夠用來傳送多種不同類型的數據，能支持廣泛的和日益增長的應用。
  - 計算機網絡所連接的硬件包括一般的計算機、智能手機、智能電視等。
- 功能特點：
  - 計算機網絡可以傳送數據。
  - 支持多種應用（包括今后可能出現的各種應用）。

1.5.2?計算機網絡的類別

一、按照網絡的作用范圍進行分類

廣域網 WAN (Wide Area Network)：
- 通常為幾十到幾千公里。有時也稱為遠程網(long haul network)。是互聯網的核心部分。
城域網 MAN (Metropolitan Area Network)：
- 作用范圍一般是一個城市，作用距離約為 5~50 公里。
局域網 LAN (Local Area Network)：
- 局限在較小的范圍（如 1 公里左右）。通常采用高速通信線路。
個人區域網 PAN (Personal Area Network)：
- 范圍很小，大約在 10 米左右。有時也稱為無線個人區域網 WPAN (Wireless PAN)。
若中央處理機之間的距離非常近（如僅 1 米甚至更小些），比如手機熱點，則一般就稱之為多處理機系統，而不稱它為計算機網絡。

二、按照網絡的使用者進行分類

公用網（public network）：
- 定義：按規定交納費用的人都可以使用的網絡，也可稱為公眾網。
專用網（private network）：
- 定義：為特殊業務工作的需要而建造的網絡。
- 業務類型：公用網和專用網都可以傳送多種業務，如傳送計算機數據時，則分別是公用計算機網絡和專用計算機網絡。

三、用來把用戶接入到互聯網的網絡

接入網AN（Access Network）：
- 定義：又稱為本地接入網或居民接入網，用于將用戶接入互聯網，是用戶能夠與互聯網連接的橋梁。
- 位置：實際上就是本地ISP所擁有的網絡，它既不是互聯網的核心部分，也不是互聯網的邊緣部分。
- 范圍：是從某個用戶端系統到本地ISP的第一個路由器（也稱為邊緣路由器）之間的一種網絡。從覆蓋范圍看，很多接入網仍屬于局域網。

1.6 計算機網絡的性能

1.6.1 計算機網絡的性能指標

一、速率

定義：數據的傳送速率，也稱為數據率或比特率。
單位：bit/s，或 k(103)bit/s、M(10?)bit/s、G(10?)bit/s 等。
特性：速率往往是指額定速率或標稱速率，非實際運行速率。

二、帶寬

定義：
- 頻域：信號具有的頻帶寬度，如話音信號3.1KHz（300Hz-3.4KHz）。單位是赫（Hz）、千赫（kHz）、兆赫（MHz）、吉赫（GHz）等。
- 時域：網絡中某通道傳送數據的能力，表示在單位時間內網絡中的某信道所能通過的“最高數據率”，單位就是數據率的單位bit/s。
關系：兩者本質相同，通信鏈路的“帶寬”越寬，其所能傳輸的“最高數據率”也越高。

三、吞吐量

定義：單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的實際數據量。
限制因素：受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制。
- 額定速率是絕對上限值。
- 可能會遠小于額定速率，甚至下降到零！
表示方法：有時可用每秒傳送的字節數或幀數來表示。
接入互聯網的主機的實際吞吐量取決于互聯網的具體情況。

四、時延

定義：數據從網絡（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間。
組成：
- 發送時延：主機或路由器發送數據幀所需要的時間。計算公式為：發送時延 = 數據幀長度（bit）/ 發送速率（bit/s）。
- 傳播時延：電磁波在信道中傳播一定的距離需要花費的時間。計算公式為：傳播時延 = 信道長度（米）/ 信號在信道上的傳播速率（米/秒）。
- 處理時延：主機或路由器在收到分組時，為處理分組所花費的時間。
- 排隊時延：分組在路由器輸入輸出隊列中排隊等待處理和轉發所經歷的時延。
總時延：總時延 = 發送時延 + 傳播時延 + 處理時延 + 排隊時延。
錯誤概念：“在高速鏈路（或高帶寬鏈路）上，比特會傳送得更快些”。實際上，提高的僅僅是數據的發送速率，而非比特在鏈路上的傳播速率。

五、時延帶寬積

定義：時延帶寬積 = 傳播時延 × 帶寬，鏈路的時延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。表示從發送端發出但尚未到達接收端的比特數。
意義：只有在代表鏈路的管道都充滿比特時，鏈路才得到了充分利用。

六、往返時間 RTT

定義：從發送方發送完數據，到發送方收到來自接收方的確認總共經歷的時間。
計算公式：RTT = 2 × 傳播時延 + 接收方處理和排隊時延 + 接收方發送時延。
在互聯網中，往返時間還包括各中間結點的處理時延、排隊時延以及轉發數據時的發送時延。
當使用衛星通信時，往返時間 RTT 相對較長，此時，RTT 是很重要的一個性能指標。

七、利用率

信道利用率：某信道有百分之幾的時間是被利用的（即有數據通過），完全空閑的信道的利用率是零。
網絡利用率：全網絡的信道利用率的加權平均值。
關系：根據排隊論，當某信道的利用率增大時，時延會迅速增加。
時延與網絡利用率的關系為：D = D? / (1 - U)
- D?為網絡空閑時的時延
- D為網絡在當前的時延
- U為網絡當前的利用率。

1.6.2 計算機網絡的非性能特征

一、費用

影響因素：網絡建設成本、維護成本、使用成本等。

二、標準化

重要性：確保不同廠商生產的網絡設備和軟件能夠互聯互通。

三、質量

衡量標準：包括誤碼率、丟包率、延遲抖動等。

四、可靠性

定義：網絡在長時間運行過程中保持正常工作的能力。

五、管理和維護

內容：包括網絡配置、故障排查、性能監控等。

六、可擴展性和可升級性

定義：網絡能夠方便地增加新節點、新設備或升級現有設備的能力。

1.7 計算機網絡體系結構

1.7.1 計算機網絡體系結構的形成

一、計算機網絡體系結構的形成背景與問題

（一）兩臺計算機互相傳送文件需解決的問題

傳送通路：必須有一條傳送數據的通路。
通路激活：發起方必須激活通路。
接收方識別：要告訴網絡如何識別接收方。
接收方狀態檢查：發起方要清楚對方是否已開機，且與網絡連接正常。
接收準備檢查：發起方要清楚對方是否準備好接收和存儲文件。
格式轉換：若文件格式不兼容，要完成格式的轉換。
差錯處理：要處理各種差錯和意外事故，保證收到正確的文件。

二、計算機網絡體系結構的發展

（一）分層設計方法的提出

ARPANET設計：最初的ARPANET設計時提出了分層的設計方法。
分層概念：將龐大而復雜的問題，轉化為若干較小的局部問題。

（二）各大公司提出的體系結構

IBM的SNA：1974年，IBM按照分層的方法制定并提出了系統網絡體系結構SNA（System Network Architecture）。
其他公司：此后，其他一些公司也相繼推出了具有不同名稱的體系結構。

三、國際標準：開放系統互連參考模型OSI/RM

1. OSI/RM的提出與目標

提出者：ISO（國際標準化組織）提出的OSI/RM（Open Systems Interconnection Reference Model）。
提出原因：由于網絡體系結構的不同，不同公司的設備很難互相連通。
目標：試圖使各種計算機在世界范圍內互連成網的標準框架。
抽象概念：OSI/RM是個抽象的概念。
形成時間：1983年，形成了著名的ISO 7498國際標準，即七層協議的體系結構。

2. OSI的理想境界與失敗原因

理想境界：全球計算機網絡都遵循這個統一標準，因而全球的計算機將能夠很方便地進行互連和交換數據。
失敗原因：
- 商業驅動力不足：OSI的專家們在完成OSI標準時沒有商業驅動力。
- 協議復雜且效率低：OSI的協議實現起來過分復雜，且運行效率很低。
- 制定周期長：OSI標準的制定周期太長，使得按OSI標準生產的設備無法及時進入市場。
- 層次劃分不合理：OSI的層次劃分也不太合理，有些功能在多個層次中重復出現。

四、兩種國際標準的現狀

1. 法律上的國際標準OSI

地位：但并沒有得到市場的認可。

2. 事實上的國際標準TCP/IP

地位：獲得了最廣泛的應用。

1.7.2?協議與劃分層次

一、網絡協議基礎

1. 網絡協議定義

網絡協議（network protocol），簡稱為協議，是為進行網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定。網絡協議是計算機網絡的不可缺少的組成部分。

2. 網絡協議的組成要素

語法：數據與控制信息的結構或格式。
語義：需要發出何種控制信息，完成何種動作以及做出何種響應。
同步：事件實現順序的詳細說明。

3. 協議的形式

文字描述：便于人來閱讀和理解。
程序代碼：讓計算機能夠理解。不論什么形式，都必須能夠對網絡上信息交換過程做出精確的解釋。

二、層次式協議結構

1. 層次式設計的必要性

ARPANET經驗：對于非常復雜的計算機網絡協議，其結構應該是層次式的。

2. 劃分層次的概念舉例

兩臺主機通過網絡傳送文件：
- 文件傳送模塊：將文件傳送模塊作為最高的一層
- 通信服務模塊層：負責文件的可靠傳輸。
- 網絡接入模塊層：負責與網絡接口細節有關的工作，并向上層提供接入和通信服務。

3. 分層的優點與缺點

優點：
- 獨立性：各層之間獨立，靈活性好。
- 結構分割：結構上可分割開，易于實現和維護。
- 標準化：能促進標準化工作。
缺點：
- 功能重復：有些功能會重復出現，產生額外開銷。
- 層數選擇：層數太少會使每一層的協議太復雜，層數太多則會在描述和綜合各層功能時遇到困難。

三、各層完成的主要功能

差錯控制：使相應層次對等方的通信更加可靠。
流量控制：發送端的發送速率必須使接收端來得及接收，避免過快。
分段和重裝：發送端將要發送的數據塊劃分為更小的單位，在接收端將其還原。
復用和分用：發送端幾個高層會話復用一條低層的連接，在接收端再進行分用。
連接建立和釋放：交換數據前先建立一條邏輯連接，數據傳送結束后釋放連接。

四、計算機網絡的體系結構

1. 定義

網絡的體系結構?(Network Architecture) 是計算機網絡的各層及其協議的集合，是這個計算機網絡及其構件所應完成的功能的精確定義（不涉及實現）。

2. 體系結構與實現的區別

實現定義：在遵循體系結構的前提下，用何種硬件或軟件完成這些功能的問題。
關系：體系結構是抽象的，而實現則是具體的，是真正在運行的計算機硬件和軟件。

1.7.3?具有五層協議的體系結構

一、網絡體系結構基礎

（一）五層協議的體系結構

五層協議體系結構：綜合了OSI七層模型和TCP/IP四層模型的優點，形成的一種更為實用的網絡體系結構，包括應用層、運輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層。

1、應用層：

任務：通過應用進程間的交互來完成特定網絡應用。
協議：定義的是應用進程間通信和交互的規則。
把應用層交互的數據單元稱為報文(message)。
例如：DNS，HTTP，SMTP

2、運輸層：

任務：負責向兩臺主機中進程之間的通信提供通用的數據傳輸服務，具有復用和分用的功能。
主要使用兩種協議：
傳輸控制協議 TCP 用戶數據報協議 UDP 。
- TCP (Transmission Control Protocol)：
  - 提供面向連接的、可靠的數據傳輸服務。
  - 數據傳輸單位是報文段(segment)。
- UDP (User Datagram Protocol)：
  - 提供無連接的盡最大努力 (best-effort) 的數據傳輸服務（不保證數據傳輸的可靠性）。
  - 數據傳輸的單位是用戶數據報。

3、網絡層（網際層或IP層）：

為分組交換網上的不同主機提供通信服務。
兩個具體任務：
- 路由選擇：通過一定的算法，在互聯網中的每一個路由器上，生成一個用來轉發分組的轉發表。
- 轉發：路由器依據轉發表轉發分組到下一個路由器。使用無連接的網際協議IP和多種路由選擇協議。
數據鏈路層（鏈路層）：實現兩個相鄰節點之間的可靠通信，傳送幀（frame）。如發現差錯，丟棄出錯幀或采用可靠傳輸協議糾正差錯。
物理層：實現比特（0或1）的傳輸，規定電壓代表0/1的方式、接收方識別比特的方法，以及連接電纜的插頭引腳數量和連接方式。物理媒體（如雙絞線、同軸電纜、光纜、無線信道）不在物理層協議內。

（二）OSI七層協議體系結構與TCP/IP四層協議體系結構

OSI七層協議體系結構：包括應用層、表示層、會話層、運輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層。
TCP/IP四層協議體系結構：包括應用層、運輸層、網際層（網絡層）、網絡接口層（數據鏈路層+物理層）。

二、各層主要功能詳解

（一）應用層功能

任務：完成特定網絡應用，通過應用進程間交互實現。
協議：定義通信和交互規則，如DNS（域名解析）、HTTP（超文本傳輸）、SMTP（簡單郵件傳輸）。
數據單元：報文(message)。

（二）運輸層功能

任務：提供進程間通用數據傳輸服務。
復用與分用：允許多個應用進程使用同一運輸層服務，并將接收到的數據分發給正確的應用進程。
協議：
- TCP（傳輸控制協議）：面向連接，可靠傳輸，使用報文段(segment)作為數據單元。
- UDP（用戶數據報協議）：無連接，盡最大努力傳輸，不保證可靠性，使用用戶數據報作為數據單元。

（三）網絡層功能

任務：為主機間通信提供服務，處理分組交換。
具體任務：
- 路由選擇：通過算法在路由器上生成轉發表，用于指導分組轉發。
- 轉發：路由器依據轉發表將接收到的分組轉發到下一個路由器。
協議：主要使用無連接的網際協議IP（Internet Protocol）和多種路由選擇協議，因此網絡層也稱為網際層或IP層。

（四）數據鏈路層功能

任務：實現兩個相鄰節點之間的可靠通信，傳送幀（frame）。
差錯處理：如發現差錯，丟棄出錯幀；如需改正差錯，則采用可靠傳輸協議，但這會使數據鏈路層協議復雜化。

（五）物理層功能

任務：實現比特（0或1）的傳輸，規定電壓、比特識別方法及連接方式。
具體任務：
- 確定傳輸比特的電壓標準。
- 確定連接電纜的插頭引腳數量及連接方式。
注意：傳遞信息所利用的物理媒體（如雙絞線、同軸電纜、光纜、無線信道等）不在物理層協議之內，而是在物理層協議之下。

三、數據傳輸過程與協議數據單元

（一）數據在各層之間的傳遞過程

數據封裝：發送方從應用層開始，逐層添加首部信息，形成PDU（協議數據單元），傳遞至物理層傳輸。
數據解封：接收方從物理層開始，逐層去除首部信息，將數據傳遞給上層應用進程。
傳遞示例：以主機1向主機2發送數據為例，數據在各層之間逐層封裝首部信息，最終通過物理傳輸媒體進行傳輸。
封裝過程：
- 應用層添加應用層首部（H5）。
- 運輸層添加運輸層首部（H4）。
- 網絡層添加網絡層首部（H3）。
- 數據鏈路層添加鏈路層首部（H2）和尾部（T2）。
- 物理層將數據轉換為比特流進行傳輸。

（二）協議數據單元(PDU)

對等層通信：OSI參考模型中，對等層次之間傳送的數據單位稱為該層的協議數據單元PDU（Protocol Data Unit）。
通信方式：任何兩個對等層之間通過水平虛線直接傳遞PDU，即進行“對等層”之間的通信。
協議定義：各層協議實際上是在各個對等層之間傳遞數據時的各項規定。

1.7.4?實體、協議、服務和服務訪問點

一、基本概念

（一）實體（Entity）

定義：表示任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程。

（二）協議（Protocol）

定義：控制兩個對等實體進行通信的規則的集合。
特性：
- 實現保證：協議的實現保證了能夠向上一層提供服務，對上層服務用戶透明。
- 通信方向：協議是“水平的”，控制對等實體間的通信。
- 上層使用服務原語獲得下層所提供的服務，而上面的服務用戶只能看見服務，無法看見下面的協議，這是“垂直的”關系。
組成要素：
- 語法：數據與控制信息的結構或格式。
- 語義：需要發出何種控制信息，完成何種動作及響應。
- 同步：事件實現順序的詳細說明。
重要性：協議很復雜，需要應付所有異常情況，沒有一種協議能夠確保100%的成功或獲勝（如軍事行動中的協議示例）。