Introduction

Defination

Computer NetWork

• A number of individual computers interconnected through a communication network
• A collection of autonomous computer systems interconnected using a single technology

计算机网络的定义:

1.大量的独立的计算机通过通信网络相互连接
2.单一技术相互连接的自主计算机集合

大量相互独立但是彼此连接的计算机共同完成计算任务，这些系统成为计算机网络。

Computer network vs. distributed system

Distributed system

A abstraction for computation or data processing

分布式系统和计算机网络的关系

分布式系统是计算能力和数据处理的抽象

一个分布式系统中，一组独立的计算机展现给用户的是一个统一的整体，就好像是一个统一的整体，就好像是一个统一的系统似的。在操作系统之上有一层软件中间件负责实现这个模型，一个著名的分布式系统是万维网，所有看起来就好像是看一个文档一样。

实际上，分布式系统是建立在网络上的系统。正是因为软件的特性所以分布式系统具有高度的内聚性和透明性。因此，网络和分布式系统之间的区别更多是软件而不是硬件。

Uses of Computer Networks

计算机网络的用途

Business Applications of Networks(计算机网络业务应用)

client-server

server 服务器

client 客户机

network 网络

客户端通过网络与服务器相连，这种模式叫做客户机-服务器模型

主要应用于web应用，

The client-server model that involves requests and replies

客户端-服务端模式包括请求和返回

1.客户机进程通过网络发送一个消息给服务器进程，然后客户机等待消息的回复。
2.服务器获得这个进程的请求消息之后，它就执行客户的所请求的工作，给客户机回复一个消息

Home Applications of Networks

家庭网络应用

• Access to remote information
• Person-to-person communication
• Interactive entertainment
• Electronic commerce

远程访问信息
人与人之间交流
交互娱乐
电子商务

peer to peer

**No fixed clients and servers in a peer-to-peer system **

对等通信

在对等的通信系统中没有固定的服务器和客户端

人与人之间的信息大部分都是使用客户机-服务器模式获得的，但是还是存在着一种完全不同的信息模式，这种模式十分的流行，它采用一种称为对等的(peer to peer)通信技术，在这种通信形式下，组成一个松散群体中的每个人可以与群体中的其他人进行通信，每个人都可以与其他人通信，这里客户端服务器没有固定的分工。

Some forms of e-commerce
一些形式的电子商务

手机网络用途

Mobile Network Users

Combinations of wireless networks and mobile computing

无限网络与手机的结合

NetWork Hardware(网络硬件)

• Local area networks 局域网
• Metropolitan area networks 城域网
• Wide area networks 广域网
• Wireless networks 无线网
• Home networks 家庭网
• Internetworks 互联网

Transmission Technologies（传输方式）

传输技术

Broadcast transmission

广播传输

在一个广播网络中，通信通道被网络上所有的机器所共享。任何一台机器发出的数据包都能被所有其他任何机器接受的到，每个数据包的地址字段指定了预期的接收方，当一台机器接受到一个数据包的时候，它首先要检查字段，如果包的目的地就是这台机器，则这台机器要处理这个数据包，否则的话，就忽略这个数据包。

• Usually smaller, geographically localized networks
• Most applicable: local area networks
  通常是较小的，本地化的网络
  最适用于局域网

Point-to-point transmission

点对点传输

点对点的链路将一对单独的机器连接起来，在一个由点对点链路组成的网络中，为了源端到对方，短消息必须首先访问一个或者多个中间的机器，这种短消息在某种情况下称为数据包，或者包，通常在网络中可能有多条不同长度的路由，因此找到一条好的路对于点对点的网络十分的重要。点对点传输只有一个发送方和一个接收方，有的时候也称为单播。

• Usually large networks
• Most applicable: wide area networks

通常是大型的网络
最适用于广域网

Classification of NetWork(网络的分类)

处理器之间的相互连接

Scale of processor interconnections

Personal Area Networks 个人局域网络

允许设备围绕着一个人进行通信，比如蓝牙，蓝牙耳机、鼠标、蓝牙键盘

Local Area Networks 局域网

局域网是一种私有网络，通常在一个建筑物内或者附近，用来连接个人计算机，他们可以共享资源或者交换信息。大多数情况下，每台计算机与天花板上的一个设备进行通信，这个设备叫做接入点(AP),无限路由器或者基站，它只要负责中继无限计算机和Internet之间的包。

• Metropolitan Area Networks 城域网
  城域网可以覆盖一个城市，最有名的城域网就是电视网

Wide Area Networks 广域网（WAN）

广域网的特点

跨度很大，通常是一个国家或者一个大陆。

主机

广域网包含了大量的机器，这些机器上可以运行用户的程序，这些机器叫主机

通信子网

1.这些机器通过通信子网相互连接，子网的任务是承载消息，它负责将将消息从从一台主机传递到另外一台主机上，就好比通信公司将话音从话筒的一端传递到另外一端

2.通信机器包含两个部分传输线和交换单元

• 传输线:机器之间传输数据位
• 交换单元:一种特殊的计算机，连接三条或者更多的传输线，当数据在一条进线到达的时候，交换单元必须选择一条出线，这是问了将消息发送出去。交换单元有一个日常听说的名字:路由器

3.子网的第二层含义:包含了网络编址相关的含义

存储转发

在大多数广域网中，网络包含了大量的传输线，每条传输线将一对路由器连接起来。如果两个路由器之间没有共享一条传输线，而又希望他们之间进行通信的话，那么他们必须间接的通过其他的路由器来实现通信。当一个分组从一个路由器，进过一个或者多个中间路由器，被发送到另外一个路由器的时候，每一个中间路由器都会完整的接收到该分组并把他保存起来，直到所要求输出线路完全空闲，才将其转发出去，根据这种规则组织起来的子网叫做存储转发又或者叫做分组交换。当分组很小的时候，并且分组的大小相同的时候，他们通常称为信元。

一般而言，当某一台主机的一个进程要发送一条信息给另外一台主机的进程的时候，发送主机首先是把这条消息切割成一个个的分组，每个分组都包含一个序号。然后，这些分组快速连续的送入网络，一次送入一个。这些分组在网络上是单独传输的，然后陆续的堆积到接受主机中，在接收主机上，他们又重新装配成原始的消息，然后递交给接收进程，从某一个原始消息到分流的过程如图。

所有分组都沿着路由器ACE传送，而不是ABCDE或者ACDE,在有些网络中，同一条消息的所有分组必须沿着同样的路径，而在其他的网络中，每个分组可以有单独的路由。假如ACE是最佳的路由途径，那么即使每个分组单独路由，这些分组依旧会沿着ACE传送。

路由决策是路由器在本地进行的，一个分组到达A的时候，A可以自行决定该分组应该被送到连接B的传输线上，还是连接C的传输线上。A做出这个决定的过程叫做路由算法

Wireless Networks 无线网

全球范围的因特网

家庭网络的组成

Home Network Components(了解)

Computers

• Desktop PC, PDA, shared peripherals

Entertainment

• TV, DVD, VCR, camera, stereo, MP3

Telecomm

• Telephone, cell phone, intercom, fax

Appliances

• Microwave, refrigerator, clock, furnace, air-condition unit

Telemetry

• Utility meter, burglar alarm, babycam

网络软件

NetWork SoftWare(重要)

Protocol hierarchies(协议层次)

Information flow that supports communication at layer 5

分层的思想

为了降低网络设计的复杂性，绝大多数网络都组织成为了一个层次栈，或者分级栈，每一层都建立在下一层的基础上，层的个数，每一层的名字，每一层的内容以及每一层的功能各个网络并不相同。从某种意义上来讲，每一层都是一个虚拟机。

分层的思想，一个特定的软件向用户提供某种服务，但是将其内部的细节进行封装，隐藏掉了

协议

一台机器第n层与另外一台机器第n层进行对话，对话中使用的规则和约定统称为第n层协议
，所谓的协议就是通信双方就如何通信产生的一种约定。

对等体

不同机器上构成相应层次的实体成为对等体，这些对等体可能是软件过程，硬件设备，甚至是人类，换句话说正是这些对等体为了实现彼此的沟通才使用协议来通信

数据的传输过程

实际上数据并不是从一台机器的第n层直接传输另外一台机器的第n层，相反，每一层都是将数据和控制信息传递给它的下一层，这样一直传递到最低层，第一层下面是物理介质，通过它来进行实际的通信。

接口

在每一对相邻层次之间是接口，接口定义了下层向上层提供哪些原语操作和服务，当网络设计者决定一个网络中应当包含多少层，以及每一层应该提供哪些功能的时候，其中最重要的是必须清楚层与层之间的接口。

网络体系结构

层和协议的集合统称为网络体系结构。

传输过程

哲学-翻译-秘书体系结构

1.第5层运行的应用产生了一个消息M，并将它传递到第四层
2.第4层在消息前面加上了一个头(header)来标识该信息，并把结果传递给第3层
(为什么要加头，头部信息包括控制信息比如序列号，这使得即使下面三层没有维护顺序消息，目标及其的第4层也依旧可以按照正确的顺序处理递交消息)
3.第3层会协议会强加一个限制，第三层必须把进入的消息分割成为较小的单元（packet包），并且在每一个分组的前面加上第三层的头，这个例子中M被分割成为了两个部分M1,M2,除此之外第三层还决定了使用那些输出线路
4.第2层不仅在每段信息上加上头部信息，还要加上一个尾部信息，并且将结果送给第一层以便进行物理传输
5.接下来，在接受端的机器上，消息从下向上逐层传递，在传递的过程中头信息被逐层剥离，针对下层的头信息不回传递到上层来

虚拟通信和实际通信的关系

从概念上讲，第四层中对等的进程认为"它们之间的通信是水平的"，他们使用了第四层的协议，但是这些过程实际上是与底下的层通过3/4之间的接口进行通信的，并不是与另一端进行通信

Design issues for the layers（分层的问题）

adressing(编址机制)

每一层，都需要有一种机制来标识出发送方和接收方。由于一般的网络中都有许多计算机，而且有些计算机上又有许多进行。所以，这就需要一种方法来使得一台机器上的进程可以指定它要与谁进行通话。由于存在许多的目标，所以自然需要一种编码机制来指定一个特定的目标。

error control(错误控制)

由于物理通信不是完美无缺的，所以要对错误进行检测和纠正。连接两端必须使用同一种编码方式，而且接受方还得告诉发送方那些报文正确接受，那些并没有接受到。

Flow control(流控制)

当发送方发送数据很快的时候，如何避免数据淹没

Multiplexing(多路复用)

为每一对通信进程都建立一个单独的连接，有时候非常不方便或者非常昂贵，此时可能下面的层会决定多个不相关的对话使用同一个连接，这种方式叫做多路复用

Routing(路由)

从源端到目标端之间存在许多条路径，必须进行路由的选择，有时候路由的选择需要由两层或者多层进行决定。然而在低层可能会根据当前的流量负载，决定选择其中一条可用的电路，这个话题叫做路由。

Connection-oriented and connectionless services

（面向连接和面向无连接的服务）

Connection-oriented（面向连接的服务）

面向连接的服务是基于电话系统模型的。

当你打电话的时候，与某个人通话，你首先拿起电话机，拨打对方的电话，然后说话最后挂机。

用户首先要建立一个连接，然后使用该连接，最后释放连接，这种连接最本质的方面在与，它好像一个管道，接受方在另外一端将它取出来。绝大多数情况，数据位保持原有的顺序到达。

有些情况下，发送方和接受方会一起协商要使用的参数。

connectionless services（无连接的服务）

无连接的服务是基于邮件系统模型的，每一条信件都携带了完整的地址，所以每一条报文都有完整的目标地址，所以每条报文都可以被系统独立的路由。

一般来说当两个报文都被发送给同一个目标的时候，首先被发送的报文会先到达，但是先发送的报文因为延迟后到达的情况也可能发生。

quality of service(服务质量)

可靠服务，从来不丢失数据，其实现是让接受方向发送方确认收到每一条消息，因而发送方确定每一条消息都到达。

典型情形

1.文件传输

两种变形

1.报文序列
2.字节流

Six different types of service（六种不同类型服务）

Service primitives（服务原语）

一个服务通常是由一组原语操作来描述的，用户进程通过这些原语操作可以访问服务。
Six service primitives for implementing simple connection-oriented services

原语	含义
LISTEN	阻塞操作，等待一个进入的连接
CONNECT	与一个正在等待的对等体建立连接
RECEIVE	阻塞操作，等待一个进入的报文
SEND	给对等体发送一个报文
DISCONNECT	终止一个报文

A simple client-server interaction using acknowledged datagrams

1.服务器执行LISTEN，表示它已经准备好接受到来的连接，服务器被阻塞直到有连接请求到来位置
2.客户端执行CONNECT，以便与服务器进行连接，CONNECT需要目标方，即与它建立连接，它会向请求建立连接
3.服务器端返回一个确认报文
4.服务器准备接受第一个请求，处于RECEIVE状态
5.客户端执行SEND，然后准备得到应答处于RECEIVE状态
6.服务端执行SEND，将答案发送给用户
7.客户端断开连接
8.服务端断开连接

Relationship between services and protocols

服务和协议的区别

1.服务是指某一层向它上一层提供一组原语，服务定义了该层打算代表用户执行那些操作，但是它并不涉及如何实现这些操作，服务也会涉及两层之间的接口，其中低层是服务的提供者，而上层是服务的用户。

2.协议是一组规则，用来规定同一层上的对等实体所交换的信息或者分组的格式和含义。

服务涉及层与层之间的接口，协议涉及到不同机器上对等实体之间发送的分组。

Reference Models（参考模型）

ISO模型是国际化标准化组织ISO的一份提案为基础的

Protocol layering is the main structuring method used to divide up network functionality
协议分层是用于划分网络功能的主要结构化方法

• Each protocol layer talks virtually to its peer

• Each layer communicates only through the one below

• Lower layer services are accessed through an interface

• At bottom, messages are carried by the medium

• 每个协议层实际上都与它的对等方进行对话

• 每一层只通过下面的一层进行通信

• 通过接口访问较低层的服务

• 在底部，消息由媒体携带

The OSI Reference Model（OSI模型）

ISO OSI(Open Systems Interaonnection) Reference Model

OSI模型一共有七层，这七层的分层原则如下:
1.当需要一个不同抽象体的时候，应该创建一层
2.每层都应该执行一个明确定义的功能
3.选择每一层功能的时候，应当考虑到顶替国际化标准化的协议

OSI七层协议

连接不同系统的原则性、国际标准、七层模型

物理层

涉及通信信道上的传输的原始数据位。设计的时候要保证这边发送的是1，那边不能收到的是0

数据链路层

主要任务是将一个原始的数据传输设施转变成一条逻辑的传输线路，在这条线路上，所有未检测出来的传输错误也会反映到网络层上，数据链路层完成这项任务的做法是，让发送方将输入的数据拆开，分装到数据帧，然后顺序的传送这些数据帧，如果是可靠服务，则接受方必须确认每一帧都接收到了，也就是给发送方一个确认帧

数据链路层的第二个解决的问题是避免一个快速的发送方淹没另外一个慢速的接受方。

其任务主要包括两点:

• 纠错
• 防止数据淹没

网络层

网络层控制子网的运行过程。

其解决的关键设计问题:

确定如何将分组从源端路由到目标端，也就是确定从源端到目标端的路线

传输层

传输层的基本功能是接受来自上一层的数据，并且在必要的时候把这些数据分割成小的单元，然后把这些数据单元传输给网络层，并且确保这些数据片段都能够正确的到达另外一端。而且这些工作要高效率的完成，并且保证上面各层不受到底层硬件技术变化的影响。

传输层还决定了向会话层提供那种类型的服务

传输层是一个真正端到端的层，所有的处理都是按照源端到目标端来进行的。

会话层

会话层允许不同机器上的用户之间建立会话，所谓会话，通常就是指各种服务。

包括:
对话控制:记录下来由谁来传递数据
令牌控制:禁止双方同时执行的一种关键操作
同步功能:在一个长的传输过程中设置一些检查点，以便在系统崩溃之后还能够在奔溃之前的点上继续工作

表示层

表示层关注的是所传递的信息的语法和语义。这是为了解决不同的计算机上可能使用不同的数据表示法。

应用层

应用层包含各种各样的协议，这些协议往往针对用户的需要，包括http协议。

The TCP/IP Reference Model

该模型不光被APRANET所使用，还被Internet所使用

• A four layer model derived from experimentation

• Omits some OSI layers and uses the IP as the network layer

• 从实验中导出的四层模型

• 省略一些OSI层并使用IP作为网络层

IP

互联网层定义了正式的分组格式和协议，这个协议交IP(Internet Protocol),互联网层的任务是将IP投递到他们该去的地方。

互联网层

互联网层是将整个网络体系结构贯穿在一起的关键层，该层的任务是允许主机将分组发送到任何网络上，并且让这些分组独立的到达目标端。这些分组到达的顺序可能与发送的顺序不同。

传输层

定义:传输层是位于互联网层之上的一层

目标:允许源和目标主机之间可以平等的对话，这里已经定义了两个端到端的传输协议

TCP协议

TCP协议(Transport Control Protocol)传输控制协议，它是一个可靠的、面向连接的协议

• 允许从一台机器发出的字节流正确的递交到互联网上另外一台机器上
• 处理流控制，防止数据淹没

UDP协议

UDP协议(User Datagram Protocol)用户数据报协议,它是一个不可靠的、无连接的协议。

• 快速递交比精准重要的功能
• 只需要一次的、客户端-服务器类型请求-应答服务

应用层

包含了所有的高层协议

主机至网络层

它指出主机必须通过某个协议连接到网络上，以便将分组发送到网络上

A comparison of OSI and TCP/IP

• Concepts central to the models
  • Services
  • Interfaces
  • Protocols
• OSI
  • Very influential model with clear concepts
  • Models, protocols and adoption influenced by politics and complexity
• TCP/IP
• Very successful protocols that worked well and thrived to become a de facto standard
• Weak model derived after the fact from protocols

共同点

1.都是以协议栈概念作为基础，并且在协议栈中协议彼此独立
2.传输层之上的各层都是传输服务的用户，并且面向应用的用户
3.两个模型中传输层以及其上都希望提供端到端、与网络无关的服务

不同点

1.OSI中三个核心的概念:

• 服务，下层为上层执行服务，定义该层做些什么
• 接口，告诉上面的进程如何访问本层
• 协议，本层自己内部的事情

OSI协议让这三个概念区别明确

2.TCP/IP最初服务、接口、协议区分不明确，虽然后来改进了，但是OSI协议比TCP/IP协议有更好的隐蔽性

3.OSI模型具有通用性

4.OSI同时支持无连接和面向连接的通信，但是传输层上支持面向连接，而TCP/IP协议只有无连接服务

A Critique of the OSI Model and Protocols

OSI failed to take over the world

• Bad timing(糟糕的时机)
• Bad technology(糟糕的技术)
• Bad implementations(糟糕的实现)
• Bad politics(糟糕的政策)

A Critique of the TCP/IP Reference Model

Service, interface and protocol not clearly distinguished
Not a very general model
Host-to-network “layer” not really a layer
No mentioning of physical and data link layers
Minor protocols deeply entrenched, hard to replace

• 服务、接口、协议区分不清楚
• 不通用
• 主机到网络层不是常规层的概念，它是个接口
• TCP协议没有区分物理层和数据链路层

Hybrid Model

Reference model commonly used today

Example Networks

• The Internet
• Ethernet
• 3G network
• Wireless LANs: 802.11
• Emerging networks

The Internet

Structure of the traditional telephone system (a)
A proposed distributed switching system (b)

The original ARPANET design

Before the Internet was the ARPANET

• A decentralized, packet-switched network
• December 1969 (a), July 1970 (b), March 1971 (c)
• April 1972 (d), September 1972 (e)

Early Internet used NSFNET (1985-1995) as the backbone
Universities connected to get on the Internet

**Original applications (1970-1990) **

• E-mail
• News
• Remote login
• File transfer

Internet connectivity

Internet Architecture

Modern Internet is more complex

1. ISP networks serve as the Internet backbone
2. ISPs connect or peer to exchange traffic at IXPs
3. Within each network, routers switch packets
4. Between networks, traffic exchange is set by business agreements
5. Customers connect at the edge through many means
6. Cable, DSL, Fiber-to-the-Home, 3G/4G wireless, dialup
7. Data centers concentrate many servers (“the Cloud”)
8. Most traffic is content from data centers (e.g., video)
9. The architecture continues to evolve

Ethernet

Architecture of the original Ethernet

Wireless Networks

Cellular design of mobile phone networks

• 3G network is based on spatial cells
• Each cell provides wireless service to mobile terminals within it via a base station

Base stations connect to the core network to find other mobile terminals and send data to the phone network and the Internet

As mobile nodes move, base stations hand them off from one cell to the next, and the network tracks their location
Before (a) and after (b)

Wireless LANs

Wireless networking with an access point (a)
In 802.11, clients communicate via an AP (Access Point) wired to the rest of the network
Ad hoc network (b)

A multi-cell 802.11 network

The range of a single radio may not cover the entire system
Radio broadcasts may interfere with each other
Radio ranges may partially overlap
CSMA (Carrier Sense Multiple Access) designs are used

Emerging Wireless Networks

RFID used to connect everyday objects
Tags (stickers with not even a battery) are placed on objects
Readers send signals that the tags reflect to communicate

Multi-hop topology of sensor networks
Sensor networks spread small devices over an area
Devices send sensed data to collector via wireless hops

Network Standardization

Who’s who in the telecommunications world
Who’s who in the international standards world
Who’s who in the Internet standards world

• Telecommunications world

  • International Telecommunications Union
    • Main sectors
      • Radio-communications
      • Telecommunications standardization
      • Development
  • Classes of Members
    • National governments
    • Sector members
    • Associate members
    • Regulatory agencies

• International Standards World

  • ISO
    • International Standards Organization
  • ANSI
    • American National Standards Institute
  • NIST
    • National Institute of Standards and Technology

• International Standards World

  • ISO
    • International Standards Organization
  • ANSI
    • American National Standards Institute
  • NIST
    • National Institute of Standards and Technology

Metric Units