计算机网络第一章【xmind导出版】

http://我用夸克网盘分享了「计算机网络第四章.xmind」，点击链接即可保存。打开「夸克APP」在线查看，支持多种文档格式转换。 链接：https://pan.quark.cn/s/924f7caea5b4 提取码：Kt8Q

【注意：滑动窗口存在记录问题，需要自己听课解决问题】

计算机网络体系结构

因特网概述

• *网络、互联网和因特网

  • 网络由若干结点和连接这些结点的链路组成

    • 链路可以是有线也可以是无线

    • 通过交换机

    •  

  • 因特网是最大的互联网

    •  

  • 多个网络可以通过路由器连接构成互联网【互连网】

    •  

    • 互联网是网络的网络

  • internet与Internet

    • internet是泛指，泛指多个计算机网络互联而成的网络，网络之间的协议可以是任意的。

    • Internet是专用名词，是采用TCP/IP协议族作为通信规则，最早是阿帕网（ARPANET）

• 因特网发展的三个阶段

  • 单个网络ARPNET向互联网发展

    • 1983因特网诞生，TCP/IP成为阿帕网的标准协议

  • 逐步建成三级结构的因特网

    • NSFNET

      • 主干网

      • 地区网

      • 校园网

  • 逐步形成ISP结构的因特网【删】

    • 因特网用户需通过IP进行通信

    • 某个用户能够接入因特网，则可以成为一个ISP

    • 指定因特网草案的四个步骤

      • 因特网草案

        • 非RFC文档【开源】

      • 建议标准

        • 成为RFC

      • 草案标准

      • 因特网标准

• *因特网组成

  • 功能

    • 边缘部分

      • 由所有连接因特网的主机组成，用户直接使用，可以用来通信和资源共享

      • 主机：主机，电脑，手机，物联网智能硬件等

    • 核心部分

      • 大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务【连通性和交换】

      • 路由器是专用计算机，并非主机

• 计算机网络的分类

  • 按分布范围分类

    • 广域网WAN

      • 几十-几千千米

    • 城域网MAN

      • 5~50千米

    • 局域网LAN

      • 几十米~几千米

    • 个人局域网PAN

  • 按传输技术分类

    • 广播式网络

      • 局域网基本上都采用广播式通信技术，广域网中的无线、卫星通信网络也采用广播式网络哦

    • 点对点网络

      • 主机之间没有直接连接的线路，则它们之间的分组传输就要通过中间节点的存储和转发，直至目的结点

  • 常用拓扑结构

    • 总线形

    • 星形

    • 环形

    • 树形

    • 网状

  • 使用者分类

    • 公用网

    • 专用网

交换的三种方式

• 电路交换

  • 没有电话交换机：n部电话相连需要【n(n-1) / 2】对电线

  • 从通信资源的分配角度来看，交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源

  • 电路交换的三个步骤

    • 建立连接【分配通信资源】

    • 通话【一直占用通信资源】

    • 释放连接【归还通信资源】

  • 使用电路传输计算机数据时，其线路传输效率往往很低

    • 计算机数据是【突发式】的传输

    • 计算机网络的数据通常使用分组交换

• 分组交换

  • 分组交换机：路由器

  • 数据传输过程

    • 将整个消息称为报文，将报文分成等长数据段

    • 在数据段首部和尾部增加必要的控制信息【包装】，构成分组【即包】

      • 首部：包含了分组的目的地址和初始地址，否则各路由器不知道如何转发

    • 分组交换机接收到分组后，将分组暂时存储，检查分组的首部，按照目的地址查表转发，找到合适的转发接口，通过该接口将分组转发给下一个分组交换机。

    • 目的主机收到后，去掉数据段的首部和尾部，将各个数据段组合还原出原始报文

  • 存在问题：分组乱序【分组到达目的地址的顺序可能不同】，路径不同，数据重复，数据冲突，数据丢失等

  • 各角色任务

    • 发送方任务

      • 构造分组

      • 发送分组

    • 分组交换机任务

      • 转发分组

      • 缓存分组

    • 接收方任务

      • 接收分组

      • 还原报文

• 报文交换

  • 报文交换要求转存结点有较大的缓存结点

• 对比

  •  

  • 电路交换

    • 建立连接后比特流直达

    • 优点

      • 通信时延小

      • 有序传输

      • 没有冲突

      • 使用范围广

        • 传输模拟信号

          • 模拟信号在图像上是连续的光滑曲线

        • 传输数字信号

          • 数字信号在图像上是不光滑的横平竖直的曲线

      • 实时性强

      • 控制简单

    • 缺点

      • 建立连接时间长

      • 线路独占，使用效率低

      • 灵活性差

      • 难以规格化

  • 报文交换

    • 交换机之间需要存储转发，由于不限制报文大小，故各个交换机结点需要有很大的缓存空间

    • 优点

      • 无需建立连接

      • 动态分配线路

      • 提高线路可靠性

      • 提高线路利用率

      • 提供多目标服务

        • 一个报文可以提供给多个目的地址

    • 缺点

      • 引起转发时延

      • 需要较大的存储转发空间

      • 需要传输额外的信息量

        • 目标地址、源地址等

  • 分组交换

    • 分组在交换机之间存储转发，但限制分组数据段的大小，可以避免报文长时间占用链路，同时有利于进行差错控制。

    • 优点

      • 无需建立连接

      • 线路利用率高

      • 简化了存储管理

      • 加速传输

        • 分组的存储和转发可以同时进行

      • 减少出错概率和重发数据量

        • 提高可靠性

        • 减少传输时延

    • 缺点

      • 引起转发时延

      • 需要传输额外的信息量

        • 每个数据段都要额外的控制信息

      • 对于数据报服务，存在失序、丢失或重复分组问题；对于虚电路服务，存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

        • 虚电路服务TCP/IP

          • 形同电路交换，建立可靠的连接

        • 数据包服务UDP

计算机网络的性能指标

常用指标

• 速率

  • 比特(bit)

    • 数据量中的基本单位

    • 数据量的常用单位字节字节（Byte，B）、千字节、兆字节、吉字节以及太字节

  • 1B = 8bit

    • bit是位，1bit=1位

  • 1KB = 2^10 B

  • 1kb = 1000 b

  • 速率是数据的传输速率（每秒传输多少比特bit），也称为数据率或比特率

  • 基本单位：比特/秒

    • bit/s

    • b/s

    • bps

    • kb/s

    • ...

  • ex1：有一个待发完的数据块，大小为100MB，网卡的发送速率为100Mbps，则网卡发送完该数据块所需时间？

    •  

• 带宽

  • 定义

    • 带宽在模拟信号系统中的意义：某个信号所包含各种不同频率成分所占据的频率范围，单位hz

    • 带宽在计算机网络中的意义：用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，即在单位时间内从网络的某一结点到另一节点所能通过的最高数据率。单位b/s

  • 注意速率匹配

    • 数据传输速率=min(主机接口速率，线路带宽，交换机或路由器的接口速率)

    • 例：

      •  

• 吞吐量

  • 吞吐量是指在单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量。吞吐量常被用于对实际网络的测量，以便获知到底有多少数据量通过了网络。

  • 吞吐量受网络带宽的限制。

  • 例

    •  

• 时延

  • 时延是指数据从网络的一端传送到另一端所耗费的时间，也称为延迟或迟延。数据可由一个或多个分组、甚至是一个比特构成。

  • 时延＝传输时延（发送时延）+ 传播时延 + 排队时延 + 处理时延【排队时延和处理时延一般不纳入计算】

    • 传输时延=分组长度(b) / 发送速率(b/s)

      • 发送速率 = min(线路带宽，主机接口速率，交换机或路由器的接口速率)

      • 一般情况下，发送时延＝数据长度/带宽

    • 传播时延 = 信道长度(m) / 信道传播速率(m/s)

      • 自由空间：3.0 * 10^8 m/s

      • 铜线: 2.3 * 10^8 m/s

      • 光纤: 2.0 * 10^8 m/s

    • 排队时延：取决于当前线路的网络的通信量和路由器的性能。当通信量过大导致路由器的转发队列溢出导致数据丢失时，排队时延变为无穷大。

    • 处理时延：对分组的首部进行查看、检查、处理首部，例如生存时间等的一系列操作称为处理时延。

  • 从边缘到核心，从核心再到核心，每一段结点与结点之间的链路都会产生时延

    • 图解1（1个分组）

    • 图解2（连续发送3个分组，未画出排队时延和处理时延）

    • 图解3（连续发送3个分组，未画出排队时延和处理时延）

    • 不考虑排队时延和处理时延的情况下，假设链路等长，分组等长，发送速率不变，主机和路由器发送速率相等，源主机通过n个路由器转发，给目的主机发送m个分组的总时延计算公式：

      • (m + n) * 传输时延 + (n + 1) * 传播时延

    • 例题

      •  

      • 答案：C

      • 题解：由RIP选择最短路径后，分组数：980 000 / 980 = 1000个，则有发送时延：( 1000 + 2 ) * 1000 * 8 / 100Mbps，由于不考虑分组拆装时间和传播时延，故仅需计算发送时延

    • 发送时延和传播时延谁占主导？

      • 答：具体问题具体分析

• 时延带宽积

  • 时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

    • 类似于求一某单位长度的管道的容积

    • 表示这一链路可以容纳的比特数量

  • 意义：

    • 例：主机A与B之间采用光纤链路，链路长1km，链路带宽1Gb/s，请计算该链路的时延带宽积。答案：5000bit

    • 光纤链路长1km，则信号传播时延长5微秒

    • 链路的时延带宽积也称为“以比特为单位的链路长度”，对理解以太网的最短帧长有帮助。

  • 传播时延最大的链路

    • 卫星链路

• 往返时间

  • RTT（Round-Trip Time）是指从发送端发送数据分组开始，到发送端接收到接收端发送来的相应确认分组为止，共计耗费的时间。

  • RTT = 发送数据包的时间 + 处理时间 + 返回确认的时间

• 利用率

  • 分类

    • 链路利用率

      • 某条链路有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）

      • 完全空闲的链路的利用率为0

    • 网络利用率

      • 网络中所有链路利用率的加权平均

  • 当某链路的利用率增大时，该链路引起的时延就会增加【简单直观：排队时延】

  • 关系式

    • U越高D越高

    • 图

  • ISP建议不超过50%，超过则需要扩容

  • 动态调整通信量

• 丢包率

  • 在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量和总分组的比率

  • 分类

    • 接口丢包率

    • 节点丢包率

    • 链路丢包率

    • 路径丢包率

    • 网络丢包率

  • 造成丢包的情况

    • 传输过程中误码，被传输路径中的节点交换机（如路由器）或目的主机检测出误码，丢弃分组

    • 交换机的缓存表溢出，丢弃分组

      • 交换机节点的丢弃策略

    • ……

  • 丢包率反应网络的拥塞情况

    • 无拥塞时0%

    • 轻度1%-4%

    • 严重5%-15%

计算机网络体系结构

常见的三层计算机网络体系结构

• OSI参考模型

  • 应用层

  • 表示层

  • 会话层

  • 运输层

  • 网络层

  • 数据链路层

  • 物理层

• TCP/IP参考模型

  • 应用层

    • HTTP

    • SMTP

    • DNS

    • RTP

    • ……

  • 运输层

    • TCP

    • UDP

  • 网际层

    • IP

  • 网络接口层

    • 以太网接口

    • Wi-Fi

    • ……

    • 接口n

• 原理参考模型

  • 应用层

  • 运输层

  • 网络层

  • 数据链路层

  • 物理层

•  

TCP/IP参考模型与OSI参考模型对应关系

• 应用层

  • 表示层

  • 会话层

• 运输层

  • 运输层

• 网际层

  • 网络层

• 网络接口层

  • 数据链路层

  • 物理层

路由器（一般情况下）网络体系结构

• 网际层

• 网络接口层

计算机网络分层的必要性

• 考虑的问题1

  • 采用的传输媒体（介质）

  • 采用的物理接口

  • 使用什么信号表示0和1

• 考虑的问题2

  • 标识网络中的各主机（主机编址，如网卡中的MAC地址）

  • 从比特流中区分出地址和数据（数据封装格式）

  • 协调各主机争用总线（媒体接入控制）

  • 以太网交换机的实现（自学习和转发帧）

  • 检测数据是否误码（差错检测）

  • 出现传输差错如何处理（可靠传输和不可靠传输）

  • 接收方控制发送方注入网络的数据量（流量控制）

• 考虑的问题3

  • 标识网络和网络中的各主机（网络和主机共同编址，例如IP地址，IP =网络号+主机号）

  • 路由器转发分组（路由选择协议、路由表和转发表）

• 考虑的问题4

  • 进程之间基于网络的通信（进程的表示，例如端口号）

  • 出现传输差错如何处理（可靠传输和不可靠传输）

• 考虑的问题5

  • 通过应用进程的交互来完成特定的网络应用

  • 进行会话管理和数据表示

• 例题

  •  

    • B

    • 应用层相邻层是表示层，表示层的作用之一就是数据的解密、解压、处理媒体文件和数据格式化转化

  •  

    • C

    • 会话层的作用是会话管理

  •  

    • 传输层相邻的下一层【实际题意是上一层】是网际层，对应OSI的网络层，其拥有路由选择、转发控制【路由表和转发表】、标识各个网络中的不同主机IP

计算机网络的分层处理方法

• 报文需要在经过包装后才能被发送

  • 例如HTTP请求

    • HTTP

    • HTTP + TCP头

    • HTTP + TCP + IP头

      • 网络层

    • ETH + HTTP + TCP + IP头 + ETH

    • 转换为电信号发送

• 例题

  •  

    • A

    • OSI为七层模型，400 / （400 + 20 * 5）= 80%

计算机网络的专业术语

• 实体

  • 实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

  • 对等实体是指通信双方相同层次中的实体

  • 思考

    • 对于通信双方的网卡是否互为对等实体

    • 通信双方应用层的浏览器进程和Web服务器进程是否互为对等实体

• 协议

  • 协议：是控制两个对等实体在“水平方向”进行“逻辑通信”的规则的集合

  • 协议是水平的

  • 协议的三要素

    • 语法

      • 定义所交换信息的格式

    • 语意

      • 定义通信双方所需完成的操作

      • 例如：三次握手

    • 同步

      • 定义通信双方的时序关系

      • 例如：C.S模式在通信时的时序

• 服务

  • 服务：在协议的控制下，两个对等的实体在水平方向的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务

  • 服务是垂直的，且为上层提供服务

    • 例如，网络层在服务的控制下，向运输层提供服务

• 实体看得见下层提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。下层的协议对上层的实体是”透明“的。

  • 例如：享受手机提供的所有服务，但是不知道手机应用是如何实现的。

• 在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口称为服务访问点SAP，它被用于区分不同的服务类型。

  • 帧的”类型“字段

  • IP数据报的”协议“字段

  • TCP报文段或UDP用户数据报的”端口号“字段都是SAP

• 上层要使用下层使用的服务，必须通过下层交换一些命令，这些命令称为服务原语。

• 对等层次之间传送的数据包称为该层的协议数据单元，PDU

  • 应用层

    • 应用报文

  • 运输层

    • TCP报文段或UDP用户数据报

  • 网络层

    • IP数据包或分组

  • 数据链路层

    • 帧

  • 物理层

    • 比特流

• 同一系统内层与层之间交换的数据包称为服务数据单元SDU

•  

• 例

  •  

    • C

  •  

    • C

    • 仅给出时序，未给出格式和应该做的事情

进程之间基于网络的通信

单个网络