计算机网络概览-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/shaopengjie2/article/details/107757304

第一节计算机网络基本概念

1.计算机网络的基本定义

1.计算机网络是利用通信设备与通信链路或通信网络，互连位置不同，功能自治的计算机系统，并遵循一定的规则实现计算机系统之间的信息交换。计算机网络是计算机技术与通信技术两大技术的结合。
2.概括的描述，计算机网络是互连的，自治的计算机的集合。
3.自治是指，互连的计算机系统彼此独立，不存在主从或者控制与被控制的关系。
4.互连是指，利用通信链路连接相互独立的计算机系统。通信链路可以是同轴电缆，双绞线，光纤，微波，通信卫星等。
5.不同通信链路的传输速率也不相同，在计算机中，通信链路的传输速率称为带宽，单位是bit/s，bps,或者b/s,即比特率。
6.目前最大，应用最广泛的计算机网络就是因特网，即Internet。
7.因特网是很多网络互连而形成的全球性网络。
8.连接到Internet上的各种网络连接设备，统称为主机或者端系统
9.各类主机通过有线或者无线的连接方式连接Internet网络服务商网络，进而接入因特网。
10.Internet网络服务商，即ISP.
11.各类端系统借助分组交换设备接入区域级ISP网络，构成局域网，进而再接入国家级ISP网络，国家级ISP网络再与其他国家级ISP网络连接，构成了整个Internet，实现了全球的网络通信。
12.ISP网络由许多无线或者有线的通信链路互连分组交换设备构成。
13.分组交换设备可以实现数据分组的接收与转发，是构成因特网的重要基础。
14.最典型的分组交换设备是路由器和交换机。
在这里插入图片描述

2.协议的定义

15.因特网中互连的端系统，分组交换设备或其他网络设备在进行信息发送，接收或转发时，都需要遵循一定的规则或者约定，即网络协议。
16.网络协议是网络通信实体之间在数据交换过程中需要遵守的规则或约定，是计算机网络有序运行的重要保证。
17.计算机网络进行数据交换时遵守的网络协议不一定是相同的。常见的有HTTP，TCP，IP，ARP等。
18.网络协议约定了实体之间交换信息的信息类型，信息各部分的含义，信息交换顺序以及收到特定信息或出现异常时应采取的行为。
19.协议的三个基本要素：语法，语义，时序。
（1）语法：语法定义了实体之间交换信息的格式与结构，或者实体之间传输信息的电平等。
（2）语义：语义定义了信息交换过程中各部分的含义以及对于不同含义，接收端的响应方式。
（3）时序：时序也称为同步，定义实体之间交换信息的顺序及如何匹配或适应彼此的速度。
在这里插入图片描述

3.计算机网络的功能

20.计算机网络的功能是在不同主机之间实现快速的信息交换
21.通过信息交换，计算机网络可实现“资源共享”这一核心功能。
22.资源共享包括硬件资源共享，软件资源共享和信息资源共享
（1）硬件资源共享：即一台主机上的硬件设备可以被另一台主机使用。典型的是云计算和云存储。
（2）软件资源共享：网络上的主机可以远程访问，使用服务器上的大型软件。SaaS(软件即服务)是目前互联网环境下软件共享的典型形式。
（3）信息资源共享：计算机网络所支持的信息交换就是典型的信息共享形式。在这里插入图片描述

4.计算机网络的分类

23.按覆盖范围分类
（1）个域网，1~10m.典型的代表，蓝牙数据传输
（2）局域网，10m~1km，例如办公室局域网
（3）城域网，5km~50km,覆盖一个城市的网络
（4）广域网，几十到几千千米，可实现异地城域网或局域网的互连
在这里插入图片描述

24.按拓扑结构分类
拓扑结构是指网络中的主机，网络设备之间的物理连接关系与布局。
（1）星型拓扑结构
在这里插入图片描述
星型拓扑结构包括一个中央节点，网络中的主机通过点对点通信链路与中央节点连接。主机之间的信息交换通过中央节点进行。
中央节点通常是集线器，交换机等设备。
星型拓扑结构比较常见于局域网，个域网中。
星型拓扑结构的规模受限于交换设备的端口数量
优点：易于监控，管理。故障诊断与隔离容易
缺点：网络规模受限于交换设备的端口数量
（2）总线型拓扑结构
在这里插入图片描述
总线型拓扑结构网络采用一条广播信道作为公共传输介质，称为总线。所有结点均与总线进行连接。结点间的通信都是通过总线进行。
多个结点同时通过总线发送数据时会产生干扰，导致任何一个结点的数据发送失败。（这一现象称为冲突）。
总线型拓扑结构在早期的局域网中比较多见。
优点：结构简单，所需电缆少，易于扩展。
缺点：通信范围受限，故障诊断与隔离较困难，容易产生冲突。
（3）环形拓扑结构
在这里插入图片描述
环形拓扑结构网络利用通信链路将所有节点连接成一个闭合的环。环中的数据通常是单向传输，也可以是双向。
每个结点可以从环中接收或转发数据。数据会按照特定方向环绕一周，回到发送结点。
如果结点判断数据是发送给自己的，则复制，否则则转发
发送结点需要负责清除其发送的数据。
优点：所需电缆长度短，可以使用光纤，避免冲突。
缺点：某结点的故障容易引起全网瘫痪，新节点的加入或撤出比较麻烦，且存在等待时间。
环形拓扑结构比较常见于早期的局域网，园区网和城域网中。
（4）网状拓扑结构
在这里插入图片描述
网状拓扑结构网络中的结点通过通信链路与其他结点直接连接。
如果网状拓扑结构中的任意一个结点与其他结点均有直接链路连接，则称为完全网状拓扑网络，否则称为非完全网状拓扑网络
优点：网络可靠性高，一条或多条链路故障时，网络仍可以联通。
缺点：造价成本高，结构复杂，选路协议复杂
选路协议：支持路由器封装并发送的网络通信语言。
网状拓扑结构网络多见于广域网，核心网络。
（5）树形拓扑结构
在这里插入图片描述
树形拓扑结构是星型拓扑结构和总线型拓扑结构的扩展。
优点：易于扩展，故障隔离容易。
缺点：对根节点的可靠性要求较高，一旦根节点故障，则网络可能大规模无法通信。
目前很多局域网采用的都是树形拓扑结构。
（6）混合拓扑结构
在这里插入图片描述
混合拓扑结构网络是由两种或两种以上简单拓扑结构网络混合连接而成的网络。
绝大多数实际网络的拓扑结构都是混合拓扑结构，例如因特网。
优点：易于扩展，可以构建不同规模的网络，并可根据需要优选网络。
缺点：网络结构复杂，管理与维护复杂。
25.按交换方式分类
数据交换是指网络通过彼此互连的结点间的数据转接，实现将数据从发送结点送到目的结点的过程和技术。
按照数据交换方式，计算机网络可分为电路交换网络，报文交换网络和分组交换网络。
26.按照用户属性分类
（1）公用网：是指由国家出资建设，面向公众提供收费或免费服务的网络。
（2）私有网：指某个组织出资建设，专门面向该组织内部业务提供网络传输服务，不向公众开放的网络。

第二节计算机网络结构

1.大规模现代计算机网络的结构包括网络边缘，接入网络和网络核心三个部分在这里插入图片描述

1. 网络边缘

连接到网络的所有端系统构成了网络边缘。
2.网络边缘上的端系统运行分布式网络应用，在端系统之间实行数据交换，实现应用目的。
3.简述之，网络边缘为网络用户提供了网络应用。

2.接入网络

接入网络是实现网络边缘的端系统与网络核心连接与接入的网络。
4.常见的接入网络技术
（1）电话拨号接入
电话拨号接入是利用电话网络，通过调制解调器（modem）将数字信号调制到模拟电话线路，通过电话网络的模拟语音信号作为载波传送到远端，再利用调制解调器将数字信号从模拟信号中解调出来。
电话接入早期用于家庭接入
（2）非对称用户数字线路ADSL
电话机连接电话端局（电话端局是指拥有信令点的电话局）的线路称之为用户线路。
ADSL也是利用现有的电话网络的用户线路实现的接入网络。ADSL是目前家庭用户接入网络比较常见的一种方式。
ADSL基于频分多路复用技术实现电话语音通信和数字通信共享一条用户线路，在进行网络通信的同时进行电话语音通信，这是与电话拨号上网的最大差别。
之所以叫非对称，是因为在用户线路上实现的上行带宽比下行带宽小。
上行，即从用户端想网络上传数据。
下行，即从网络向用户端下载数据。
ADSL也主要用于家庭接入网络
ADSL是独享式接入
（3）混合光纤同轴电缆HFC
在这里插入图片描述
混合光纤同轴电缆HFC接入网络，也称为电缆调制解调器接入。是利用有线电视网络实现网络接入的技术。
HFC接入网络的用户端使用电缆调制解调器连接有线电视网的入户同轴电缆，同轴电缆连接到光纤结点，再通过光纤链路电缆调制解调端接系统，进而接入网络。例如因特网。
HFC也基于频分多路复用技术，利用有线电视网络同轴电缆剩余的传输能力实现电视信号传输与网络数据传输的共享。
HFC也是“非对称”的，即上行带宽比下行带宽小。
HFC接入是共享式接入，即连接到同一段同轴电缆的用户共享上行和下行带宽。
HFC是共享式接入
（4）局域网
一个组织在组织范围内建设局域网，连接所有需要接入外部网络的主机，然后通过边缘路由器连接网络核心。
典型的局域网技术包括以太网，Wi-fi等。
（5）移动接入网络
移动接入网络利用移动通信网络，实现智能手机，移动终端等设备的网络接入。
移动接入网络是个人设备接入网络的首选途径。

3.网络核心

网络核心是由通信链路互连的分组交换设备构成的网络，作用是实现网络边缘中主机之间的数据中继与转发。
典型的分组交换设备有路由器和交换机等。
网络核心通过数据交换实现数据的中继与转发。

第三节数据交换技术

1.数据交换的概念

计算机网络的根本目的是在网络边缘的主机之间实现相互的数据传输，信息交换。
主机之间的数据传输通过交换设备构成的“中间网络”实现中继与转发。中间网络不需要关心所传输的数据内容，只是为数据从这个结点到目的结点提供数据的中继与交换功能。因此称为数据交换网络，组成交换网络的结点，称为交换结点。
交换结点和传输介质的集合称通信子网，即网络核心。

数据交换是实现在大规模网络核心上进行数据交换的技术基础。
常见的数据交换技术包括电路交换，报文交换和分组交换。
基于不同的交换技术构建的网络分别称之为电路交换网络，报文交换网络和分组交换网络。

2.电路交换

1.电话网络是最早最大的电路交换网络。
2.利用电路交换进行通信包括建立电路，传输数据和拆除电路三个阶段。
（1）建立电路
数据传输之前，需要先建立一条端对端的电路，建立电路的过程实际就是一个个交换结点的接续过程。
这个电路可能不是通信双方直接连接，而是通过若干个交换结点进行连接。
在这里插入图片描述
电路建立之后两个主机之间的每一段物理链路上都为双方的通信预留了相应的带宽，这个带宽在双方通信期间保持独占。
（2）传输数据
被传输的数据可以是数字数据或模拟数据。数据的传输可以输单工或者双全工。
单工，即数据传输是单向且传输方和接收方是固定的。
双全工，即数据传输是可以在两个方向上同时进行。
（3）拆除电路
数据传输结束后需要释放电路，释放电路可由通信的两个主机之间任意一方发起并完成。
释放信号必须传输到电路的各个结点，以便重新分配资源。
优点：实时性高，时延和时延抖动较小。
缺点：对于突发性数据传输，信道利用率低，传输速率单一。
电路交换主要用于语音和视屏等实时性强的业务。

3.报文交换

在这里插入图片描述

报文交换也叫消息交换。
工作过程：发送方把要发送的消息附加上发送 / 接收主机的地址及其他控制信息，构成一个完整的报文。然后以报文为单位在各结点之间以存储-转发的方式传送，直至送达目的主机。
报文是网络中数据交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了要发送信息的完整数据，其长短不一，长度不限且可变。
一个报文在结点的延迟时间，等于接收报文所需要的时间加上向下一个结点转发所需要的排队时间。
报文只有在被转发时才占用相应的信道。因此，报文交换线路利用率高。
报文交换网络中交换结点需要缓冲存储，报文需要排队，因此到达目的主机的时间变得不固定。
当结点收到的报文较多超出存储空间时就会丢弃报文
上世纪的电报通信，采用的就是基于存储-转发原理的报文交换。

4.分组交换

在这里插入图片描述
分组交换是目前计算机网络广泛采用的技术。
1.分组交换基本原理
分组交换需要将待传输数据(报文)分割成较小的数据块，每个数据块附加上地址、序号等控制信息构成数据分组，每个分组独立的传输到目的地。目的地将收到的分组重新组装，还原为报文。
分组传输过程，通常采用的也是存储-转发的交换方式。
2.分组交换的优点
分组交换与报文交换均采用了存储-转发的交换方式，最主要的区别是是否将报文拆分为更小的分组。
（1）交换设备存储容量要求低
（2）交换速度快：分组可以在不同的链路上进行转发，大大提交了传输速率。
（3）可靠传输率高：一个分组出错只需要重新发送出错的分组，可靠传输率得到提升。
（4）更加公平：不同报文的分组在交换结点上可能交替排队，每个分组通过网络的时间相当。
3.分组长度的确定
（1）分组长度与延迟时间
其他条件相同的情况下，分组长度越长，延迟时间就越长。分组长度太短，报文需要拆分的分组数会增加，从而增加开销。
由此，需要在延迟时间和开销之间进行平衡。
实际的分组交换网络中，分组长度并不总是相同的，通常会规定一个范围，这样既增加了灵活性，又尽可能优化网络。
（2）分组长度与误码率
分组长度(L)=分组头长度(h)+数据长度(x)
即 L=h+x;
分组传输正确概率（P1）=（1- 信道误码率(P2)）的L次方
分组传输错误要求重发的概率为 1-P1

第四节计算机网络性能

1.带宽与速率

1.速率是指网络在单位时间内传输的数据量，用以描述网络传输数据的快慢，也称为数据传输速率或数据速率。
2.计算机网络传输的数据是以位为信息单位的二进制数据，速率的基本单位是bit/s，因此也叫比特率。
3.通常给出的网络速率是指网络的额定速率或标称速率，网络在实际运行时的速率可能并不总能达到额定速率。
4.在计算机网络中，当描述一条链路或信道的数据传输能力时，经常使用**“带宽”**一词表示链路或者信道的最高数据速率，单位也是bit/s。
速率是计算机网络中最重要的性能指标之一。

2.时延

时延是评价计算机网络性能的另一个重要指标，也称为延迟。
1.时延是指数据从网络中的一个结点到另一个结点所需要的时间。
2.计算机网络中，通常将从一个结点到另一个结点的直接链路称之为跳步，简称跳
3.在存储-转发方式的分组交换网络中，只要分析分组在每一跳的时延，就可以求得任意情况下分组从源结点到达目的结点所需要的时延。
4.分组的每一跳中总共有4类时延，分别为结点处理时延，排队时延，传输时延和传播时延。
在这里插入图片描述
（1）结点处理时延
分组到达交换结点时，针对分组进行的校验及确定如何转发等消耗的时间总和，构成了结点处理时延。
（2）排队时延
分组在交换结点进行暂时缓存，排队等待输出链路可用所消耗的时间就是排队时延。
（3）传输时延
分组在输出链路上发送时，从发送第一位开始，到发送完最后一位为止，所用的时间称之为传输时延，也叫发送时延。
传输时延(s)=分组长度(bit) / 链路速率(bit/s)
（4）传播时延
信号从发送端发送出来，经过一定距离的物理链路到达接收端所需要的时间，叫做传播时延。
传播时延(s)=链路长度(m) / 信号传播速度(m/s)
综上所述，一个分组经过一个跳步所需要的时间=结点处理时延+排队时延+传输时延+传播时延
结论：
如果分组从结点A到结点B之间有 n 个交换结点，则需要的跳步数为 n+1
到达目的主机的时间为每一个跳步所需时间之和。

3.时延带宽积

1.一段物理链路上的传播时延与链路带宽的乘积，叫做时延带宽积。
时延带宽积=传播时延*链路带宽
时延带宽积的单位为位，即bit
物理意义：**如果将物理链路看做一个传输数据的管道的话，时延带宽积就表示一段物理链路可以容纳的数据位数。**也称为以位为单位的链路长度。

4.丢包率

丢包率常备用于评价和衡量网络性能，在很大程度上可以反映网络的拥塞程度。
引发网络丢包的主要原因就是网络拥塞。
丢包率=丢失分组总数 / 发送分组总数
丢失分组总数=发送分组总数 - 接受分组总数

5.吞吐量

吞吐量表示在单位时间内源主机向目的主机实际送达的数据量，单位为bit/s
吞吐量经常用于度量网络的实际数据传输能力，即网络实际可以到达的源主机到目的主机的数据传输速率。
吞吐量受网络链路带宽，网络连接复杂性，网络拥塞程度和网络协议的影响。

第五节计算机网络体系结构

1.计算机网络分层体系结构

1.原理：在制定网络协议时经常采用的思路是将复杂的网络通信功能划分为若干协议分别完成，然后将这些功能按照一定的方式组织起来，最终实现网络通信的所有功能。
2.最典型的划分方式就是采用分层的方式来组织协议。
3.分层的核心思想是上一层的功能建立在下一层的功能基础之上，并且在每一层内均瑶遵守一定的协议。
4.计算机网络所划分的层次以及各层次协议的集合称之为计算机网络体系结构

1.OSI参考模型

1.ISO的全称为国际标准化组织。
2.ISO提出了开放系统互联参考模型，即OSI参考模型
3.OSI参考模型采用分层结构化技术，将整个计算机网络的通信功能分为7层。从低到高分别为：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。每一层都有特定的功能，并且上一层利用下一层提供的功能，完成本层的功能。
在这里插入图片描述
4.数据在垂直的层次中自上而下的逐层传递至物理层，在物理层的两个端点进行通信，这种通信称之为实通信。
5.由于对等层不进行直接通信，因而对等层之间的通信称为虚拟通信。
6.PDU是指在分层网络结构中，每一层都会建立的协议数据单元
在这里插入图片描述
7.OSI参考模型的物理层，数据链路层和网络层称之为结点到结点层
8.OSI参考模型的传输层，会话层，表示层和应用层称为端到端层。
（1）物理层
1.物理层的核心功能是在传输介质上实现无结构比特流传输。
2.无结构比特流是指不关心比特流实际代表的内容，只关心如何将0和1这些比特以合适的信号送达目的地。因此物理层要实现信号编码功能。
3.物理层的另一项主要任务是规定数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间接口的相关特性，主要包括机械，电气，功能和规程4个方面的特性。
4.机械特性说明硬件连接接口的机械特点。电气特性规定在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性。功能特性说明物理接口各条信号线的用途。规程特性指明利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序。
5.典型的物理层协议有RS-232c,RS-449等。
（2）数据链路层
1.数据链路层的主要功能是实现在相邻结点之间数据可靠而有效的传输。
2.为了实现有效的差错控制，可以采用以“帧”为单位的数据块传输模式。要采用帧格式传播，就需要帧同步技术。
3.数据链路层的帧同步功能，包括定义帧的格式，类型，成帧的方法等。
4.数据链路层的另一个功能是实现各结点之间的流量控制。
5.数据链路层另一个重要功能是寻址。
（3）网络层
1.网络层的核心问题：如何将分组通过交换网络送达目的主机
2.网络层的主要功能是数据转发与路由选择。
3.一个包括源结点，中继结点，目的结点的集合称之为源结点到目的结点的路径
4.路由选择是网络层要完成的主要功能之一。
5.路由（routing）是指分组从源到目的地时，决定端到端路径的网络范围的进程。
6.网络层也具备寻址功能，典型的如因特网中的IP.
（4）传输层
1.传输层是第一个端到端的层次，也是进程–进程的层次。
2.传输层的功能主要包括复用/分解，端到端的可靠数据传输，连接控制，流量控制和拥塞控制机制等。
（5）会话层
1.会话层是指用户与用户的连接，通过在两台计算机之间建立，管理和终止通信来完成对话。
2.会话层的主要功能：建立会话时核实双方身份，确定支付通信费用，双方在各种选择功能方面取得一致。会话建立后，需要对会话进行管理控制等。
3.在实际的网络中，会话层的功能已经被应用层覆盖，很少单独存在。
（6）表示层
表示层主要用于处理实体之间交换数据的语法，其目的是解决格式和数据表示的差别。从而为应用层提供一个一致的数据格式，使字符，格式等有差异的设备之间相互通信。
（7）应用层
应用层与提供给用户的网络服务有关，这些服务非常丰富，包括文件传送，电子邮件，P2P应用等。
应用层为用户提供了一个使用网络应用的接口

2.OSI参考模型有关术语

OSI参考模型中每一层的真正功能是为上一层提供服务。
1.数据单元
在层的实体之间传送的比特组叫做数据单元。
在对等层之间传送数据单元是按照本层协议进行的，因此这时的数据单元叫做协议数据单元，即PDU
SDU,即服务数据单元
PCI,即协议控制信息
2.服务访问点（SAP）
相邻层间的服务时通过其接口上的服务访问点进行的。N层SAP就是N+1层可以访问N层的地方。
每个SAP都有唯一的地址号码。
3.服务原语
第N层向N+1层提供服务，向N-1层请求提供服务，都是使用一组原语进行描述的。
1.请求-Request:用户实体请求服务做某种工作
2.指示-Indication:用户实体被告知某件事发生
3.响应-Response:用户实体表示对某件事的响应
4.证实-Confirm:用户实体收到关于它的请求答复
在这里插入图片描述

4.面向连接的服务和无连接的服务
1.在分层的体系结构中，下层向上层提供服务通常有两种形式：面向连接的服务和无连接的服务。
2.面向连接的服务以电话系统最为典型。
3.面向连接的服务原理：首先给出地址请求建立连接，然后传输数据，最后数据传输完成，拆除连接。
4.无连接的服务没有建立和拆除连接的过程。无连接的服务信息到达的时间和顺序是不确定的。

3.TCP/IP参考模型

1.OSI参考模型的重要意义在于它是一种计算机网络的理论体系结构。
2.因特网的体系结构是使用TCP/IP参考模型进行描述的。
3.TCP/IP参考模型共4层，且每一层封装的数据包也采用不同的名称。
在这里插入图片描述
（1）应用层
TCP/IP中的应用层合并了OSI参考模型的应用层和表示层。
用户通过应用层来使用各种网络服务，例如文件传输，万维网服务等。
WWW服务的应用层协议为HTTP,
文件传输的协议为FTP
电子邮件的协议为SMTP和POP3.
（2）传输层
传输层协议为运行在不同主机上的进程提供了一种逻辑通信机制。
TCP/IP参考模型的传输层主要包括面向连接，提供可靠数据流传输的传输控制协议TCP和无连接不提供可靠数据传输的用户数据报协议，即TCP和UDP
（3）网络互联层
1.网络互连层是整个TCO/IP参考模型的核心，主要解决把数据分组发往目的主机的问题。
2.在TCP/IP参考模型中，网络互联层的核心协议是IP，负责定义分组的格式和传输。
3.IP是无连接不可靠网络协议，因此，IP分组到达的顺序和发送顺序可能不同，且存在分组丢失现象。
（4）网络接口层
在TCP/IP参考模型中，网络接口层的实现随着网络类型的不同而不同。