【计算机网络】第一章--计算机网络概述

本系统教程参考自：
教程：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_42146136/category_10581354.html
视频：王道计算机考研 计算机网络_哔哩哔哩_bilibili
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目录

• 1、计算机网络概述
  • 1.1、概念、组成、功能和分类
    • 1)计算机网络概念
    • 2)计算机网络的功能
    • 3)计算机网络的组成
      • a)组成部分
      • b)工作方式
      • c)功能组成
    • 4)计算机网络的分类
      • a)按分布范围分
      • b)按使用者分
      • c)按交换技术分
      • d)按拓扑结构分
      • e)按传输技术分
    • 5)总结
  • 1.2、标准化工作及相关组织
    • 1)标准化工作
    • 2)相关组织
    • 3)总结
  • 1.3、速率相关的性能指标
    • 1)速率
    • 2)带宽
    • 3)吞吐量
  • 1.4、时延、时延带宽积、RTT和利用率
    • 1)时延
    • 2)时延带宽积
    • 3)往返时延RTT
    • 4)利用率
    • 5)总结
• 2、分层结构、协议、接口、服务
  • 2.1、分层结构
    • 1)为什么要分层？
    • 2)怎么分层？
    • 3)认识分层结构
    • 4)概念总结
    • 5)总结
  • 2.2、OSI参考模型(1)
    • 1)ISO/OSI 模型由来
    • 2)ISO/OSI 通信过程
  • 2.3、OSI参考模型(2)
    • 1)应用层 7
    • 2)表示层 6
    • 3)会话层 5
    • 4)传输层 4
      • a)可靠传输、不可靠传输
      • b)差错控制
      • c)流量控制
      • d)复用和分用
    • 5)网络层 3
      • a)路由选择
      • b)流量控制
      • c)差错控制
      • d)拥塞控制
    • 6)数据链接层 2
      • a)成帧
      • b)差错控制
      • c)流量控制
      • d)访问(接入)控制
    • 7)物理层 1
      • a)定义接口特性
      • b)定义传输模式
      • c)定义传输速率
      • d)比特同步
      • e)比特编码
    • 8)总结
  • 2.4、TCP/IP、五层参考模型
    • 1)OSI 与 TCP/IP 参考模型
    • 2)OSI 与 TCP/IP 相同点
    • 3)OSI 与 TCP/IP 不同点
    • 4)五层参考模型
    • 5)五层模型的数据封装与解封装
• 3、总结

1、计算机网络概述

1.1、概念、组成、功能和分类

1)计算机网络概念

• 计算机网络

  是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善软件实现资源共享和信息传递的系统。

• 计算机网络的概念：计算机网络是互连的、自治的计算机集合
  • 互连-互联互通 通信链路
  • 自治-无主从关系

2)计算机网络的功能

• 数据通信：计算机网络最基本最重要功能
• 资源共享：硬件 软件 数据
• 分布式处理 ：多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分，例如Hadoop平台
• 提高可靠性：如果A主机宕机，可以通过替代机通信
• 负载均衡：各计算机之间互相配合

3)计算机网络的组成

a)组成部分

• 硬件、软件、协议(网络协议是网络软件系统中最重要、最核心的部分)

b)工作方式

• 边缘部分：用户直接使用 C/S方式 P2P方式
• 核心部分：为边缘部分服务

c)功能组成

• 通信子网：实现数据通信
• 资源子网：实现资源共享/数据处理

4)计算机网络的分类

a)按分布范围分

• 广域网WAN(交换技术)
• 城域网MAN
• 局域网LAN(广播技术)
• 个人区域网PAN

b)按使用者分

• 公用网(中国电信等)
• 专用网(军队内部网)

c)按交换技术分

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换

d)按拓扑结构分

e)按传输技术分

• 广播式网络(共享公共通信信道)
• 点对点网络(使用分组存储转发和路由选择机制)

5)总结

1.2、标准化工作及相关组织

1)标准化工作

2)相关组织

• 国际标准化组织ISO

  OSI参考模型、HDLC协议

• 国际电信联盟ITU

  制定通信规则

• 国际电气电子工程师协会IEEE

  学术机构、IEEE802 系列标准、5G

• Internet_工程任务组IETF

  负责因特网相关标准的制定RFC XXXX

3)总结

1.3、速率相关的性能指标

1)速率

2)带宽

a)带宽原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(Hz) 。

b)计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。单位是：比特每秒，b/s， kb/s， Mb/s， Gb/s

带宽就是网络设备所支持的最高速度

理解：带宽可以理解为路的宽度，带宽2Mb/s的就是双车道，带宽1Mb/s的就是单车道

3)吞吐量

• 表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量

  单位b/s， kb/s， Mb/s 等

  吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

• 理解

  • 带宽 可以理解为链路的理论传输速率上限
  • 吞吐量 是某时间内链路实际的数据量

1.4、时延、时延带宽积、RTT和利用率

1)时延

• 指数据(报文/分组/比特流)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位是 s

理解：

• 排队时延：排队等待安检所需的时间
• 处理时延：安检所需的时间
• 发送时延(传输时延)：把数据从主机放到信道上所需的时间，比如0101001从1到0全部发送出去所需的时间。
• 传播时延：数据以电磁波为载体传输，在信道上传输所需的时间。其中电磁波传播速度只与介质有关。

2)时延带宽积

3)往返时延RTT

• 从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认(接收方收到数据后立即发送确认)，总共经历的时延
• 终端输入ping命令，再加ip地址或者域名即可查看RTT
• RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。因为RTT越大则等的越久，等的越久则数据越多
• RTT包括：往返传播时延 = 传播时延*2 + 末端处理时间(不包括发送时延，只管传播时延 )

4)利用率

5)总结

2、分层结构、协议、接口、服务

协议：网络软件系统最重要核心

2.1、分层结构

1)为什么要分层？

发送文件前要完成的工作:

(1) 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。

(2) 要告诉网络如何识别目的主机。

(3) 发起通信的计算机要查明目的主机是否开机，并且与网络连接正常。

(4) 发起通信的计算机要弄清楚，对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备工作。

(5) 确保差错和意外可以解决。

为什么分层？

以上问题比较多，要把大问题分成一系列的小问题进行解决。

2)怎么分层？

分层的基本原则

• 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能
• 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
• 结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现
• 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
  • 酒桌中下级向上级敬酒，上级只接受直接下级的敬酒
• 整个分层结构应该能促进标准化工作

3)认识分层结构

• 实体：第n层中的活动元素称为n层实体。同一层的实体叫对等实体

• 协议：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。[水平方向]

  网络协议属于计算机网络软件系统，是网络软件系统中最重要、最核心的部分

  • 语法：规定传输数据的格式
  • 语义：规定所要完成的功能
  • 同步：规定各种操作的条件、时序关系等，即事件实现顺序的详细说明

• 接口(访问服务点SAP) ：上层 使用 下层 服务的入口。[垂直方向]

• 服务：下层为相邻上层 提供的功能调用。[垂直方向]

区别	特性	功能
实体	n 层实体；对等实体	-
协议	同一层 水平方向	对等实体数据交换
接口	垂直方向；单向，上到下(所有下层)	上层 使用 下层 服务的入口
服务	垂直方向；单向，下到上(相邻上层)	下层为相邻上层 提供的功能调用

将第3、4、5层抽出进行分析：

• PCI + SDU = PDU

• SDU 服务数据单元

  为完成用户所要求的功能而应传送的数据

• PCI 协议控制信息

  控制协议操作的信息

• PDU 协议数据单元

  对等层次之间传送的数据单位

  PDU作为下一层的SDU

4)概念总结

• 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。(而不是从物理上的硬件来描述)
• 计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构
• 每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能
• 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
• 第n层在向n+1层提供服务时，此服务不仅包含第n层本身的功能，还包含由下层服务提供的功能
• 仅仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽
• 体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件

5)总结

2.2、OSI参考模型(1)

1) ISO/OSI 模型由来

是为了解决计算机网络复杂的大问题-->分层结构(按功能)

• 目的：支持异构网络系统的互联互通
• 国际标准化组织(ISO) 于1984年提出 开放系统互连(OSI) 参考模型
  • 但是！理论成功，市场失败。不过还是有学习价值的。

2)ISO/OSI 通信过程

2.3、OSI参考模型(2)

1)应用层 7

2)表示层 6

3)会话层 5

建立一个会话不会影响其他窗口的内容，因为会话之间彼此独立互不影响

功能二理解：断点续传

上传小说时，可能在上传到第四章的时候网络中断，当网络恢复时，可以从第四章继续恢复上传，而不需要整个小说重新上传

4)传输层 4

巧记：可差流用

可差的也能留用？？？

a)可靠传输、不可靠传输

• 可靠传输
  • 发送端 在文件很大时就需要 切分 成报文段进行发送，接收端接收后会反馈确认信息给发送端，发送端收到 确认信息 后才能继续发送报文段
  • 这是一个 基于确认机制 的过程
• 不可靠传输
  • 不需要使用确认机制，直接发报文段就行了。比如发消息就是采用不可靠传输

b)差错控制

对于发生的差错进行控制，比如传输报文段顺序错误，丢失等

传输层就负责纠正这些错误

c)流量控制

如果接收端接收能力有限，就需要发送方慢点发送，于是发送方减缓发送速率

d)复用和分用

复用：多个应用层进程可同时使用下面传输层的服务分用：传输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程

每个应用层进程(比如QQ、微信)都会有一个端口号，多个进程可以同时发送(复用)，应用层发送端传输报文段后，接收端根据端口号精准发送给对应的进程(分用，比如QQ的消息就发给QQ)

5)网络层 3

主要任务是 把分组从 源端 传到 目的端，为分组交换网上的不同主机提供通信服务

网络层传输单位是 数据报

数据报 与 分组是 整体 与 部分 的关系

当数据报过长时就可以对数据报进行切割，切割成一个一个小的分组

a)路由选择

选择合适的路由，具体选择哪种方式要看网络情况，选择最佳路径

b)流量控制

协调 发送端 和 接收端 的速率问题(与传输层感觉重复了)

c)差错控制

通信两节点之间约定的规则

d)拥塞控制

若所有节点都来不及接受分组，而要丢弃大量分组的话，网络就处于拥塞状态

因此要采取一定措施，缓解这种拥塞

6)数据链接层 2

主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧

数据链路层/链路层的传输单位是 帧

a)成帧

定义帧的开始和结束： ....1000011101010101.....

数据报组装成帧后会形成一个比较长的比特流序列，对于这样一个比特流需要定义一下 哪是帧的开始，哪是帧的结束。只有这样定义好，我们才可以在接收端收到帧的时候，提取出数据的部分进而提交给网络层。

b)差错控制

帧错 + 位错

如果发现有差错，数据链路层可能丢弃出现差错的帧，因为差错的帧继续在网络上传输会浪费资源

如果要纠错，可以通过可靠的传输协议纠正出现的差错

c)流量控制

协调 发送端 和 接收端 的速率问题，如果接收端的缓存不够用，发送端发过来的数据全都会丢弃掉，就会告诉发送端慢点发，等缓存有空间了再加快速度
功能四：

d)访问(接入)控制

控制对信道的访问

比如在广播式网络中，同一时间只能有一个人在发送信息。所以数据链路层就可以控制大家对于共享信道的访问，专门由它的特殊子层介质访问子层来专门处理控制这个问题。

7)物理层 1

主要任务是在 物理媒体 上实现 比特流 的 透明传输

物理层传输单位是 比特

• 透明传输

  • 指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送

• 物理层称为傻瓜层

  • 因为只需要把 比特流 转换成 电信号 的形式，然后放到链路上进行传输就OK了，不需要对数据进行改动和切割

a)定义接口特性

比如连接电缆的插头应该有多少引脚，每个引脚如何连接

b)定义传输模式

单工、半双工、双工

• 单工：只可以单方向，比如两个人进行通信，同一时间段只可以一个人在发送，且整个时间段不能变成接收端，另一个人只能接收且不能变成发送端
• 半双工：两个人都可以发送或者接收，但是同一时间只能一个人发送另一个人接收(但发送方可以成为接收方，类似对讲机)
• 双工： 两个人可以同发送和接收(类似打电话)

c)定义传输速率

定义发送端的发送速率和传输速率

d)比特同步

发送端发送一个1，接收端就能接收一个1，保证比特的同步

e)比特编码

规定一下用什么样的电压表示1和0

8)总结

2.4、TCP/IP、五层参考模型

1)OSI 与 TCP/IP 参考模型

OSI参考模型先是理论，没有实践。而TCP/IP是由TCP/IP协议栈的实践发展为TCP/IP参考模型理论的

TCP/IP协议栈不是只有TCP和IP，只不过TCP和IP占大头

2)OSI 与 TCP/IP 相同点

• 都分层
• 基于独立的协议栈的概念
• 可以实现异构网络互联

3)OSI 与 TCP/IP 不同点

• OSI定义三点：服务、协议、接口
• OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议
• TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联问题，将IP作为重要层次
• 面向连接分为三个阶段，第一是建立连接，在此阶段，发出一个建立连接的请求。只有在连接成功建立之后，才能开始数据传输，这是第二阶段。接着，当数据传输完毕，必须释放连接。而面向无连接没有这么多阶段，它直接进行数据传输

4)五层参考模型

5)五层模型的数据封装与解封装

3、总结