第一章 概述

第一章 计算机网络概述

1.1计算机网络在信息时代中的作用

​ 巴拉巴拉。。。。。。介绍的脑壳疼

记住一些小东西即可

• 三网：电信网络、有线电视网络和计算机网络
• 三网融合：将三种网络的功能融合在一起。
• 互联网两个重要特点：连通性和共享性
  • 连通性：互联网使用户中间可以互相通信
  • 共享性：资源共享（可以是信息共享、软件共享也可以是硬件共享）
  • 分布式处理 多台计算机各自承担同一工作任务的不同任务
  • 提高可靠性 替代机
  • 负载均衡 各计算机之间更亲密

1.2互联网概述

1.2.1概念理解

• 网络（计算机网络简称）：由若干个节点和链接这些节点的链路组成。该节点可以是计算机、集线器、交换机和路由器等

  • 网络把计算机连接在一起，与网络相连的计算机叫做主机

• 互连网（注意：“连”，internet）：有多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。

• 因特网（互连网，Interent）：值当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网，它采用TCP/IP协议族作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。

  • 注意：internet是一个通用名词，指的是互联网；而Internet是一个专用名词，指的是因特网。

1.2.2互联网发展的三个阶段

阶段：

1. 从单个网络向互连网发展的过程---------1969年美国国防部建立的第一个分组交换网。
2. 建成了三级结构的互联网--------主干网、地区网和校园网。
3. 逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网。

​   在之后互联网上流量急剧增长，人们开始研究如何更快的转发分组，以及如何更加有效和更加经济地利用网络资源，于是，IXP就应运而生了。

​   互联网交换点IXP：主要作用是允许两个ISP网络直接相连并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。

1.2.3互联网的标准化工作

所有的互联网标准都是以RFC的形式在互联网上发表的

记住几个部门简称：

• IETF：互联网工程部 负责因特网相关标准的制定 RFC XXXX
• IRTF：互联网研究部
• ISOA：互联网协会
• IAB：互联网体系结构委员会
• 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

制定互联网的正式标准要经过以下三个阶段：

1. 互联网草案
2. 建议标准
3. 互联网标准

1.3互联网的组成：

• 边缘部分：由所有链接再互联网上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用来进行通新（传送数据、音频等）和资源共享。
• 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

1.3.1互联网的边缘部分

​ 端系统（边缘系统的主机）之间的通信方式通常可划分为两大类：客户—服务器方式（C/S/方式）和对等方式（P2P方式）

1. 客户—服务器方式（C/S方式）

   ​ 客户是服务请求方，服务器是服务提供方

   • 服务请求方和服务提供方都需要用到网络核心部分呢提供的服务
   • 客户程序
     • 被用户调用后运行，通信时主动向服务器发起通信（请求服务）。所以，客户程序需要知道服务器程序的地址
     • 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统
   • 服务器程序
     • 是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个原地或本地客户的请求
     • 系统启动后一直不断运行，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。不需要知道客户程序的地址
     • 一般需要有强大的硬件和高级的操作系统支持

   客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收数据。

2. 对等连接方式（P2P方式）

   ![请添加图片描述]

   • 两台主机在通信时，并不区别哪一个是服务请求方和哪一个是服务提供方。只要两个主机都运行了对等连接软件，他们就可以进行平等的对等连接通信

   • 对等连接方式的特点：

     • 对等连接方式从本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又是服务器。

       • 例如主机 C 请求 D 的服务时，C 是客户，D 是服务器。但如果 C 又同时向 F提供服务，那么 C 又同时起着服务器的作用。

     • 对等连接工作方式可支持大量对等用户（如上百万个）同时工作

1.3.2互联网的核心部分

• 交换：就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

• 向网络边缘部分的主机提供连通性服务，其核心部件是实现分组交换的路由器（用来转发分组）

• 路由器：一种专用计算机，但不是主机。后面章节会对其详细介绍

• 报文：我们把发送的整块数据称为一个报文。

• 存储转发：把一个报文划分为几个分组后进行传送。（分组又称为包，如何分组在后面章节进行讨论）

• 电路交换：整个报文的比特流连续的从源点知道终点，好像在一个管道中传送。

• 报文交换：整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点

• 分组交换：单个分组（这只是报文的一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点

1. 电路交换

   

   • 过程：建立连接（占用通信资源）-----> 通话（一直占用通信资源）------>释放连接（归还通信资源）
   • 特点：在通话的全部时间，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。
   • 优点：
     • 通信时延小
     • 有序传输
     • 没有冲突
     • 适用范围广
     • 实时性强
     • 控制简单
   • 缺点：
     • 建立连接时间长
     • 线路独占
     • 灵活性差
     • 难以规格化
   • 电路建立后，除源节点和目的节点外，电路上的任何节点都采取”直通方式“接收数据和发送数据，即不会存在存储转发所消耗的时间

2. 分组交换

• 在发送报文之前，先把较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段，在每一个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部(header)，就构成了一个分组(packet)。分组是在互联网中传送数据的单元。分组中的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在互联网中独立地选择传送路径，并被正确地交付到分组传输的终点。

• 特点：

  • 高效：动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用
  • 灵活：分组独立选择合适的路由
  • 迅速：可以不建立连接就能向其他主机发送数据
  • 可靠：保证可靠的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性
  • 但分组交换会带来一些时延，因为分组在路由器存储转发时需要排队。分组携带的控制信息也造成了一定的开销。

• 优点：

  • 无建立延迟
  • 线路利用率高
  • 简化了存储管理
  • 加速传输
  • 减少了出错概率和重发数据量

• 缺点

  • 存在传输时延
  • 需要传输额外的信息量
  • 可能会出现失序、丢失或重复分组

3. 报文交换

• 数据交换的是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。报文交换在减缓节点采用的是存储转发的传输方式。

  • 优点：

    • 无须建立连接
    • 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

  • 缺点：

    • 由于数据进入交换节点后要经历存储、转发这一过程，因此会引起转发时延（包括接收报文、检验正确性、排队、发送时间等）。
    • 报文交换对报文的大小没有限制，这就要求网络节点需要有较大的缓存空间。

  • 注意：

    • 报文交换只要使用在早期的电报通信网中，现在较小使用，通常被较先进的分组交换方式所取代。

三者比较：

• 数据量很大且传送时间远大于呼叫时间时，电路交换更合适

• 端到端的通路由躲到链路组成是时，采用分组交换较为合适

1.4计算机在我国的发展

1.5计算机网络的类别

1.5.1计算机网络的定义

• 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，有完善功能的软件实现资源共享和信息传递的系统

计算机网络时互连的、自治的计算机集合。

• 互连–互联互通、通信链路
• 资质–无主从关系

1.5.2几种类别不同计算机网络

1. 按照网络的作用范围分类
   1. 广域网WAN：又称远程网，作用范围：几十到几千公里，是互联网的核心部分。用途（跨国，跨省）
   2. 城域网MAN：作用范围一般是一个城市，5到50千米，目前用的是以太网
   3. 局域网LAN：常称为校园网，企业网
   4. 个人区域网PAN：个人使用
2. 按照网络的使用者进行划分
   1. 专用网：例如：军队，电力，铁路
   2. 公用网：例如：电信的网络
3. 用来把用户接入到互联网中的网络
   1. 接入网AN，又称本地接入网，居民接入网，其长度再几百米喝几公里之间，很多接入网属于局域网。

1.6计算机网络的性能

1.6.1计算机网络的性能指标

1速率

• 速率即数据率或称数据传输率或比特率
• 比特 1/0 位
• 连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率
• 单位是b/s、Kb/s、Mb/s、Tb/s

2带宽

• 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）
• 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路中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。网络设备所支持的最高速度。

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。

4时延

• 时延指数据（报文/分组/比特流）从网络（或链路）的一段传送到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位时s。
• 时延包括：
  • 发送时延
  • 传播时延
  • 排队时延
  • 处理时延

5时延带宽积

• 时延带宽积 = 传播时延 X 带宽

​ bit s b/s

• 时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。即“某段链路现在有多少比特。

6往返时延RTT

• 即从发送方发送数据开始，到发送方接收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时延。
• RTT越大，在接受确认之前，可以发送的数据越多
• RTT包括：
  • 往返传播时延 = 传播时延 * 2
  • 末端处理时间

7利用率

• 信道利用率 有数据同时间/（有＋无）数据同时间
• 网络利用率 信道利用率加权平均值

1.6.2计算机网络的非性能指标

• 费用
• 质量
• 标准化
• 可靠性
• 可扩展性和可升级性
• 易于管理和维护

1.7计算机网络体系结构

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，上层单向使用上层提供的服务
  

1. 实体：第n层中的活动元素成为n层实体。同一层的实体叫对等实体。
2. 协议：为进行网络中的对等实体数据交换而简历的规则、标准和约定成为网络协议

​ 语法：规定传输数据的格式

​ 语义：规定所要完成的功能

​ 同步：规定各种操作的集合

​ 3.接口（访问服务点SAP）：上层为相邻下层提供的功能调用（垂直）

SDU服务数据单元：未完成用户所要求的功能而应传送的

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。

概括总结：

• 网络体系结构是从功能上秒速计算机网络结构
• 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/些网络协议已完成本层功能
• 计算机网络体系结构时计网的各层及其协议的集合
• 第n层在想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

第一层：物理层

​   在OSI参考模型中，物理层是参考模型的最低层，也是OSI模型的第一层。物理层的主要功能是：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。物理层的作用是实现相邻计算机节点之间比特流的透明传送，尽可能屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异，使其上面的数据链路层不必考虑网络的具体传输介质是什么。

第二层：数据链路层

​   数据链路层（Data Link Layer）是OSI模型的第二层，负责建立和管理节点间的链路。在计算机网络中由于各种干扰的存在，导致物理链路是不可靠的。因此这一层的主要功能是：在物理层提供的比特流的基础上，通过差错控制、流量控制方法，使有差错的物理线路变为无差错的数据链路，即提供可靠的通过物理介质传输数据的方法。

第三层：网络层

​   网络层（Network Layer）是OSI模型的第三层，它是OSI参考模型中最复杂的一层，也是通信子网的最高一层，它在下两层的基础上向资源子网提供服务。其主要功能是：在数据链路层提供的两个相邻端点之间的数据帧的传送功能上，进一步管理网络中的数据通信，控制数据链路层与传输层之间的信息转发，建立、维持和终止网络的连接，将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到目的端（点到点），从而向传输层提供最基本的端到端的数据传输服务。具体地说，数据链路层的数据在这一层被转换为数据包，然后通过路径选择、分段组合、顺序、进/出路由等控制，将信息从一个网络设备传送到另一个网络设备。数据链路层和网络层的区别为：数据链路层的目的是解决同一网络内节点之间的通信，而网络层主要解决不同子网间的通信

第四层：传输层

​   OSI下3层的任务是数据通信，上3层的任务是数据处理。而传输层（Transport Layer）是OSI模型的第4层。该层提供建立、维护和拆除传输连接的功能，起到承上启下的作用。该层的主要功能是：向用户提供可靠的端到端的差错和流量控制，保证报文的正确传输，同时向高层屏蔽下层数据通信的细节，即向用户透明地传送报文。

第五层：会话层

​   会话层是OSI模型的第5层，是用户应用程序和网络之间的接口，该层的主要功能是：组织和协调两个会话进程之间的通信 ，并对数据交换进行管理。当建立会话时，用户必须提供他们想要连接的远程地址。而这些地址与MAC地址或网络层的逻辑地址不同，它们是为用户专门设计的，更便于用户记忆。域名就是一种网络上使用的远程地址。会话层的具体功能如下：

会话管理：允许用户在两个实体设备之间建立、维持和终止会话，并支持它们之间的数据交换。

会话流量控制：提供会话流量控制和交叉会话功能。

寻址：使用远程地址建立会话连接。

出错控制：从逻辑上讲会话层主要负责数据交换的建立、保持和终止，但实际的工作却是接收来自传输层的数据，并负责纠正错误。

第六层：表示层

​   表示层是OSI模型的第六层，它对来自应用层的命令和数据进行解释，对各种语法赋予相应的含义，并按照一定的格式传送给会话层。该层的主要功能是：处理用户信息的表示问题，如编码、数据格式转换和加密解密等。表示层的具体功能如下：

数据格式处理：协商和建立数据交换的格式，解决各应用程序之间在数据格式表示上的差异。

数据的编码：处理字符集和数字的转换。

压缩和解压缩：为了减少数据的传输量，这一层还负责数据的压缩与恢复。

数据的加密和解密：可以提高网络的安全性。

第七层：应用层
​   应用层是OSI参考模型的最高层，它是计算机用户，以及各种应用程序和网络之间的接口，该层的主要功能是：直接向用户提供服务，完成用户希望在网络上完成的各种工作。它在其他6层工作的基础上，负责完成网络中应用程序与网络操作系统之间的联系，建立与结束使用者之间的联系，并完成网络用户提出的各种网络服务及应用所需的监督、管理和服务等各种协议。此外该层还负责协调各个应用程序间的工作。应用层的具体功能如下：

用户接口：应用层是用户与网络，以及应用程序与网络间的直接接口，使得用户能够与网络进行交互式联系。

实现各种服务：该层具有的各种应用程序可以完成和实现用户请求的各种服务。

OSI七层模型总结

• 应用层：产生网络流量的程序

• 表示层：传输之前是否进行加密或者压缩处理

• 会话层：查看会话，查木马 netstat-n

• 传输层：可靠传输、流量控制、不可靠传输

• 网络层：负责选择最佳路径、规划 IP 地址

• 数据链路层：帧的开始和结束、透明传输、差错校验

• 物理层：接口标准、电器标准、如何更快传输数据

​

​

​