计算机网络笔记

计算机网络概述

计算机网络技术是通信技术与计算机技术相结合的产物。

计算机网络是将不同地理位置的、具有独立功能的多个计算机系统，通过各种通信设备和线路连接起来，在网络协议和软件的支持下进行数据通信，实现信息交换和资源共享的系统。

我们每天都会使用计算机网络，使用不同类型的设备去连接计算机网络，比如手机、笔记本电脑或者台式机，现在还有智能手表，智能电视，这些都可以连接计算机网络。不同的设备，连接计算机网络的方式也各不相同，笔记本电脑可以通过WIFI连接路由器从而接入计算机网络，台式机可以通过网线连接路由器从而接入网络，另外我们平时在外面使用手机，都是通过5G通信的技术去连接5G基站从而接入计算机网络。在这些电脑和手机当中我们会安装一些方便易用的软件，比如说百度网盘或者微信，我们可以用百度网盘去共享一些资源等等。

计算机网络：由若干结点和连接这些结点的链路组成。

结点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等。

链路可以是有线链路、无线链路。

互连网：由路由器把两个或者多个计算机网络连接起来的网络称为互联网，路由器也可以和路由器互连，可以使用任意的协议通信。

互联网：覆盖全世界范围的互连网，由ISP（互联网服务提供商：移动、电信、联通等）和国际机构提供。互联网必须使用TCP/IP协议通信。

计算机网络的组成

计算机网络的组成可以根据不同的标准进行分类，主要包括：

1. 按组成部分

• 硬件：包括主机、通信设备、通信链路。主机，即端系统。包括电脑、手机、物联网设备。通信设备。端系统接入计算机网络之后，需要通过通信设备以及通信链路才可以进行数据的传输，典型的通信设备就是路由器。通信链路，连接网络的线路，我们把它称为通信链路如：网线、光纤、同轴电缆。

• 软件

• 协议，用于规定计算机网络中的通信规则。由硬件、软件共同实现，如：网络适配器 + 软件，来实现网络通信协议。

2. 按工作方式

• 边缘部分：直接为用户服务（数据通信、资源共享），由连接到互联网上的主机及其软件组成。
• 核心部分：为边缘部分提供服务（连通性、交换服务），由大量网络与连接这些网络的路由器组成。

3. 按逻辑功能

• 资源子网向用户提供了硬件、软件和信息资源的共享，主要由连接到互联网上的主机组成。
• 通信子网在计算机网络中，负责数据传输和交换。所有的通信设备和通信介质都属于通信子网的范畴，网络适配器这种硬件以及一些底层的网络协议也是为了实现计算机之间的这种信息传输。

计算机网络的分类

计算机网络可以根据不同的标准进行分类，主要包括：

1. 按覆盖范围

局域网（LAN）：覆盖小范围，如办公室或校园或者单位、部门。

广域网（WAN）：覆盖大范围，如城市、国家或全球。

城域网（MAN）：介于局域网和广域网之间，覆盖城市区域。

特性	局域网（LAN）	广域网（WAN）
覆盖范围	小范围，如家庭、办公室、校园。	大范围，如城市、国家甚至全球。
传输速度	高速（一般为100Mbps ~ 10Gbps及以上）。	较慢（一般为几十Mbps到Gbps）。
延迟	低延迟，适合高实时性需求。	高延迟，尤其在跨国通信中更明显。
传输介质	双绞线、电缆、光纤、Wi-Fi等。	光纤、电缆、卫星通信、蜂窝网络等。
网络结构	常为星形、总线、环形拓扑结构。	采用路由器和交换机构建的复杂网络。通常使用网状拓扑结构。
应用场景	办公楼、学校、家庭网络、数据中心等。	互联网、跨国公司网络、云服务等。
典型协议	以太网（Ethernet）、Wi-Fi。	MPLS、PPP、BGP、IP。
安全性	较高，通常只限内部访问。	安全性较低，需要VPN或防火墙保护。
数据交换技术	共享广播	存储转发

2. 按拓扑结构

总线拓扑 (Bus Topology)：所有设备共享一条主干线路，通过分支连接到主干上。布线简单，成本低。总线故障会导致整个网络失效。当设备增加时，容易出现通信冲突，影响性能。负载能力有限。实时性差。存在总线争用问题。广播式传输。

环形拓扑 (Ring Topology)：每个设备与相邻的两个设备连接，形成一个闭合的环路。数据以单一方向传输，减少冲突。任意一个节点故障会导致整个网络中断。网络扩展不灵活。使用令牌解决总线争用问题，只有持有令牌者可以发送消息。广播式传输。

星形拓扑 (Star Topology)：所有设备通过独立的线路连接到一个中央节点（如交换机或路由器）。单个设备故障不会影响整个网络。依赖中央节点，若其故障则网络瘫痪。布线成本高，需要大量电缆。点对点传输。

网状拓扑 (Mesh Topology)：每个设备与网络中的多个设备直接相连。即使某条连接失效，也不会影响通信。布线复杂且成本高。点对点传输。常见于广域网。

树形拓扑 (Tree Topology)：由多个星形拓扑通过总线连接组成，形成类似树的层次结构。易于扩展，适合层级结构的网络（如学校、企业网络）。高层节点的故障可能影响下层所有节点。网络复杂性增加时维护难度加大。

3. 按传输媒介

1. 有线网络：通过物理介质进行数据传输，常见的介质有：

   • 双绞线

   • 同轴电缆

   • 光纤：使用光信号进行数据传输，适用于高速、大规模数据传输。优点：传输速度快、距离远、不受电磁干扰、不受监听。

2. 无线网络（Wireless Network）

   • 通过无线电波、红外线等媒介进行数据传输

4. 按功能

网络类型	定义	优缺点
互联网	全球最大的公共网络，由多个异构网络互联而成。	- 优点：全球互联、资源丰富、开放性高。 - 缺点：安全性低，容易受到攻击。
私有网络	由一个组织或机构独立构建和维护，仅供内部使用的网络。	- 优点：控制权强、安全性高、性能稳定。 - 缺点：需要专门人员维护，扩展和管理成本高。

5. 按传输技术分类

网络类型	定义	优缺点
广播式网络	所有节点共享同一条通信信道，数据包发送后会被所有设备接收，但只有目标节点处理。	- 优点：网络结构简单，易于实现组播和广播通信。 - 缺点：带宽共享，容易产生冲突和拥塞。
点对点网络	每一对通信设备之间通过独立的通信链路进行数据传输，不共享传输介质。	- 优点：通信效率高，适合远距离、高速传输。 - 缺点：成本高，需要大量通信链路。

计算机网络的性能指标

信道：表示向某一方向传送信息的通道。

通信线路：一条通信线路在逻辑上往往对应一条发送信道和一条接收信道。(信道≠通信线路)

1. 速率、带宽、吞吐量 bps

性能指标	描述
**速率 **	也称为数据传输速率，表示每秒钟传输的比特数，单位为 bps（bits per second），即bit/s。速率通常用于衡量链路的传输能力，如 100Mbps、1Gbps 等。（1B = 8b）
带宽	表示通信链路所能提供的最高数据传输能力，单位同样为 bps。宽带决定了链路理论上的最大传输速率。上行带宽是指的上传速率，下行带宽指的下载速率。
**吞吐量 **	实际传输的数据量，通常受限于网络拥塞、协议开销和硬件性能，单位为 bps。吞吐量反映了系统的实际性能。

2. 时延、时延带宽积、往返时延

性能指标	描述
**时延 **	指数据从发送端到达接收端所需的时间，单位为 毫秒（ms），包括发送时延、传播时延、处理时延、排队时延。
时延带宽积	表示网络中同时存在的数据量，为 带宽 × 时延，用于衡量链路的"填充"程度。
**往返时延 **	数据从发送端发送完到接收端再返回发送端所需的时间，单位为 ms。RTT 是 TCP 等协议中重要的性能指标。

发送时延：又名传输时延，节点将数据推向信道所花的时间。

传播时延：电磁波在伟道中传播一定的距离所花的时间。

处理时延：被路由器处理所花的时间 (如:分析首部、查找存储转发表)。

排队时延：数据排队进入、排队发出路由器所花的时间。

3. 信道利用率

表示信道中实际用于传输数据的时间与总可用时间的比值。信道利用率越高，说明链路资源的使用越有效。过高的信道利用率可能导致网络拥塞和延迟增大。

标准化工作及相关组织

计算机网络的体系结构

协议、接口、服务

网络的体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合，就是这个计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义(不涉及实现)。

实现是遵循这种体系结构的前提下，用何种硬件或软件完成这些功能的问题。

体系结构是抽象的，而实现则是具体的。

协议规定的是水平的，服务是垂直的关系。

协议数据单元(PDU)：对等层次之间传送的数据单位。

• 服务数据单元(SDU)：为完成上一层实体所要求的功能而传送的数据。
• 协议控制信息(PCI)：控制协议操作的信息。

协议由三部分组成：语法、语义、同步

• 语法：数据与控制信息的格式。
• 语义：需要发出何种控制信息、完成何种动作及做出何种应答。例如，协议中需要明确规定:发送方完数据后，接收方是否需要“应答”，以及应答的种类有哪些。
• 同步：执行各种操做的条件、时序关系等。例如，发送方发完数据后，接收方需要立即应答。如果发送方在10秒内未收到“传输成功”应答，则发送方会再次发送数据。

OSI模型

OSI全称开放式系统互联参考模型。

层次	功能	单位	协议	设备
应用层	为应用程序提供网络服务		HTTP， FTP， SMTP， DNS
表示层	数据格式转换、加密解密		SSL， TLS， JPEG， MPEG
会话层	建立、管理和终止会话、断点续传		NetBIOS， RPC
传输层	复用和分用、实现端到端的通信差错控制、流量控制、连接的建立与释放、可靠传输管理（针对报文段）	报文段	TCP， UDP， HTTPS
网络层	路由选择、分组转发、拥塞控制、网际互联、差错控制、流量控制、连接的建立与释放、可靠传输管理（针对数据报）	数据报	IP， ICMP， OSPF	路由器
数据链路层	差错控制（针对帧）、流量控制	帧	Ethernet， PPP， HDLC	网桥、交换机
物理层	定义物理媒介接口的参数，实现比特流传输	比特		网线、光纤、中继器、集线器

OSI网络层