计算机网络-计算机网络概述

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#计算机网络 #网络 #学习 #web安全 #安全

计算机网络-计算机网络概述

计算机网络概述

计算机网络在信息时代的作用

由一种通信基础设施发展成为一种重要的信息服务基础设施
成为生活中不可或缺的一部分

因特网概述

网络、互连网(互联网)和因特网

网络：由若干节点和连接这些节点的链路组成

互联网（互连网）：多个网络还可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互联网（互连网）因此互联网是网络的网络

因特网：是世界上最大的互联网络（用户数以亿计，互联的网络数以百万级）。

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因特网发展的三个阶段

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因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)

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基于 ISP 的三层结构的因特网

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因特网的标准化工作

因特网的标准化工作对因特网的发展起到非常重要的作用

因特网在制定其标准上的一个很大的特点是面向公众

因特网所有的RFC(Request For Comments)技术文档都可以从因特网上免费下载 (http://www.ietf.org/rfc.html)；
任何人都可以随时用电子邮件发表对某个文档的意见或建议

因特网协会ISOC是一个国际性组织，它负责对因特网进行全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用

因特网体系结构委员会IAB,负责管理因特网有关协议的开发
因特网工程部IETF 负责研究中短期工程问题，主要针对协议的开发和标准化
因特网研究部IRTF，从事理论方面的研究和开发一些需要长期考虑的问题

制定因特网的正式标准要经过以下 4 个阶段

因特网草案（这个阶段不是RFC文档）
建议标准（从这个阶段开始成为RFC文档）
草案标准
因特网标准

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因特网的组成

边缘部分：由所有连接在因特网上的 主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（数据传送、音频或视频）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)。

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三种交换方式

电路交换（Circuit Switching）

电话交换机接通电话线的方式称为电路交换；

从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按照某种方式动态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（一直占用通行资源）
释放连接（归还通信资源）

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电路交换的缺点：当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低

分组交换（Packet Switching）

分组交换采用存储转发技术

报文：要发送的整块数据
首部（包头）：由必要的控制信息组成
分组（包）：在发送报文前，先把较长的报文划分为一个个更小等长的数据段，加上一些由必要的控制信息组成的首部就构成了一个分组

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报文交换（Message Switching）

报文交换也采用存储转发技术，但对报文没有大小限制，主要用于早期的电报通信。

三种交换方式的对比

计算机网络的定义和分类

计算机网络的定义

计算机网络的精确定义并未统一

计算机网络的最简单定义是：一些互相连接的、自治的计算机的集合。

互连：是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信；
自治：是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用；
集合：是指至少需要两台计算机；

计算机网络的较好定义是：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛和日益增长的应用。

计算机网络所连接的硬件，并不局限于一般的计算机，而是包括了智能手机等智能硬件。
计算机网络并非专门用来传输数据，而是能够支持很多的应用

计算机网络的分类

按交换技术分类

电路交换网络
报文交换网络
分组交换网络

按使用者分类

公用网：指电信公司（国有或私有）出资建造的大型网络，愿意按电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用这种网络。
专用网：是某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务。

按传输介质分类

有线网络
无线网络

按覆盖范围分类

广域网WAN：作用范围通常为几十到几千公里，因而有时也称为远程网。
城域网MAN：作用范围一般是一个城市，可跨越几个街区甚至整个城市，城域网可以为一个或几个单位所拥有，但也可以是一种公用设施，用来将多个局域网进行互连。
局域网LAN：一般用微型计算机或工作站通过高速通信线路相连，但地理上则局限在较小的范围。
个域网PAN：在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络，因此也常称为无线个人区域网

按拓扑结构分类

总线型网络：使用单根传输线将计算机连接起来。建网容易、增减结点方便、节省线路；但重负载的通信效率不高，总线任意一处出现故障，则全网瘫痪。
星型网络：以单独线路与中央设备相连，但成本高。
环型网络：将所有计算机的网络接口连接成一个环。
网状型网络：一般情况下，每个结点至少由两条路径与其他结点相连，多用于广域网中，可靠性高，但控制复杂、线路成本高。

而中央处理机之间的距离非常近，则一般就称之为多处理机系统而不称它为计算机网络。

计算机网络的性能指标

比特：计算机中的数据量的单位，也是信息论中信息量的单位，一个比特就是二进制数字中的一个1或0。

常用的数据量单位

性能指标可以从不同的方面来度量计算机网络的性能

常用的计算机网络的性能指标有以下8个：

速率：连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也称为 比特率 或 数据率

常用速率单位：
带宽：

一条通信线路的 “频带宽度” 越宽，其所传输数据的 “最高数据率” 也越高。
- 在模拟信号系统中的意义：信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围
- 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，因此网络带宽表示在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"
  
  常用单位：b/s （kb/s、Mb/s、Gb/s、Tb/s）
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，吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制。
时延：是指从网络的一端传送到另一端所需要的时间，有时也称为 延迟 或 迟延
- 发送时延（传输时延）：是主机或路由器发送数据帧所需要的时间
  
  发送时延数据帧长度（）发送速率（）
- 传播时延：是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间
  
  传播时延信道长度（）电磁波在信道上的传播速率（）电磁波在自由空间中的传播速率是：电磁波在铜线电缆中的传播速率是：电磁波在光纤中的传播速率是：
- 处理时延：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，处理时延一般忽略不计。
时延带宽积：以比特为单位的链路长度，若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时，发送端就已经发送了时延带宽积个比特。

时延带宽积传播时延带宽
往返时间：在许多情况下，因特网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互，有时很需要知道双向交互一次所需要的时间，因此，往返时间 RTT 也是一个重要的性能指标
利用率

根据排队论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也会迅速增加；因此 信道利用率并非越高越好 。

令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，那么在适当的假定条件下，可以用下面的简单公式来表示D、D0和利用率U之间的关系：

也不能使信道利用率太低，这会白白浪费资源，使用机制，根据情况，动态调整，使信道利用率保持在一个合理的范围。
- 当网络的利用率达到50%时，时延就要加倍。
- 当网络的利用率超过50%时，时延急剧增大。
- 当网络的利用率接近100%时，时延就趋于无穷大。
- 因此，一些有较大主干网的 ISP 通常会控制他们的信道利用率不超过50%，如果超过了，就要准备扩容，增大线路的带宽。
- 信道利用率：用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）
- 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均
丢包率：即分组丢失率，指在一定时间范围内，传输过程中 丢失分组数量与总分组数量的比率。

分组丢失的两个主要原因：
- 分组误码
- 网络拥塞

计算机网络体系机构

常见的计算机网络体系结构

开放系统互连基本参考模型 OSI/RM

TCP/IP 体系结构

五层协议体系结构

计算机网络体系结构分层的必要性

应用层：解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用问题。

运输层：

问题：
- 如何解决进程之间基于网络的通信问题
- 出现传输错误时，如何处理
解决：解决进程之间基于网络的通信问题。

网络层：

问题：
- 如何标识各网络以及网络中的各主机（网络和主机共同编址的问题）
- 路由器如何转发分组，如何进行路由选择
解决：解决分组在多个网络上传输（路由）的问题。

数据链路层：

问题：
- 如何标识网络中的各主机（主机编址问题）
- 如何从信号所表示的一连串比特流中区分出地址和数据
- 如何协调主机争用总线
解决：解决分组在一个网络（或一段链路）上传输的问题。

物理层:

问题：
- 采用怎样的传输媒体（介质）
- 采用怎样的物理接口
- 使用怎样的信号表示比特0和1
解决：解决使用何种信号来传输比特的问题。

计算机网络体系结构分层思想举例

举例：主机的浏览器如何与Web服务器进行通信

解析：主机和Web服务器之间基于网络的通信，实际上是主机中的浏览器应用进程与Web服务器中的Web服务器应用进程之间基于网络的通信

发送方发送：

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应用层按HTTP协议的规定构建一个HTTP请求报文，并交付给运输层处理

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运输层将HTTP请求报文添加一个TCP首部，使之成为TCP报文段，并将TCP报文段交付给网络层处理，TCP报文段的首部格式是区分应用进程以及实现可靠传输。

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网络层给TCP报文段添加一个IP首部，使之成为IP数据报，并将IP数据报交付给数据链路层处理，IP数据报的首部格式作用是使IP数据报可以在互联网传输，也就是被路由器转发。

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数据链路层将IP数据报添加一个首部和尾部，使之成为帧，首部是为了让帧能够在一段链路上或一个网络上传输，能够被相应的主机接受，尾部是让目的主机检查所接受到的帧是否有误码。随后数据链路层将帧交付给物理层。

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物理层先将帧看做是比特流，假设N1是以太网，物理层会给比特流前面添加前导码，前导码的作用是为了让目的主机做好接受帧的准备，随后，物理层将装有前导码的比特流变换成相应的信号发送给传输媒体
信号通过传输媒体到达路由器

路由器转发：

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在路由器中，物理层将信号变为比特流，然后去掉前导码后，交付给数据链路层
数据链路层将帧的首部和尾部去掉后，将其交付给网络层，实际上是交付的IP数据报
网络层解析IP数据报的首部，从中提取目的网络地址

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在路由器中，提取目的网络地址后查找自身路由表，以确定转发端口，便于进行转发
网络层将IP数据报交付给数据链路层
数据链路层给IP数据报添加一个首部和一个尾部使之成为帧
数据链路层将帧交付给物理层
物理层将帧看做成比特流，假设N2为以太网，所以物理层还会给比特流添加前导码
物理层将带有前导码的比特流转换成相应的信号发送给传输媒体
信号通过传输媒体到达Web服务器

接受方接受：

与发送方相反
物理层将信号变换为比特流，然后去掉前导码后成为帧，交付给数据链路层
数据链路层将帧的首部和尾部去掉后成为IP数据报，将其交付给网络层
网络层将IP数据报的首部去掉后成为TCP报文段，将其交付给运输层
运输层将TCP报文段的首部去掉后成为HTTP请求报文，将其交付给应用层
应用层对HTTP请求报文进行解析，然后给主机发回响应报文

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计算机网络体系结构中的专用术语

实体：任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

对等实体：收发双方相同层次中的实体

协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合，协议的三要素：

语法：定义所交换信息的格式
语义：定义收发双方所要完成的操作
同步：定义收发双发的时序关系

服务：在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务。

要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务
协议是 水平的 服务是 垂直的
实体看得见相邻下层所提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议，也就是说，下面的协议对上面的实体协议是透明的。
- 服务访问点：在同一系统中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型。
- 服务原语：上层使用下层所提供的服务必须通过下层交换一些命令。
- 协议数据单元 PDU ：对等层次之间传送的数据包成为该层的协议数据单元。
- 服务数据单元 SDU ：同一系统内，层与层之间交换的数据包成为服务数据单元。