《计算机网络》学习笔记（一）计算机网络概述

 

目录

 

一、计算机网络基本概念

1.计算机网络在信息时代中的作用

2.互联网概述

二、计算机网络结构（互联网的组成）

三、网络核心

1.电路交换

2.分组交换

3.报文交换

4.数据传送的三种交换方式比较

四、计算机网络的类别

1.计算机网络的定义

2.计算机网络的几种分类

五、计算机网络的性能

1.速率

2.带宽（bandwidth）

3.吞吐量（throughput）

4.时延（delay）/ 延迟 / 迟延

5.时延带宽积

6.往返时间RTT

7.利用率

六、计算机网络体系结构

1.计算机网络的体系结构定义

2.分层结构基本概念

3.OSI开放系统互连基本参考模型（分层网络体系结构模型）

4.应用层

5.表示层

6.会话层

7.运输层

8.网络层

9.数据链路层

10.物理层（第0层）

11. TCP/IP 参考模型

12.5层参考模型

13. 5层模型的数据封装

14.数据在各层之间的传递过程（详述）

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一、计算机网络基本概念

计算机网络=通信技术+计算机技术

1.计算机网络在信息时代中的作用

（1）重要特征：（21世纪）数字化、网络化、信息化

（2）三网：电信网络、有线电视网络、计算机网络

（3）基本地位：已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础

（4）核心：计算机网络

2.互联网概述

（1）计算机网络：（网络）由若干结点（计算机、集线器、交换机或路由器）和连接这些结点的链路组成。 /   是互连的（互联互通）、自治的（无主从关系）计算机集合。

（2）网络把许多计算机连接在一起，而互联网把许多网络通过路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机（host）。

（3）什么是Internet？

组成细节角度：

• 全球最大的互联网络：ISP网络互连的“网络之网络”
• 数以百万计的互连的计算设备集合：主机=端系统，运行各种网络应用
• 通信链路：光纤、铜缆、无线电、卫星....
• 分组交换：转发分组（数据包）——路由器（routers）和交换机（switches）

 服务角度：

• 为网络应用提供通信服务的通信基础设施：email、网络游戏、电子商务、社交网络
• 为网络应用提供应用编程接口（API）：支持应用程序“连接”Internet，发送或接受数据。

 

 （4）协议：是计算机网络有序运行的重要保证，规范了网络中所有信息发送和接收过程。

 检验一台计算机的网络协议是否正常：【1】正常情况下【2】异常情况下的应付异常情况

• 网络协议：是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准（本体）或约定。
• 能把所有不利条件全部估计到。

协议三要素：

• 语法：数据与控制信息的结构或格式 ；信号电平。（表象的东西）
• 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
• 时序/同步：时间顺序，速度匹配。

（5）互联网协议标准：

互联网协会 ISOC（Ineternet Society）：对互联网进行全面管理

       - 互联网体系结构委员会 IAB：负责互联网有关协议开发

                -下设两个工程部：

                       - 互联网工程部 IETF（Internet Engineering Task Force）——>  短期、中期+协议的开发和标准化

                       - 互联网研究部 IRTF（Internet Research Task Force）——>   长期+互联网的一些协议、应用、体系结构等

所有的互联网标准以RFC的形式在互联网上发表: Request for Comments

       - 并非所有的RFC文档都是互联网标准的

制定互联网的正式标准要经过三个阶段：

• 互联网草案——有效期6个月
• 建议标准——开始成为RFC文档
• 互联网标准——分到编号

二、计算机网络结构（互联网的组成）

路由选择、分组转发

ISP：Internet Service Provider 互联网服务提供商

ICP：Internet Content Provider 互联网内容提供商

1.网络边缘：主机、网络应用（2）

由所有连接在互联网上的主机组成——用户直接使用

【Definite】：

进程：运行着的程序

“主机A和主机B进行通信” = “主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信” = “计算机之间的通信”=“进程之间的联系”

网络最终解决 ——> “进程之间的联系”

（1）主机（端系统）：

         - 位于“网络边缘”

         - 运行网络应用程序----Web、email

（2）客户/服务器应用模型：

         - 客户发送请求，服务器接收并响应-----Web应用，文件传输FTP应用

         - 服务请求方：客户 + 服务提供方：服务器

客户程序：被用户调用后运行，主动向服务器发起通信（请求服务）。

                  知道服务器程序的地址是必要的。

服务器程序：专门提供某种服务，可同时处理多个远地或本地客户的请求。

                      被动地等待和接收请求。

                      不需要知道客户程序地址。

PS：国外文献中， 运行客户机程序的机器——client

                               运行服务器程序的机器——server

（3）对等应用模型（peer-peer,P2P）

         - 无或者不依赖专用服务器

         - 通信在对等实体之间直接进行

         - eg.QQ 、Skype

2.接入网络，物理介质：有线或无线通信链路

（1）数字用户线路（DSL）：以电话线为传输介质的传输技术

（2）电缆网络

• 频分多路复用：在不同频带（载波）上传输不同频道
• HFC：混合光纤同轴电缆（非对称，下行上行传输速率不同）
• 各家庭设备  ——电缆网络——>  光纤接入ISP路由器

Q：如何将网络边缘接入核心网络（边缘路由器）？

A：接入网络

• 住宅或家庭接入网络
• 机构接入网络（学校、企业等）——端系统通常直接连接以太网交换机（switch）
• 移动接入网络

用户关注：带宽（bps）、共享/独占 

3.网络核心（核心网络）：互联的路由器（或分组转发设备）、网络之网络

互联的路由器（或分组转发设备）——一种专用计算机

（1）互联的路由器网络

（2）关键功能：路由+转发

        -路由（routing）：确定分组从源到目的地的传输路径。/  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。

                                    ——> 路由算法

                                    两个基本动作：确定最佳路径（复杂）+ 通过网络传输信息 / 数据交换

        -转发（forwarding）：将分组从路由器的输入端口交换至正确的输出端口

 

Q：网络核心解决的基本问题——如何实现数据从源主机通过网络核心送达目的主机？

A：数据交换

网络之网络——Internet结构

（1）端系统通过接入ISP连接到Internet

（2）接入ISP必须进一步互连

（3）构成复杂的网络互连的网络

（4）Internet结构目前无人能给出精确描述

互联网交换点 IXP：允许两个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。

三、网络核心

1.电路交换

（1）面向连接（HTTP）——>  具备Acknowledge, 应答机制（有承诺、签字）

（2）交换：按照某种方式动态地分配传输线路的资源

（3）三个阶段：

【1】建立连接（占用通信资源）

【2】通话（总是占用通信资源）

【3】释放连接（归还通信连接）

（4）链路：中间无结点

         通路：链路和

2.分组交换

（1）技术采用：存储转发技术

（2）报文：要发送的整块数据

（3）分组 / 包：首部 / 包头+数据段 = 在互联网中传送的数据单元

（4）互联网核心部分的路由器之间——高速链路相连

         网络边缘的主机接入到核心部分——相对较低速率的链路相连

（5）主机：为用户处理信息

         路由器：将信息转发分组，即分组转发

（6）路由器暂时存储的是一个短分组，不是长报文。并且存储在路由器的存储器中，这就保证了较高的交换速率。

（7）分组交换的优点：

【1】高效：动态分配传输带宽

【2】灵活：以分组为传送单位和查找路由

【3】迅速：不必建立连接就发送分组

【4】可靠：分布式的路由，生存性好；可靠的网络协议；路由选择协议生存性好

（8）时延

3.报文交换

4.数据传送的三种交换方式比较

（1）电路交换：在一个管道中传送

（2）报文交换：整个报文，先到达相邻结点，全存后查找转发表，转发到下一个结点。

（3）分组交换：单个分组，传送到相邻结点，存下查找转发表，转发下一个结点。

报文、分组交换不需要预先分配传输带宽

四、计算机网络的类别

1.计算机网络的定义

多台自治的计算机，借助通信介质连接在一起，以资源共享为目的，遵循相同的网络体系结构与协议而形成的集合体。

2.计算机网络的几种分类

（1）按作用范围

【1】广域网WAN

【2】城域网MAN

【3】局域网LAN  （校园网、企业）

【4】个人区域网PAN / 无线个人区域网WPAN

（2）按使用者

【1】公用网

【2】专用网

（3）用来把用户接入到互联网的网络

接入网AN / 本地接入网或居民接入网

五、计算机网络的性能

性能指标

#注意区分：速率和带宽（单位相同 bit/s）

• 速率：即时速度 —— limit-max/min
• 带宽：最高速率

1.速率

（1）比特（bit）：一个“二进制数字”，因此，一个比特 = 一个二进制数字1或0。

（2）网络技术中的速率/数据率/比特率：数据的传输速率。

（3）额定速率 / 标定速率 （常提到）

2.带宽（bandwidth）

带宽的两个含义：

（1）（本）表示某信道允许通过的信号频带范围 ；      单位：赫

（2）（网络）表示网络中某通道传送数据的能力，在单位时间内网络中某信道所能通过的“最高数据率”。   单位： bit/s

带宽up - 最高数据率up

3.吞吐量（throughput）

表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量

4.时延（delay）/ 延迟 / 迟延

（1）发送时延 / 传输时延 （机器内部）

• 是主机或路由器发送数据帧所需要的时间；数据帧从结点进入传输媒体的时间。
• 分母：数据帧长度
• 

（2）传播时延（机器外部）

• 是电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间。
• 分母：信道长度
• 

举例 —— 更加理解发送时延和传播时延的定义

发送时延 — 发车时间

传播时延 — 行车时间

（3）处理时延

• 主机或路由器收到分组时要花费一定时间去处理

（4）排队时延

• 分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。
• 排队时延长短 ——> 取决于网络当时通信量
• 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延
• 一般来说，小时延网络要优于大时延网络。

（5）对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率，而不是比特在链路上的传播速率。 

5.时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽   （以比特为单位的链路长度）

• 管道的长度 = 链路的传播时延（以时间为单位 ——> 链路长度）
• 只有在代表链路的管道充满比特的时候，链路才得到充分利用。

6.往返时间RTT

• 互联网上的信息包括单向、双向交互传输。
• 往返时间including：中间结点的处理时延、排队时延，转发数据时的发送时延。

7.利用率

（1）信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）

（2）网络利用率：全网络中信道利用率的加权平均值。

（3）信道利用率的 性价比up - up

非性能特征

1.费用 2.质量 3.标准化 4.可靠性 5.可扩展性和可升级性 6.易于管理和维护

六、计算机网络体系结构

Q1：计算机网络体系结构的定义？

Q2：为什么要制定网络体系结构？

Q3：有哪些知名的网络体系结构和现象？

Q4：网络体系结构的内涵和本质？

1.计算机网络的体系结构定义

（1）计算机网络体系结构：计算机网络的各层及其协议的集合

（2）是分层结构

        【1】各层之间独立（层间有接口）

        【2】灵活性好

        【3】结构上可分割开

        【4】易于实现和维护

        【5】能促进标准化工作

（3）从功能上描述计算机网络结构

（4）体系结构是抽象的，而实现（把蓝图实现）是具体的，是真正在运行的计算机硬件和软件。

2.分层结构基本概念

（1）实体(entity)： 表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

（2）协议是“水平”的：控制两个对等实体或两个对等层进行通信的规则的集合。

（3）服务是“垂直”的：任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务。

（4）下层协议的实现对上层的服务用户是透明的。

（5）同系统，相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点 SAP (Service Access Point)交换原语，指定请求的特定服务。

3.OSI开放系统互连基本参考模型（分层网络体系结构模型）

理论成功，市场失败

（1）集合体-互联互通

（2）支持异构网络系统的互联互通

（3）异构网络系统互连的国际标准

（4）7层，分工合作，各执其责

（5）OSI参考模型解释的通信过程

（6）OSI参考模型数据封装与通信过程

Q：为什么要数据封装？

A： 增加控制信息   -   构造协议数据单元 (PDU)

     【1】地址（Address）: 标识发送端/接收端

     【2】差错检测编码（Error-detecting code）: 用于差错检测或纠正

     【3】协议控制（Protocol control）: 实现协议功能的附加信息，如: 优先级（priority）、服务质量（QoS）、 和安全控制等

 

4.应用层

（1）处于体系结构中的最高层

（2）任务：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用 /  解决用户的问题

（3）应用层交互的数据单元：报文

（4）支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）

（5）典型应用层服务：   

- 文件传输（FTP）

- 电子邮件（SMTP） 

- Web（HTTP）

- 域名系统 DNS

5.表示层

任务：处理两个系统间交换信息的语法与语义（syntax and semantics ）问题

6.会话层

（1）任务：建立会话，开启联系。

（2）会话层 —— 最“薄”的一层

（3）在数据流中插入“同步点”  |    同步(synchronization)

在网络数据流中适当的位置插入同步点，当传输出现中断时，可以从同步点的位置开始重新传输。

7.运输层

（1）任务：负责源-目的（端-端） （进程间）完整报文传输

（2）多种应用可以使用同一个运输层服务 —— 分用&复用

复用：多个应用进程可同时使用下面运输层的服务

分用：是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程

（3）分段 & 重组

（4）SAP寻址 ：确保将完整报文提交给正确进程。 一个进程 ——> 一个端口号

（5）连接控制 & 流量控制 & 差错控制

（6）运输层主要使用的2个协议：

【1】传输控制协议TCP：提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输单位：报文段。

【2】用户数据报协议UDP：提供无连接的、尽最大努力的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），单位：用户数据报。

8.网络层

（1）任务：

【1】负责 源主机 ——> 目的主机 数据分组（packet）交付；

把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。

【2】选择合适的路由

使源主机运输层传下来的分组能够通过网络中的路由找到目的主机。

（2）在TCP/IP体系中，使用IP协议，分组 = IP数据报 = 数据报

网络层协议：无连接的网际协议IP + 多种路由选择协议

 网络层 = 网际层 = IP层

（3）无论在哪一层进行传送的数据单元，都可笼统称为：“分组”

（4）互联网是由大量的异构网络通过路由器相互连接起来的。

9.数据链路层

（1）任务：负责结点-结点（node-to-node）数据传输

（2）组帧（Framing）：数据链路层将网络层交下来的IP数据报 组装成帧

——> 再传送“帧”

（3）帧：每一帧包括数据和必要的控制信息（同步信息、地址信息、差错控制...）

（4）流量控制（Flow control）：避免淹没接收端

（5）差错控制（Error control）：检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧

（6）访问(接入)控制（Access control）：决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权

10.物理层（第0层）

（1）所上传的数据单位：比特

1——1 、  0——0

（2）传递信息的介质：物理媒体 

eg.  双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道

（3）TCP / IP

（4）传送比特流应从首部开始传送

11. TCP/IP 参考模型

12.5层参考模型

13. 5层模型的数据封装

14.数据在各层之间的传递过程（详述）

（1）OSI七层通信流程类比图

• 逻辑功能 —— 飞机路线
• 物理实现 —— 开飞机

（2）TCP / IP 实现动画演示

（3）协议数据单元PDU：水平方向，OSI参考模型 ——> 对等层之间传送的数据单位 

（4）服务数据单元SDU：垂直方向，OSI参考模型 ——> 层与层之间传送的数据单位

多个SDU可以合成一个PDU，一个SDU可以划分为多个PDU。

（5）协议栈

（6）报文结构（数据结构）—— 协议不同