超详细的计算机网络基础知识总结 第一章:概述

本文基于:王道计算机考研-计算机网络

顺便提一嘴,王道计算机网络的小姐姐声音真滴好听

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最近准备就业,整理一篇计算机网络的笔记,后续会继续更新

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1、计算机网络概念

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1.1 计算机网络的功能

1.数据通信(连通性)| 重点
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2.资源共享| 重点

  • 硬件:打印机
  • 软件:下载
  • 数据资源共享:电子文档

3.分布式处理|非重点

  • 多台计算机各自承担同一任务的不同部分
  • 常见的分布式处理的平台:Hadoop平台

4.提高可靠性

  • 一台主机宕机后,另一台可以迅速成为替代机

5.负载均衡

  • 各计算机之间更亲密

1.3计算机网络的组成

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按照组成部分来分

组成部分:硬件、软件、协议
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按工作方式来分

  • 边缘部分:主机,用户可以直接使用
    • C/S方式
    • P2P方式
  • 核心部分:为边缘部分服务
    • 路由器
    • 大量的网络

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按照功能组成来分||重点

  • 通信子网:实现数据通信
  • 资源子网:实现资源共享/数据处理

1.4计算机网络的分类

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- 按分布范围分

  • 广域网WAN
    • 使用的技术:交换技术
  • 城域网MAN
  • 局域网WAN(一个教室或者一个楼)
    • 使用的技术:广播技术
  • 个人区域网PAN(每个人自己使用的一些电子设备)

- 按照使用者分

  • 公用网
  • 专用网

- 按照交换技术分

  • 电路交换
  • 报文交换
  • 分组交换

- 按照拓扑结构分

  • 总线型
  • 星型
  • 环形
  • 网状型:常用于广域网,因特网使用的便是网状结构

- 按传输技术分

  • 广播式网络:所有的节点主机共享公共通信信道
  • 点对点网络:使用分组存储转发和路由选择机制

1.5知识点总结:脑图时刻

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2.计算机性能指标

2.1速率

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连接在计算机网络上的主机在数字通道上传送数据位数的速率

单位:b/skb/sMb/sGb/sTb/s

存储容量:1Byte(字节)=8bit(比特)

2.2带宽

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  • 带宽原本指某个信号具有的频带宽度,即最高频率最低频率之差,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

带宽和速率不同的是,带宽指的是单位时间内的最高数据率,也可以理解为网络设备所支持的最高速度,是理想状态

举个例子,假如链路带宽=1Mb/s,则代表1s内最多能注入1Mb的数据,假如链路带宽=2Mb/s,则代表1s内最多能注入2Mb的数据

2.3吞吐量

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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/skb/sMb/s

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

举个生活点的例子,假如工厂生产方便面,当火力全开时1s能生产10000包,但是某一天有好多员工请假,只有3个员工在工作,每个员工1s生产100包,那么工厂的速率就是100包/s,带宽就是10000包/s(理论最大值,受各种因素影响),吞吐量则为300包/s(三个员工的总和)

2.4时延

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定义: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

2.5时延的分类

名称 定义 公式
发送时延(传输时延) 从发送分组的第一个比特算起,到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间 数据长度/信道带宽(发送速率)
传播时延 电磁波在信道上传输一定距离所需的时间,它取决于电磁波传播速度和链路长度 信道长度/电磁波在信道上的传播速率
排队时延 等待输出或输入电路所需要的时间
处理时延 在路由器检错,找出口的时间

2.5.1发送时延计算

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假如带宽为10b/s,数据为0101010101,则发送时延=10b/10b/s = 1s

2.5.2传播时延计算

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假设信道长度为100m,电磁波在信道上的传播速率为10m/s,则传播时延=100m/10m/s=10s

排队时延,处理时延

我们举一个生活上的例子来认识排队时延和处理时延

例如,在机场安检,路由器类似于咱们安检的台子,我们排队等待检查的时间就是排队时延,站在台子上接收安检所需的时间就是处理时延,接收完安检,等待行李从传送上下来的时间也是排队时延

补充:高速链路提高了发送速率,提高了带宽,只能减小发送时延,而对其他三个时延没影响

2.6时延带宽积

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时延带宽积=传播时延x带宽
bit s b/s

时延带宽积是描述数据量或者信息量的性能属性

时延带宽积又称以比特为单位的链路长度,可以理解为在某一段链路上存在多少比特数据量,或者说此时此刻的数据容量

2.7往返时延RTT

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RTT定义:从发送发发送数据开始,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
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2.8利用率

利用率分两种

  • 信道利用率
  • 网络利用率

比如一个很大的停车场,里面只停了几辆车,那么这个停车场的利用率是很低的
在这里插入图片描述
如果停车场里面停满了车,停车场的利用率就很高
在这里插入图片描述
在计算机网络中也一样,链路=停车场,车=数据,如果链路上一直有数据在传输,那么利用率就很高

信道利用率 = 有数据通过时间/(有+无)数据通过时间
网络利用率 = 信道利用率加权平均值

时延D与利用率U的关系图
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可以看到利用率接近于1的时候,时延急剧增大
以停车场为例,停车场中全是车,那么当所有车都想开出来就会出现堵车,每辆车都会移动非常缓慢,所以利用率越高反而速率越低

知识点总结:脑图时刻

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3计算机分层结构

3.1发送文件前要完成的工作

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  • 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活
  • 要告诉网络如何识别目的主机
  • 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
  • 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
  • 确保差错和意外可以解决

这些问题对计算机来说也有些繁琐,所以为了方便处理,我们将这些问题分解成几个小问题进行处理,于是便出现了分层

协议是水平方向上的,服务是垂直方向上的

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3.2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

  • 整个分层结构应该能促进标准化工作

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3.3概念总结

  • 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构

  • 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

3.4总结:脑图时刻

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4.计算机分层结构模型

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我们现在用的就是4层TCP/IP参考模型

4.1 OSI参考模型

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7层记忆口诀:物联网淑惠试用(物链网输会示用)

有一个叫淑惠的女人试用互联网

4.2 ISO/OSI参考模型解释通信过程

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每一层对数据是如何操作的:

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名称 英文 描述 作用
应用层 Application Layer 所有能和用户交互产生网络流量的程序 直接与用户进行交互,典型的应用层服务有文件传输(FTP),电子邮件(SMTP),万维网(HTTP)
表示层 Presentation Layer 用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式(语法和语义) 1.数据格式变换:将数据转换成能被接受者接收识别的数据(翻译官)2.数据加密解密3.数据的压缩和解压缩
会话层 Session layer 向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序的传输数据 1.建立、管理、终止会话2.使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信,实现数据同步
传输层 Transport Layer 负责主机中两个进程的通信,即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报 1.负责端到端通信2.负责可靠传输、不可靠传输3.差错控制4.流量控制5.复用分用
网络层 Network Layer 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 1.路由选择2.流量控制3.差错控制4.拥塞控制
数据链路层 Data Link Layer 主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧 1.成帧(定义帧的开始和结束)2.差错控制(帧错+位错)3.流量控制4.访问(接入)控制,控制对信道的访问
物理层 Physical Layer 在物理媒体上实现比特流的透明传输 1.定义接口特性2.定义传输模式3.定义传输速率4.比特同步5.比特编码

4.3各层单独介绍

4.3.1 应用层

  • 描述:所有能和用户交互产生网络流量的程序
  • 作用
    • 直接与用户进行交互
    • 典型的应用层服务有文件传输(FTP)电子邮件(SMTP)万维网(HTTP)

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4.3.2 表示层

  • 用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式(语法和语义)

  • 作用

    • 1.数据格式变换:将数据转换成能被接受者接收识别的数据(翻译官)
    • 2.数据加密解密
    • 3.数据的压缩和解压缩

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4.3.3 会话层

向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序的传输数据

  • 这是会话,也是`建立同步(SYN)
  • 功能
    • 1.建立、管理、终止会话
    • 2.使用校验点可使会话在通信失效时从校验点/同步点继续恢复通信,实现数据同步

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4.3.4 传输层

负责主机中两个进程的通信,即端到端的通信。传输单位是报文段用户数据报,是上四层下三层通讯子网之间的接口

关于端到端通信可以这样记忆,上面四层是大老板,下面三层是打工人,上四层不需要管文件到哪了,他只需要直到文件发给哪个公司,而下三层不仅要知道要去哪,还要知道下一步怎么走,所以下三层是点到点,上四层是端到端的通信

作用

  • 1.可靠传输、不可靠传输

  • 2.差错控制

  • 3.流量控制

  • 4.复用分用

上面的四个作用可以这样记忆:可差留用(可差流用),可差的也能留用?
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4.3.4.1 可靠传输、不可靠传输

可靠传输:

假如有两台主机进行通信,中间有很多路由器构成一个庞大的网络,我们发送一个很大的文件,我们将它切成报文段,一个一个放在链路中进行传输,传输到接受端,对于每一个接收到的报文段,接受端都会返回一个确认,发送端收到确认信息,才能继续向下发送,如果发送端隔了一段时间没收到确认信息,发送端就将再次发送原信息,直到接受端收到全部信息

不可靠传输:

发送端不需要管接受端的确认信号,只管发就完事儿了

4.3.4.1差错控制

对于传输过程中发生的各个差错进行控制,比如报文段失序了,丢失了,差错控制就负责把这些错误改邪归正

4.3.4.2 流量控制

接收方接受能力有限,发送方发送的数据又很长,流量控制就会控制发送方的速度,告诉发送方接收方吃不下了,慢点发,减缓发送速率

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4.3.4.3 复用分用

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

传输层的两大协议

> - TCP
> - UDP

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4.3.5 网络层

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

4.3.5.1 分组和数据报的关系

他们就像父与子的关系,数据报过长的时候,就把数据报进行切割,切割成一个又一个小的分组,再放到链路上进行传递,这样就可以使我们在传输过程中更加的灵活损失也会更小

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4.3.5.2 网络层四大功能

1.路由选择

顾名思义就是选择合适的路由,发送端要发送数据报给接收端,那么他对路由器就有多种选择,具体选择哪种就要看
我们当时的网络情况,通过相应的路由算法来计算,选出一个最佳路径
2.流量控制
上面已经讲过,其实它就是协调发送端和接收端的速度问题,发送端发的太快,接收端接收能力又有限,他就会告诉
发送端慢点发
3.差错控制
通信两节点直接约定的一些规则,比如之后要学习的奇偶校验码,接收方就会根据这个规则,来检查自己收到的分组
有没有错,如果有错就纠错,不能纠错就扔掉
4.拥塞控制
这个和流量控制有区别,流量控制是限制发送方的速度,但是拥塞控制是针对全局,宏观上的判断,针对整体调整速
度

官方解释:

  • 若所有节点都来不及接收分组,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,缓解这种拥阻

4.3.6 数据链路层

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

控制信道访问是专门由数据链路层的特殊子层介质访问子层来处理

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4.3.7 物理层

傻瓜层,因为他的功能相比于其他几个层很简单

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

4.3.7.1 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,比如我们收到了比特流,物理层就是把它们变成电信号的形式进行传送

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总结:脑图时刻

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4.4 TCP/IP参考模型

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OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点

  • 都分层,将一个庞大的计算机网络问题拆分成一个一个小的问题

  • 都是基于独立的协议栈的概念

  • 可以实现异构网络互联

OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点

  • 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设计之初就考虑到易购网互联问题,将IP作为重要层次

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五层参考模型

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五层参考模型的数据封装与解封装

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第一章总结

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