《王道计算机考研》：计算机网络概念、组成、功能、分类

计算机网络的概念、组成、功能和分类

笔记源自王道视频

• 计算机网络概念组成功能分类
• 物理层
• 数据链路层
• 网络层
• 传输层
• 应用层

概念

• 一般认为，计算机网络是一个将分散的(地理位置不同的)、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备(路由等)与线路(光纤等)连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。
• 计算机网络是一些互联的、自治的计算机系统的集合

组成

1）从组成部分来看

• 一个完整的计算机网络主要由硬件、软件和协议三大部分组成，缺一不可。
• 硬件主要由主机(也称端系统)，通信链路(如双绞线、光纤)、交换设备(如路由、交换机等)和通信处理机(如网卡)等组成
• 软件主要包括各种实现资源共享的软件和方便用户使用的各种工具软件(如网络操作系统、邮件收发程序、FTP程序、聊天程序等)。
• 协议是计算机网络的核心，协议规定了网络传输数据时所遵循的规范。就如同我们现实生活中的法律一样，网络世界也必须遵循一定的规则。

（2）从工作方式来看

• 计算机网络(主要指Internet)可分为边缘部分和核心部分。
• 边缘部分由所有连接到因特网上、供用户直接使用的主机组成，用来进行通信(如传输数据、音频或视频)和资源共享
• 核心部分由大量的网络和连接这些网络的路由器组成，它为边缘部分提供连通性和交换服务。

3）从功能组成来看

• 计算机网络由通信子网和资源子网组成
• 通信子网由各种传输介质、通信设备和相应的网络协议组成，它使网络具有数据传输、交换、控制和存储的能力，实现计算机之间的数据通信
• 资源子网是实现资源共享功能的设备及其软件的集合，向网络用户提供共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源的服务

计算机网络的功能

（1）数据通信

• 数据通信是计算机网络最基本和最重要的功能，实现联网计算机之间的各种信息传输，并将分散在不同地理位置的计算机联系起来，进行统一的调配、控制和管理

2）资源共享

• 资源共享可以是软件共享、数据共享和硬件共享
• 计算机网络中的资源互通有无，分工协作，从而极大地提高硬件资源、软件资源和数据资源的利用率

（3）分布式处理

• 当计算机网络中的某个计算机系统负荷过重时，可以将其处理的某个复杂任务分配给网络中的其它计算机系统，让它帮你处理，从而利用空闲计算机资源以提高整个系统的利用率

（4）提高可靠性

• 计算机网络中的各台计算机可以通过网络互为替代机，当一台计算机崩了，可以让另一台计算机来完成它的工作

（5）负载均衡

• 将工作任务均衡的分配给计算机网络中的各台计算机

（6）其它

• 计算机网络还可以实现电子化办公与服务、远程教育、娱乐等功能

5.计算机网络的分类

（1）按分布范围分

• 

• 广域网（WAN）。也称远程网。关于网提供长距离通信，通常是几十千米到几千千米的区域，比如跨国通信。连接关于网的各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信容量。

• 城域网（MAN）。覆盖范围跨越几个街区甚至整个城市，覆盖范围约5~50km，城域网大多采用以太网技术，因此有时也常并入局域网的范围进行讨论。

• 局域网（LAN）。范围几十米到几千米的区域。一般用微机或工作站通过高速线路相连。传统上，局域网使用广播技术，而广域网使用交换技术。

• 个人区域网（PAN）。覆盖范围大约十米左右。指在个人工作的地方将消费电子设备（如平板电脑、智能手机等）用无线技术连接起来的网络，也常称为无线个人区域网（WPAN）

（2）按传输技术分类

• 广播式网络。所有联网计算机都共享一个公共通信信道。当一台计算机利用共享通信信道发送报文分组时，所有其他计算机都会收听到这个分组。接受到该分组的计算机将通过检查目的地之来决定是否接受该分组。
• 点对点网络。每条物理线路连接一对计算机。

（3）按拓扑结构分类

• 网络拓扑结构是指网络总的结点（路由器、主机等）于通信线路（网线）之间的几何关系（如总线形、环形）表示的网路结构，主要指通信子网的拓扑结构。
• 分为四类：总线形、星形、环形、网状形
• 总线形：用单根传输线把计算机连接起来
• 星形：每个终端或计算机都以单独的线路和中央设备相连
• 环形：所有计算机接口设备连接成一个环
• 网状形：一般情况下，每个结点至少有两条路径与其他结点相连，多用于广域网

（4）按使用者分类

• 公用网（Public Network）。也称公众网。指电信公司出资建造的大型网络。

• 专用网（Private Network）。指某个部门为满足本单位特殊业务需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外人提供服务。如铁路、典礼、军队等部门专用网络。

（5）按交换技术分类

• 电路交换网络。在源结点和目的结点之间建立起一条专用的通路用于传输数据，包括建立连接（占用通信资源）、传输数据（一直占用通信资源）和断开连接（释放通信资源）三个阶段。最典型的电路交换网是传统电话网络。该类网络的特点是整个报文的比特流连续的从源点直达终点，好像在一条管道中传送。
• 报文交换网络。也称存储-转发网络。用户数据加上源地址、目的地址、校验码等辅助信息，然后封装成报文、这个报文传送到相邻结点，全部存储后，再转发给下一个结点，重复这一过程直到到达目的结点，每个报文可以单独选择到达目的结点的路径。
• 分组交换网络。也称包交换网络。其原理是将数据分成较短的固定长度的数据块，在每个数据块中加上目的地址、源地址等辅助信息组成分组（包），以储存-转发方式传输
• 三种交换的比较。

6）按传输介质分类

• 传输介质可分为有线和无线两大类
• 有线网络可分为双绞线网络、同轴电缆网络等
• 无线网络可分为蓝牙、微波、无线电等类型

标准化工作

• 实现不同厂商之间的硬件软件的连接

法定标准

• OSI

事实标准

• TCP/IP

RFC（Request For Comments）——因特网标准

1)、因特网草案

2)、建议标准

3)、因特网标准

标准化的相关组织

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
Internet工程任务组ITET：下负责因特网相关标准的制定RFC XXXX

性能指标之速率、带宽、吞吐量

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，Gb/s，Tb/s

千1kb/s=$10^3$b/s
兆1Mb/s=$10^3$kb/s=$10^6$b/s
吉1Gb/s=$10^3$Mb/s=$10^6$kb/s=$10^9$b/s
太1Tb/s=$10^3$Gb/s=$10^6$Mb/s=$10^9$kb/s=$10^{12}$b/s

存储容量1Byte(字节)=8bit(比特)

1KB=$2^{10}$B=1024B=1024* 8b
1MB=K$2^{10}$B=1024KB
1GB=$2^{10}$MB=1024MB

1TB=$2^{10}$GB=1024GB

带宽

(1）“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)。

(2）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。

网络设备所支持的最高速度

例子

上图可以看出带宽仅仅加快了传输的数量，并不会影响传输的速率。

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。

例子

两个服务器分别传输的速率为20和10mb/s，但是实际链路可以吃100，无奈加起来只能吃30，所以吞吐量就是30/s

性能指标之时延、时延带宽积、往返时间RTT、利用率

时延

• 发送时延
  • 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。
  • 发送时延 = 数据长度/ 信道带宽（发送速率）
  • 一般发生在主机内部发送器里面
  • 补充：高速链路：指的是发送速率的提高，是的发送时延减少，并不会影响到电磁波的传播速率
• 传播时延
  • 取决于电磁波传播速度和链路长度
  • 传播时延=信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率
  • 发生在信道上面的
• 排队时延
  • 等待输出输入链路可用
• 处理时延
  • 检错找出口

时延带宽积

描述数据量和信息量得属性,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”。

时延带宽积(bit)=传播时延(s)×带宽(b/s)

往返时延RTT

从发送方发送数据开始，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。

终端：ping url可查看与某网站的往返时延

RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。

• 往返传播时延=传播时延*2（不包括发送时延）
• 末端处理时间

利用率

• 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

分层结构、协议、接口、服务

为甚要分层

在计算机中，发送文件前要完成的工作:
(1）发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。(2）要告诉网络如何识别目的主机。
(3）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。
(4）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。

(5）确保差错和意外可以解决。

。。。所以计算机就想到了分层

怎么分层

分层基本规则：

1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能。
2. 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
3. 结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现。
4. 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
5. 整个分层结构应该能促进标准化工作。

分层

1.实体:第n层中的活动元素称为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建立的规则、标准或约定称为网络协议。【水平】

• 语法：规定传输数据的格式
• 语义：规定所要完成的功能
• 同步：规定各种操作的顺序
• 例子：01010001111000
  • 必须按照0/1格式进行传输
  • 完成报文的功能
  • 以及读取的顺序

3.接口（访问服务点SAP） :上层使用下层服务的入口。

4.服务:下层为相邻上层提供的功能调用。【垂直】

SDU服务数据单元:为完成用户所要求的功能而应传送的数据。

PCl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。

小结

• 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。

OSI参考模型

计算机网络分层结构

七层OSI参考模型（法定标准）

OSI怎么来的？

为乐计算机网络复杂的大问题->分层结构（按功能）

目的：支持异构网络系统的互通互联

国际标准化组织（ISO）于1984年提出开放系统互连（OSI）参考模型。（理论成功，市场失败）

参考模型

应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层

ISO/OSI参考模型解释通信过程

应用层

所有能和用户交互产生网络流量的程序

典型应用层服务:
文件传输（FTP)电子邮件（SMTP)万维网(HTTP)等等

表示层

处理两个通信系统中交换信息的表示方式

功能

• 数据格式变换
• 数据加密解密
• 数据压缩和恢复
  • 主要协议：JPEG、ASCII

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)，会话之间彼此独立的

功能

• 建立、管理、终止会话
• 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。
  • 适合传输大文件
• 主要协议：ADSP、ASP（规定层次间的联系）

传输层

负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报。

功能

• 可靠传输、不可靠传输
  • （大文件采用可靠传输，将文件转换成数据报，从主机一经过网络发送到主机二，主机二回应确认序列报文给主机一的过程）三次握手的过程
  • 如果是小文件，就不需要去建立连接了，直接采用不可靠（UDP）的连接方式
• 差错控制
• 流量控制
  • 控制发送端的发送速率
• 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。
• 协议：TCP/IP、UDP

网络层

主要任务是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。

当数据报过长，就会将数据报分割，然后进行分组转发

功能

• 路油选择
  • 选择最佳路径（地杰斯特

• 流量控制

• 差错控制
  • 能纠错就纠错，不能纠错就扔掉
• 拥塞控制
  • 针对全局控制发送的速率
  • 若所有结点都来不及接受分组，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,缓解这种拥塞。
• 主要协议:IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF

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。

功能

• 成帧（定义帧的开始和结束）
  • 定义几种帧的开始和结束（01组合）
• 差错控制（帧错和位错）
  • 可以检错和纠错
• 流量控制（同理）
• 访问（接入）控制
  • 控制对信道的访问
  • （广播式网络中就会有接入控制）控制哪台主机可以可以用哪些信道
• 主要协议: SDLC、HDLC、PPP、STP

物理层

主要任务是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。

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。

功能

• 定义接口特性
• 定义传输模式
  • 单工
    • 一个人只能做发送方或者接收方
  • 半双工
    • 一个人可以做发送方也可以做接受方，但是只允许同一时间只能有一个人说话
  • 双工
    • 同一时间可以两边都说话
• 定义传输速率
• 比特同步
• 比特编码
• 主要协议: Rj45、802.3

回顾

OSI参考模型

• 由来
• “物联网淑慧适用”
• 解释通信过程
• 各层功能及协议

4层TCP/IP参考模型（事实标准）

OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点

1. 都分层
2. 基于独立的协议栈的概念
3. 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

1. OSI定义三点:服务、协议、接口

2. OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议

3. TCP/IP设计之初就考虑到异构网互联问题，将IP作为重要层次

4. 	Iso/osI参考模型	TCP/IP模型
   网络层	无连接+面向连接	无连接
   传输层	面向连接	无连接+面向连接

   面向连接分为三个阶段，第一是建立连接，在此阶段，发出一个建立连接的请求。只有在连接成功建立之后，才能开始数据传输，这是第二阶段。接着，当数据传输完毕，必须释放连接。而面向无连接没有这么多阶段，它直接进行数据传输。

5层的体系结构

5层参考模型的数据封装与解封装