【计算机网络】【王道笔记】第一章 计算机网络的概念、组成、功能、分类

1.1.1 概念 组成 功能 分类

概念

• 计算机网络：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统
• 互连的、自治的计算机集合
  • 互联 - 互联互通
    • 通信链路 （有线&无线）
  • 自治 - 无主从关系
    • 相互独立，不能彼此控制

功能

1. 数据通信 - 连通性 communication

   • Email
   • message broadcast

2. 资源共享 resource sharing

   1. 硬件 - 打印机、传真机 computing resources, disks, printer
   2. 软件 application software
   3. 数据 - 百度文库

3. 分布式处理 - 多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分 distributed processing

   • Hadoop平台
   • cloud computing
   • edge computing

4. 提高可靠性

   • 替代机 - 迂回前进

5. 负载均衡 - 各计算机之间更亲密

information sharing

easy accessibility from anywhere (files, databases)

Search capability (www)

remote computing

组成

组成部分

1. 硬件
   • 主机 - 端系统
   • 链路 - 双绞线、光纤…
   • 通信设备 - 路由器、交换机…
   • end systems: Host, PC, Mainframe, Client, Workstation, Server
   • intermediate systems: Communications: Switch, Router
   • interface: Network interface card(NIC), Modem
   • Medium: Twisted pair, Coaxial cable, Fiber, Wireless
2. 软件
   • 安装在端系统
   • applications: HTTP, SMTP, FTP, Telnet
3. 协议【核心】
   • protocol: CSMA/CD, TCP/IP, UDP, PPP, ATM

工作方式

1. 边缘部分 - 主机（用户直接使用）
   1. C/S方式 - 客户端/客户服务器
   2. P2P方式 - P2P对等方式
2. 核心部分 - 为边缘部分服务
   1. 网络
   2. 路由器

功能组成

1. 通信子网 - 实现数据通信
2. 资源子网 - 实现资源共享/数据处理（主机内部）

分类

分布范围 by scale

• 广域网 WAN - wide area network
• 城域网 MAN
• 局域网 LAN - local area network
• 个人区域网 PAN
• Internet
  • a worldwide system of computer networks

使用者

classified by boundary

• 公用网 extranet (public networks)
• 专用网 （军队等）intranet (private networks)

交换技术

• 电路交换 circuit switching
• 报文交换
• 分组交换

拓扑结构 topology

• 总线型 bus topology
  • as a linear bus
  • connected by single cable
• 星型 star&tree topology
  • most commonly used in Ethernet LANs
• 环型 ring topology
  • single ring
  • dual ring
• 网状型（常用于广域网 因特网）

传输技术

• 广播式网络 - 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

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1.1.2 标准化工作及相关组织

标准化工作

分类

• 法定标准

  • 权威机构制定的正式的、合法的标准 OSI

• 事实标准

  • 某些公司的产品占据了主流 TCP/IP

RFC： Request for comments

​ RFC上升为因特网正式标准的四个阶段：

1. 因特网草案 – 还不是RFC文档（发邮件）
2. 建议标准 – 开始成为RFC文档
3. 草案标准 – IETF、IAB审核
   • IEIF: internet engineering task force
4. 因特网标准

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 IETF
  • 因特网相关标准制定

1.1.3 速率相关的性能指标

速率

• 数据率/数据传输率/比特率

带宽 bandwidth

• 原本指某个新号具有的频带宽度（最高频率与最低频率之差 单位：Hz）
• 现指 网络通信线路传送数据的能力
  • 指单位时间内从网络中的某一点到另一点能通过的“最高数据率”
  • 单位：比特/秒 b/s
  • 网络设备所支持的最高速度

• 链路带宽：发送端

吞吐量

• 表示在单位时间内通过某个网络/信道/接口的数据量
  • 单位：b/s
• 受网络的带宽/网络的额定速率的限制
• 所有链路加和 – 实际量

1.1.4 时延 时延带宽积 RTT 利用率

时延/延迟/迟延

• 指数据（报文/分组/比特流）从网络/链路的一端传送到另一端所需的时间
• 单位：s

1. 发送时延/传输时延
   • 发送分组的第一个比特 -> 该分组最后一个比特发送完毕
   • = 数据长度/信道带宽（发送速率）
   • 高速链路指发送速率提高
2. 传播时延
   • = 信道长度/电磁波在信道上的传播速率
   • 电磁波 – 比特
3. 排队时延
   • 等待输出/入链路时间
4. 处理时延
   • 检错
   • 找出口

时延带宽积

• = 传播时延*带宽
• 单位：bit
• 以比特为单位的链路长度
  • 此时此刻的数据容量

往返时延RTT

• 从发送方发送数据开始，到发送方接受接受方的确认
• RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多
• 包括：
  • 往返传播时延 = 传播时延*2
  • 末端处理时间

利用率

1. 信道利用率
   • 链路上
   • = 有数据通过的时间/（有+无）数据通过时间
2. 网络利用率
   • 信道利用率加权平均值

1.2.1 分层结构 协议 接口 服务

分层的原因

• 发送文件前要完成的工作
  • 发起的计算机需要将数据通信的通路激活
  • 告诉网络如何识别目的主机
  • 发起的计算机要查明目的主机开机&与网络连接正常
  • 发起的计算机查明对方文件管理程序是否做好准备
  • 确保差错和意外可以解决

上层要求服务，下层提供服务

分层结构

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：为进行网络中对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定【水平】

   1. 语法：规定传输数据的格式
      • 数据形式+如何分割
   2. 语义：规定所要完成的功能
      • 每段的意思
   3. 同步：规定各种操作的顺序

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（有用的部分）
• PCI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（向下传）

概念

1. 网络体系结构
   1. 是从功能上描述计算机网络结构
   2. 是计算机网络的各层及其协议的集合
   3. 抽象的（实现 - 指能运行的一些软件硬件）
2. 分层结构
3. 每层遵循某个/些网络协议
4. 第n层向第n+1层提供服务时，服务不仅包含第n层本身功能，还包含由下层服务提供的功能
5. 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

1.2.2 OSI参考模型

• Open System Interconnection
• 法定标准 先理论后实践

来源

国际标准化组织（ISO）于1984年提出开放系统互连（OSI）参考模型

• 数据链路层还加了尾部

模型结构

应用层

• 所有能和用户交互产生网络流量的程序

典型服务：

• 文件传输 FTP
• 电子邮件 SMTP
• 万维网 HTTP

表示层

• 用于处理两个通信系统中交换信息的表示方式（语法&语义）

功能：

1. 数据格式变换（翻译官）
2. 数据加密解密
3. 数据压缩和恢复

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地传输数据

• 会话 建立同步 SYN

功能：

1. 建立、管理、终止会话
   • 打开网页就是建立会话
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
   • 适用于传输大文件

协议：ADSP、ASP

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：报文段/用户数据报

功能：

1. 可靠传输、不可靠传输
   • 可靠传输：建立连接、确认机制
   • 不可靠传输：非常小的数据
2. 差错控制
3. 流量控制
4. 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

（可差留用）

协议：

• TCP
  • HTTP(Web), FTP(file transfer), Telnet(remote login), SMTP(email)
• UDP: no flow control, no congestion control
  • streaming media, teleconferencing, DNS, Internet telephony
  • QQ

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。

传输单位：数据报

功能：

1. 路由选择 - 最佳路径
2. 流量控制
3. 差错控制
4. 拥塞控制

数据链路层

把网络层传下来的数据报组装成帧

传输单位：帧

功能：

1. 成帧（定义帧的开始 & 结束）
2. 差错控制
3. 流量控制
4. 访问/接入控制
   • 控制对信道的访问

协议：

• SDLC
• HDLC
• PPP
• STP

物理层

在物理媒体上实现比特流的透明传输

传输单位：比特

功能：

1. 定义接口特性
2. 定义传输模式 单工/半双工/双工
3. 定义传输速率 百兆网……
4. 比特同步
5. 比特编码

协议：

• Rj45
• 802.3

1.2.3 TCP/IP参考模型 5层参考模型

先实践后理论 有协议栈

OSI 与 TCP/IP 相同点

1. 都分层
2. 基于独立的协议栈概念
3. 可以实现异构网络互联

• 传输层：为了实现可靠传输而存在的
  • 因此需要先建立连接
• TCP/IP更看重互联问题，因此在网络层无连接

五层参考模型