计算机网络（非常全，建议收藏）

一.计算机网络概述

1）网络的基本功能、硬（软）件系统构成

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

计算机网络的组成
（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

2）网络的分类、网络的拓扑结构

1.按分布范围分类
1）广域网（WAN）。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。
2）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。
3）局域网 (LAN) 广播技术 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。
4）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.按使用者分
公用网（Public Network）。也称公众网。指电信公司出资建造的大型网络。在这里插入图片描述
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。

3.按交换技术分
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。

三者的比较：
电路交换：传送大量数据，且传送时间远远大于连接建立的时间，则电路交换传输速率快。

报文交换和电路交换不用预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。

由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。

电路交换
优点：
通信时延小：因为通信线路为通信双方专用，数据直达，因此通信时延小。当传输大量数据时，优势非常明显。
有序传输：因为通信双方之间只有一条专用的通信线路，数据只在这一条线路上传输，因此不存在失序问题。
没有冲突：不同的通信双方拥有不同的信道，不会出现争用物理信道的问题。
适用范围广：电路交换既适用于传输模拟信号，也适用于传输数字信号。
实时性强：得益于通信时延小。
控制简单：电路交换的结点交换机及其控制都比较简单。
缺点
建立连接时间长：电路交换的连接建立时间对计算及通信来说太长。
线路独占，使用效率低：电路交换一旦建立连接，物理通路就被通信双方独占，即使通信线路空闲，也不能供其他用户使用，因而信道利用率很低。
灵活性差：只要连接所建立的物理通路中任何一点出现了故障，就必须重新拨号建立新的连接，这对十分紧急和重要的通信是很不利的。
难以规格化：电路交换时，数据直达，不同类型、不同规格、不同速率的终端很难相互进行通信，也难以在通信过程中进行差错控制。

报文交换
优点
无需建立连接：报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接的时延，用户可以随时发送报文。【电路交换对比】
动态分配线路：当发送方把报文送给结点交换机时，结点交换机先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲线路，将报文发送出去。
提高线路可靠性：如果某条传输路径发生故障，会重新选择一条路径传输数据，因此提高了传输的可靠性。
提高线路利用率：通信双方不是固定占用一条通信线路，而是在不同的时间段分部分占用物理线路，因而大大提高了通信吸纳录的利用率。
提供多目标服务：一个报文可以同时发送给多个目的地址，这在电路交换中很难实现。
缺点
引起了转发时延：因为报文交换在结点交换机上要经历存储转发的过程。
需要较大存储缓存空间：因为报文交换对报文大小没有限制。【分组转发对比】
需要传输额外的信息量：因为报文需要携带目标地址、源地址等信息。

分组交换
优点
无需建立连接：不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接的时延，用户可以随时发送分组。【电路交换对比】
线路利用率高：通信双方不是固定占用一条通信线路，而是在不同的时间分段占用物理线路，因而大大提高了通信线路的利用率。
简化了存储管理：分组长度固定，相应的缓冲区大小也固定，管理起来相对容易。【报文交换对比】
加速传输：由于分组是逐个传输的，使得最后一个分组的存储操作，与当前一个分组的转发操作可以同时进行。
减少出错概率和重发数据量：因为分组比报文小，因此出错概率概率必然减小，即使分组出错，也只需要重传出错的分组，比重传整个报文数据量小很多。提高了可靠性，减少了传输时延。【报文交换对比】
缺点
引起了转发时延：因为分组在结点交换机上要经历存储转发的过程。【与报文交换同】
需要传输额外的信息：将原始报文分割成等长的数据块，每个数据块都要加上源地址、目的地址等控制信息，从而构成分组，使得传送的信息量变大。【与报文交换对比】
对于数据报服务，存在失序，丢失或重复分组的问题；对于虚电路服务（无失序问题），存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。分组到达目的结点时，需要重新还原成原始报文，比较麻烦。

4.按拓扑结构分
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 多用于局域网
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

5.按传输技术分
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。

6.按传输介质分
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

3）计算机网络的性能指标（需掌握）

1.速率
速率即数据率或称数据传输率或比特率
比特： 1/0位
连接到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
发送端------接收端
发送了十位数字用时1s 就是10b/s
速率
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） = 8 bit（比特）
1 kB = 2^10B = 1024B = 1024*8 b
1 MB = 2^10 kB = 1024 kB
1 GB = 2^10 MB = 1024 MB
1 TB = 2^10 TB = 1024 TB

2.带宽
“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）
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一个节点到另一个节点所能通过的“最高数据率”，单位是比特每秒 b/s kb/s mb/s gb/s
网络设备能支持的最高速度

链路带宽 = 1Mb/s
主机在1us内可向链路发1bit数据
传播速率为2*10^8m/s
电磁波1us可向前传播200m

3.吞吐量
表示在单位时间内通过网络（或信道，接口）的数据量 单位b/s kb/s Mb/s等
吞吐量受网络带宽或网络的额定速率的限制

4.时延
指数据（报文/分组/比特流） 从网路（或链路上）的一端传输到另一端所需的时间，也叫延迟或者迟延，单位是s
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
计算公式： 发送时延 = 数据长度/信道带宽（发送速率）

传播时延 取决于电磁波传播速度和链路长度
计算公式： 传播时延 = 信道长度/电磁波在信道上的传播速率
处理时延： 检错找出口
排队时延: 等待输入/输出链路可用

因此， 总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+排队时延

5.时延带宽积
时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
单位bit

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”
容量

6.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
RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多

RTT包括
往返传播时延 = 传播时延*2
末端处理时间

7.利用率
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

4）计算机网络协议，接口服务的概念

1.正式认识分层结构
1.实体
第n层中的活动元素称为n层实体，同一层的事体叫对等实体

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。
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

3.接口（访问服务SAP）
上层使用下层服务的入口。

4.服务
下层对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
PCI协议控制信息：控制协议操作的信息
PDU协议数据单元：对等层次之间的传送的数据单位
PCI + SDU = PDU

2.概念总结
网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
计算机网路体系结构简称网络体系结构是分层结构
每层都会遵循某个/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层在向第n+1层提供服务时，此服务不仅包括第n+1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

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5）OSI参考模型各层的功能（掌握）

（1）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)
…

（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）
功能一：数据格式变换 翻译官
功能二： 数据加密解密
功能三： 数据压缩和恢复
主要的协议：JPEG ASCII

（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地传输数据。
这是会话，也是建立同步（SYN）
功能一：建立，管理，终止会话
功能二：使用检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
主要协议：ADSP ASP

（4）传输层
负责主机中两个进程地通信，即端到端的通信，传输单位是报文段或用户数据报
功能一：可靠传输，不可靠传输
功能二：差错控制
功能三：流量控制
功能四：复用分用
复用：多个应用层进曾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，
主要的协议： TCP/UDP

（5）网路层
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
功能一：路由选择 最佳路径
功能二：流量控制
功能三：差错控制
功能四：拥塞控制
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

（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
功能一：成帧（定义帧的开始和结束）
功能二：差错控制 帧错+位错
功能三： 流量控制
功能四： 访问（接入）控制 控制对信道的访问

主要协议：SDLC HDLC PPP STP

（7） 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：指不管所传输的是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送
功能一：定义接口特性
功能二：定义传输模式
单工，半双工，双工
功能三：定义传输速率
功能四：比特同步
功能五：比特编码
主要协议：Rj45 802.3

TCP/IP协议

1、数据链路层

功能：实现了网卡接口的网络驱动程序，以处理数据在物理媒介（如以太网、令牌环等）上的传输。

对应设备：网线、网桥、集线器、交换机

常用协议：

（1）ARP(地址解析协议）：它实现IP地址到物理地址（通常是MAC地址，通俗的理解就是网卡地址）的转换。

（2）RARP(逆地址解析协议）：顾名思义，它和ARP是相反的，它是实现从物理地址到IP地址的转换。

那有人就会问它们的用途是什么呢？？？

ARP用途：网络层使用IP地址寻找一台机器，而数据链路层则是使用物理地址寻找一台机器，因此网络层必须先将目标机器的IP地址转化成物理地址，才能使用数据链路层提供的服务。

RARP用途：RARP协议仅用于网络上的某些无盘工作站，因为缺少储存设备，无盘工作站无法记录自己的IP地址，然而通过RARP就可以看到从物理地址到IP地址的映射。

2、网络层

功能：实现数据包的选路和转发。

对应设备：路由器

常用协议：

（1）IP协议（英特网协议）根据数据包的目的IP地址来决定如何将它发送给目标主机。如果数据包不能直接发送给目标主机，那么IP协议为它寻找一个合适的下一跳路由器，将数据包交给路由器来转发，多次之后数据包将到达目标主机，或者因发送失败而被丢弃。

（2）ICMP协议是网络层的另一个重要协议，它是IP协议的重要补充，主要用于检测网络连接。

8位类型：将ICMP报文分为两大类：一类是差错报文，比如目标不可达（类型值为3）和重定向（类型值为5）；另一类是查询报文，用来查询网络信息。

有的ICMP报文还用8位代码字段细分不同的条件。比如代码值0表示网络重定向，代码值1表示主机重定向。

16位校验和：对整个报文（包括头部和内容部分）进行循环冗余校验（CRC）。

注意：ICMP协议并非严格意义上的网络层协议，因为它使用了处于同一层的IP协议提供的服务，而一般来说，上层协议使用下层协议提供的服务。

3、传输层

功能：为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。与网络层使用的逐跳通信方式不同，传输层只关心通信的起始端和目的端，而不在乎数据包的中转过程。

主要协议：

（1）TCP协议（传输控制协议）：为应用层提供可靠的、面向连接的和流式服务。

（2）UDP协议（用户数据报协议）：为应用层提供不可靠的、无连接的和数据报服务。(TCP和UDP协议的详解和区别将在下一篇详讲）

（3）SCTP协议（流控制传输协议）它是为在英特网上传输电话信号而设计的，这里不再细说。

4、应用层

功能：负责处理应用程序的逻辑，比如文件传输，名称查询和网络管理等。

注意：数据链路层、网络层、传输层复制处理网络通信 细节，所以这些部分必须稳定且高效，因此它们都在内核空间实现（如上图二），而应用层在用户空间中实现，因为它负责众多逻辑，在内核中实现的话，则会使内核变得非常庞大。也有少数服务器程序是在内核中实现，这样代码就不用在用户空间和内核空间中来回切换（主要是数据的复制）提高了工作效率。

常用协议：

（1）OSPF（开放最短路径优先）协议：是一种动态路由更新协议，用于路由器之间的通信，以告知对方各自的路由信息。

（2）DNS（域名服务）协议：提供机器域名到IP地址的转换。（如将www.baidu.com转化成百度的IP，输入域名就直接可以进入。因为IP地址记的时候太麻烦，就像每个人都是由身份证唯一标识的，但为了好记就起了名字。DNS就是一个将姓名与身份证对应的过程）

（3）telnet协议是一种远程登陆协议，使我们能在本地完成远程任务。

（4）HTTP协议（超文本传输协议）是一个基于请求与响应模式的、无状态的、应用层的协议，常基于TCP的连接方式。

可以这样理解它们的作用：

1）连接层负责建立电路连接，是整个网络的物理基础，典型的协议包括以太网、ADSL等等；

2）网络层负责分配地址和传送二进制数据，主要协议是IP协议；

3）传输层负责传送文本数据，主要协议是TCP协议；

4）应用层负责传送各种最终形态的数据，是直接与用户打交道的层，典型协议是HTTP、FTP等。

6）计算机网络发展历史

第一代：远程终端连接
20世纪60年代早期

面向终端的计算机网络：主机是网络的中心和控制者，终端（键盘和显示器）分布在各处并与主机相连，用户通过本地的终端使用远程的主机。
只提供终端和主机之间的通信，子网之间无法通信。

第二代：计算机网络阶段（局域网）
20世纪60年代中期

多个主机互联，实现计算机和计算机之间的通信。
包括：通信子网、用户资源子网。
终端用户可以访问本地主机和通信子网上所有主机的软硬件资源。
电路交换和分组交换。

第三代：计算机网络互联阶段（广域网、Internet）
1981年国际标准化组织(ISO)制订：开放体系互联基本参考模型（OSI/RM），实现不同厂家生产的计算机之间实现互连。

TCP/IP协议的诞生。
第四代：信息高速公路（高速，多业务，大数据量）

宽带综合业务数字网：信息高速公路
ATM技术、ISDN、千兆以太网
交互性：网上电视点播、电视会议、可视电话、网上购物、网上银行、网络图书馆等高速、可视化。

二.数据通信

1）数据通信模型

1. 源系统
   1.1 源点(source)
   源点(source)：源点设备产生