【计算机网络】计算机网络——概述篇

本章知识概要

什么是计算机网络

计算机网络主要由一些通用的，可编程的硬件互连而成，通过这些硬件，可以传输不同类型的数据并且可以支持广泛和日益增长的应用。

1. 计算机网路的不是软件概念，还包含硬件设备
2. 计算机网络不仅仅是信息通信，还可以支持广泛的应用

计算机网络的分类

按网络的作用范围分类

分类	英文	范围	区域
广域网	WAN(Wide   Area Network)	几十到几千公里	跨省、跨国
城域网	MAN(Metro        Area Network)	5KM-50KM	城市间
局域网	LAN(Local Area Network)	1KM以内	地区内

按网络的使用者分类

公用网络：公开允许任何人使用的网络

专用网络：机构或企业的内部为了特殊业务需求搭建的网络

计算机网络发展简史

互联网的发展历史

• 第一个阶段：单个网络APRANE。 1969年美国国防部创建的小网络，当时连接仅有的计算机

• 第二个阶段：三级结构的互联网。主要还是有美国使用互联网的

• 第三个阶段：多层次ISP互联网。
  • ISP（Internet Service Provider）：网络服务提供商
  • 中国电信,中国联通,中国移动
  • 中国的主干isp 可以连接美国isp及其他国家
  • 地区isp 可以连接服务公司 校园 家庭
  • isp通过海底电缆将全球的网络连接起来
  • 到这个阶段才能让全球的互联网连接起来形成巨大无比的网络

现代国际互联网的主要线路The world’s largest network and datacenter infrastructure atlas (infrapedia.com)

中国互联网的发展历史

• 第一个阶段：1980年互联网实验
• 第二个阶段：1989年第一个公共网络运行
• 第三个阶段：1994年接入国际互联网

中国最大的五个公共的计算机网络

• 中国电信互联网CHINANET
• 中国联通互联网UNINET
• 中国移动互联网CMNET
• 中国教育与科研计算机网CERNET
• 中国科学技术网CSTNET

中国企业家互联网公司

• 1996年，张朝阳创建搜狐
• 1997年，丁磊创建网易
• 1998年，王志东创建新浪
• 1998年，马化腾、张志东创建腾讯
• 1999年，马云创建阿里巴巴
• 2000年，李彦宏创建百度

计算机网络层次结构

层次结构设计的基本原则

计算机A与计算机B进行数据通路考虑的问题？

1. 保证数据通路顺畅
2. 目的计算机状态
3. 识别目的计算机
4. 数据是否错误

解决方案：分层实现不同的功能

基本原则：

• 各层之间是相互独立的
• 每一层要有足够的灵活性
• 每层之间完全解耦

OSI七层模型

1. 应用层：为计算机用户提供接口和服务
2. 表示层：数据处理（编码解码，加密解密等）
3. 会话层：管理（建立，维护，重连）通信会话
4. 传输层：管理端到端的通信连接
5. 网络层：数据路由（决定数据在网络的路劲）
6. 数据链路层：管理相邻节点之间的数据通信
7. 物理层：数据通信的光电物理特性

• OSI欲成为全球计算机都遵循的标准
• OSI在市场化过程中困难重重，TCP/IP在全球范围成功运行
• OSI最终并没有成为广为使用的标准

OSI为什么没有成为全球计算机都遵循的标准？

• OSI的专家缺乏实际经验
• OSI标准制定周期过长，按OSI标准生产的设备无法及时进入市场
• OSI模型设计的并不合理，一些功能在多层中重复出现

TCP/IP四层模型

层次结构与协议

1. 网络层：HTTP/FTP/DNS/telnet/SMTP/POP3/SNMP
2. 传输层：TCP/UDP
3. 网络层：IP/ICMP
4. 网络接口层：Ethernet/ARP/RARP

TCP/IP四层模型与OSI七层模型映射

计算机A->计算机B

现代互联网的网络拓扑

边缘部分

边缘部分：家庭

边缘部分：企业

核心部分

整个网络拓扑结构

树状结构

客服-服务器（C/S模式）

对等连接（P2P）模式

计算机网络的性能指标

计算机组成原理回顾

 

 

 

第一个性能指标也就是：bps

时延：

• 发送时延：。发送速率受限于计算机网卡
• 传播时延：。传播速率受限于传输介质
• 排队时延：数据包在网络设备中等待被处理的时间
• 处理时延：数据包到达设备或者目的机器被处理所需要的时间
• 总时延：发送时延+传播时延+排队时延+处理时延

往返时间RTT：

• RTT（Route-Trip Time）是评估网络质量的一项重要指标
• RTT表示的是数据报文在端到端通信中的来回一次的时间
• 通常使用ping命令查看RTT

物理层概述

物理层处于哪个位置？

ISO七层模型处于第一层对应的物理层

TCP/IP四层模型处于网络接口层

物理层作用

1. 连接不同的物理设备
2. 传输比特流

连接不同设备的物理介质：

双绞线：平时使用的网线也是一种双绞线

同轴电缆：以前比较常见的一种传输介质（网线），现在用的比较少了

光纤：随着科技的发展现在很多家庭互联网都是使用的光纤

传输的无线的一些介质：

• 红外线
• 无线
• 激光

比特流：使用的高低电平进行传输的

信道的基本概念

• 信道是往一个方向发送信息的媒体
• 一条通道电路包含一个接收信道和一个发送信道

• 单工通信信道
  • 只有一个方向通信，没有反方向反馈的信道
  • 有线电视，无线电收音机等等
• 半双工通信信道
  • 双方都可以发送和接收信息
  • 不能双方同时发送，也不能同时接收
• 全双工通信信道
  • 双方都可以同时发送和接收信息

分用-复用技术

 

 

数据链路层概述

数据链路层处于哪个位置？

处于ISO七层模型的第二层

处于TCP/IP四层模型的网络接口层

主要解决三个问题

• 封装成帧
  • “帧”是数据链路层数据的基本单位
  • 发送端在网络层的一段数据前后添加特定标记形成“帧”
  • 接收端根据前后特定标记识别出“帧”
  • 

物理层才部管你“帧”不“帧”

• 帧首部和尾部是特定的控制字符（特定比特流）正在上传…重新上传取消
• 有同学就要问了如果我们传输的字符也有控制字符怎么办？问题解决在下一个知识点
• 
  透明传输
  • “透明”在计算机领域是非常重要的一个术语
  • “一种实际存在的事物却又看起来不存在一样”
  • “即是控制字符在帧数据中，但是要当做不存在的去处理”

问题：数据链路层传输的字符也有控制字符怎么办？

解决：

如果说数据中也出现转移字符那该怎么办呢？

• 差错检测
  • 物理层只管传输比特流，无法控制是否出错
  • 数据链路层负责起“差错检测”的工作
  • 下一节进行详细的学习

数据链路层的差错检测

• 奇偶校验码

下面在传输过程中假设传输错误用奇偶校验码进行判断（只错一位）

下面在传输过程中假设传输错误用奇偶校验码进行判断（错2的偶数倍位）

如图，出错两位，奇偶校验码校测不到错误

• 循环冗余校验码CRC
  • 一种根据传输或保存的数据而产生固定位数校验码的方法
  • 检测数据传输或者保存后可能出现的错误
  • 生成的数字计算出来并且附加到数据后面

前提基础知识：模“2”除法

• 模“2”除法是二进制下的除法
• 与算术除法类似，但除法不借位，实际是“异或”操作

0 xor 0=0

1 xor 0=1

0 xor 1=1

1 xor 1=0

• 选定一个用于校验的多项式G（x），并在数据尾部添加r个0
• 将添加r个0后的数据，使用模“2”除法除以多项式的位串
• 得到的余数填充在原数据r个0的位置得到可校验的位串

例子1：使用CRC计算101001的可校验位串

第一步：

G（x）=++1二进制位串：1101，最高阶为3（最高阶就是r）

位串1101是怎么得到的？展开得到，如下：

G（x）=1*+1*+0*+1*

101001101001000

第二步：将添加r个0后的数据，使用模“2”除法除以多项式的位串

第三步：得到的余数填充在原数据r个0的位置得到可校验的位串

接收端接收的数据除以G（x）的位串，根据余数判断出错

余数为0就表示数据没有错

例子2：使用CRC计算10110011的可校验位串

第一步：

选取G(x)，G(x)=++1  二进制位串：11001，最高阶为4

第二步：

• CRC的错误检测能力与位穿的阶数r有关
• 数据链路层只进行数据的检测，不进行矫正
• 常见的G(x)如下

MTU

MTU

• 最大传输单元MTU（Maximun Transmission Unit）
• 数据链路层的数据帧也不是无限大的

• 数据帧过大或过小都会影响传输的效率

总时延=发送时延+排队时延+传输时延+处理时延

 正在上传…重新上传取消

路径MTU

以太网协议详解

MAC地址

• MAC地址（物理地址、硬件地址）
• 每一个设备都拥有唯一的MAC地址
• MAC地址共48位，使用十六进制表示

Windows查看MAC地址命令：ipconfig /all

例：30-B4-9E-ED-85-CA

以太网协议（重点）

• 以太网（Ethernet）是一种使用广泛的局域网技术
• 以太网是一种应用于数据链路层的协议
• 使用以太网可以完成相邻设备的数据帧传输

以太网协议数据格式：

 

下面的数字单位（byte字节）

MAC地址表：MAC地址与硬件接口的映射表

问题1：A需要跟C发数据的时候，需要通过E的路由器，但是E是怎么知道A所发送的数据是发送到C的呢？通过MAC地址表。我们来了解一下整个过程。

问题2：如果MAC地址表不知道C的硬件接口怎么办呢？使用广播技术。我们来了解一下整个过程。