计算机网络期末复习笔记（自用）第一章 概述

计算机网络期末复习（自用），教材是谢希仁第8版，但是这个笔记主要是记录B站上up主湖科大教书匠的计算机网络微课堂（有字幕无背景音乐版）课程笔记。记笔记的软件是幕布，可以将笔记生成思维导图，但是不冲会员的话会对文档大小有限制。祝我自己考个好成绩。

1.1 计算机网络在信息时代的作用

• 计算机网络已经由一种通信基础设施发展成为一种重要的信息服务基础设施。
• 计算机网络已经像水，电这些基础设施一样，成为我们生活中不可或缺的一部分。

 

1.2 因特网概述

• 1.网络、互连网、和因特网

  • 网络由若干结点和连接这些结点的链路组成。
  • 多个网络还可以通过路由器互连起来，这样就构成了一个覆盖范围更大的网络，即互连网。
  • 因特网是世界上最大的互连网络（用户数以亿计，互连的网络数以百万计）。
    • internet和Internet区分
      • 小写（互连网））是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些冈络之间的通信协议可以是任意的。
      • 大写（因特网）是一个专用名词，指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它采用TCP/IP协议作为通信的规则，其前身是美国的ARPANET。

• 2.因特网发展的三个阶段

  • 第一阶段，从单个网络ARPANET向互连网发展
    • 1969年，第一个分组交换网ARPANET
    • 70年代中期，研究多种网络之间互连
    • 1983年，TCP/IP协议成为ARPANET的标准协议（因特网诞生时间）
  • 第二阶段，逐步建成三级结构的因特网
    • 1985年，NSF围绕六个大型计算机中心建设NSFNET（主干网、地区网、校园网）
    • 1990年，ARPNE任务完成，正式关闭
    • 1991年，美国政府将因特网主干网交给私人公司经营，并开始对接入因特网的单位收费
  • 第三阶段，逐步形成了多层次ISP结构的因特网
    • 1993年，NSFNET逐渐被若干个商用因特网主干网替代，政府机构不再负责因特网运营，让各种因特网服务提供者城来运营
    • 1994年，万维网WWW技术促使因特网迅猛发展
    • 1995年，NAN El停止运作，因特网彻底商业化

• 3.因特网的标准化工作

  • 因特网的标准化工作对因特网的发展起到了非常重要的作用
  • 因特网在制定其标准上的一个很大的特点是面向公众
    • 因特网所有的RFC技术文档都可以从因特网上免费下载
    • 任何人都可以随时用电子邮件发表对某个文档的意见或建议
  • 因特网协会ISOC是一个国际性组织，它负责对因特网进行全面管理，以及在世界范围内促进其发展和使用
    • 因特网体系蝴委员会IAB，负责管理因特网有关协议的开发
    • 因特网工程部IETF，负责研究中短期工程问题，主要针对协议的开发和标准化
    • 因特网研究部IRTF，从事理论方面的研究和开发一些需要长期考虑的问题
  • 制订因特网的正式标准要经过以下4个阶段：
    • （1）因特网草案（这个阶段还不是RFC文档）
    • （2）建议标准（这个阶段开始成为RFC文档）
    • （3）草案标准
    • （4）因特网标准
  • 因特网的组成
    • 边缘部分
      • 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。
    • 核心部分
      • 由大量网络和链接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

 

1.3 三种交互方式：电路交换、分组交换和报文交换

• 电路交换

  • 电话交换机接通电话线的方式称为电路交换。
  • 从通信资源的分配角度来看，交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
  • 电路交换的三个步骤：
    • 建立链接连接（分配通信资源）
    • 通话（一直占用通信资源）
    • 释放连接（归还通信资源）
  • 当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率往往很低。

• 分组交换

  • 发送方：
    • 构造分组、发送分组
  • 路由器：
    • 缓存分组、转发分组
  • 接收方：
    • 接收分组、还原报文

• 电路交换、报文交换、分组交换的对比：

  • 对于电路交换：

    • 通信之前首先要建立连接，连接建立好之后就可以使用已建立好的链接进行数据传送，传送结束后需要释放连接，以归还之前建立连接所占用的通信线路资源。

      

    • 一旦建立连接，中间的各节点交换机就是直通形式的，比特流可以直达终点。
    • 优缺点
      • 优点
        • 通信时延小。通信线路为通信双方用户专用，数据直达。当连续传输大量数据时，这一优点非常明显。
        • 有序传输。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。点库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。得益于其通信时延小的优点。
        • 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。电路交换的平均连接建立时间对计算机通信来说太长。
        • 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的任何一点出现了故障，就必须重新拨号建立新的连接，对十分紧急和重要的通信不利。
        • 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。

  • 对于报文交换：

    • 可以随时发送报文而不需要事先建立连接，整个报文先传送到响铃结点交换机，全部存储下来后进行查表转发，转发到下一个结点交换机。

      

    • 整个报文需要在各结点交换机上进行存储转发，由于不限制报文的大小，因此需要各结点交换机都具有较大的缓存空间。
    • 优缺点
      • 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。
        • 动态分配线路。当发送方把报文传送给结点交换机时，结点交换机先存储整个报文，然后选择一条合适的空闲了线路，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，会重新选择另一条路径传输数据。
        • 提高线路利用率。通信双方不是同时固定占用一条通信线路，而是在不同的时间分段部分占用物理线路，因而大大提高了通信线路的利用率。
        • 提供多目标服务。一个报文可以同时发送给多个目的地址，这在电路交换中是难以实现的。
      • 缺点
        • 引起了转发时延。报文在结点交换机上要经历存储转发的过程。
        • 需要较大的存储缓存空间。报文交换对报文的大小没有限制。
        • 需要传输额外的信息量。报文需要携带目标地址、源地址等信息。

  • 对于分组交换：

    • 可以随时发送分组，而不需要事先建立连接，构成原始报文的一个个分组，一次在各结点交换机上存储转发，各节点交换机在发送分组的同时还缓存接收到的分组。

      

    • 构成原始报文的一个个分组，在各结点交换机上进行存储转发，相比报文交换，减少了转发时延，还可以避免过长的报文长时间占用链路，同时也有利于进行差错控制。
    • 优缺点
      • 优点
        • 无需建立连接。不需要为通信双方预先建立了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。
        • 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部分占用物理线路，提高了通信线路的利用率。
        • 简化了存储管理。这是相对于报文交换而言的，因为分组的长度固定，相应的缓冲区的大小也固定，管理起来相对容易。
        • 加速传输。分组是逐个传输的，是的后一个分组的存储操作与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。分组比报文小，出错概率必然减小，即便分组出错，也只需重传出错的分组，比重传整个报文的数据量小很多，提高了可靠性也减少了传输时延。
      • 缺点
        • 引起了转发时延。分组在结点交换机上要经历存储转发的过程。
        • 需要传输额外的信息量。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，因此传送的信息量增大了。
        • 对于数据报服务，存在失序、丢失或重复分组的问题；对于虚电路问题，存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。

 

1.4 计算机网络的定义和分类

• 计算机网络的定义

  • 计算机网络的精确定义并未统一。
  • 最简单的定义：
    • 一些相互连接的、自治的计算机的集合。
      • 互联：计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信。
      • 自治：独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用。
      • 集合：至少需要两台计算机。
    • 较好的定义：
      • 计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互联而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（如传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。
        • 计算机网络所连接的硬件并不限于一般的计算机，包括了手机等只能硬件。
        • 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种应用。

• 计算机网络的分类

  • 按交换技术分类

    • 电路交换网络
    • 报文交换网络
    • 分组交换网络

  • 按使用者分类

    • 公用网
      • “公用”指所有愿意按电信公司的规定缴纳费用的人都可以使用这种网络。
    • 专用网
      • 某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络，这种网络不向本单位以外的人提供服务。

  • 按传输介质分类

    • 有线网络
      • 双绞线、光纤网络等
    • 无线网络
      • WIFI

  • 按覆盖范围分类

    • 广域网WAN
      • 覆盖范围几十公里到几千公里。
      • 是因特网的核心部分，其任务是为核心路由器提供远距离高速连接，互联分布在不同地区的城域网和局域网。
    • 城域网MAN
      • 覆盖范围一般是一个城市，作用距离为5到50公里。
      • 通常作为城市骨干网，互联大量企业、机构和校园局域网。
    • 局域网LAN
      • 一般用卫星计算机或工作站通过高速通信线路相连
      • 速率通常在10Mbit/s以上
      • 地理上局限在较小的范围内，距离一般1公里左右
    • 个域网PAN
      • 个人区域网的简称
      • 不是用来连接普通计算机，而是在个人工作的地方吧属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络
      • 覆盖范围大约10米
      • 注：若中央处理机之间的距离非常近（1米或更小），一般称之为多处理机系统，不称为计算机网络。

  • 按拓扑结构分类

    • 总线型网络
      • 使用单根传输线吧计算机连接起来
      • 优点
        • 建网容易、增减结点方便、节省线路
      • 缺点
        • 重负载时通信效率不搞，总线任意一处出现故障则全网瘫痪
    • 星行网络
      • 将每个计算机都以单独的线路与中央设备相连，中央设备早期是计算机，后来是集线器，现在一般是交换机或路由器。
      • 优点：
        • 便于网络的集中控制和管理，因为端用户之间的通信必须经过中央设备。
      • 缺点
        • 成本高，中央设备对故障敏感。
    • 环型网络
      • 将所有计算机的网络接口连接成一个环（令牌环局域网），环可以使单环，也可以是双环，环中信号是单向传输的。
    • 网状型网络
      • 一般情况下，每个节点至少由两条路径与其他结点相连，多用在广域网中。
      • 优点：
        • 可靠性高
      • 缺点
        • 控制复杂、线路成本高
  • 注：以上四种基本的网络拓扑可以互联为更为复杂的网络

 

1.5计算机网络的性能指标

• 性能指标可以从不同的方面来度量计算机略的性能

• 常用的计算机网络性能指标

  • 速率

    • 比特
      • 计算机中数据量的单位，也是信息论中信息量的单位，一个比特就是二进制数字中的一个1或0。
      • 常用数据量单位
        • 8bit=1Byte
        • KB=2^10B
        • MB=B*KB=2^20B
        • GB=B*MB=2^30B
        • TB=B*GB=2^40B

    • 速率

      • 连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送比特的速率，也出内比特率或数据率。
      • 常用数据率单位
        • bit/s(b/s，bps)
        • bit/s=10b/s(bps)
        • Mb/s=k*kb/s=10^3*10^3b/s=10^6b/s(bps)
        • Gb/s=k*Mb/s=10^3*10^6b/s=10^9b/s(bps)
        • Tb/s=k*Gb/s=10^3*10^9b/s=10^12b/s(bps)

    • 带宽

      • 带宽在模拟信号系统中的意义
        • 信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围
        • 单位： Hz (kHz,MHz, GHz)
      • 带宽在计算机网络中的意义
        • 用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，因此网络带宽表示在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： b/s(kb/s, Mb Is, Gb/s, Tb/s)

    • 吞吐量

      • 吞吐量表示在单位时间内通过某网络（或信道，接口）的数据量
      • 吞吐量被经常用于对现实世界中的网络的一种测量，以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
      • 吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制

    • 时延

      • 网络时延的构成

        

        • 发送时延
          • 源主机将分组发往传输线路花费的时间
          • 计算公式：分组长度（b）/发送速率（b/s）
            • 网卡的发送速率、信道带宽、交换机的接口速率共同决定这主机的发送速率
            • 在构建网络时应该做到各设备间及传输介质的速率匹配，这样才能完全发挥出本应具有的传输性能
        • 传播时延
          • 代表分组的电信号在链路上传输花费的时间
          • 计算公式：信道长度（m）/电磁波传播速率（m/s）
            • 电磁波在自由空间传播速率是光速，即3*10^8 m/s，
            • 电磁波在网络传输媒体中的传播速率比在自由空间略低
              • 铜线电缆中：约为2.3*10^8 m/s
              • 光纤中：约为2*10^8 m/s
            • 要计算传播时延，首先应该确定采用的是什么传输媒体，进而可以确定电磁波在该传输媒体中的传播速率
        • 处理时延
          • 路由器收到分组后对齐进行存储转发花费的时间
          • 没有简单的计算公式，一般不方便计算
            • 网络中的数据流量是动态变化的，路由器的繁忙程度也是动态变化的
            • 各种路由器的软硬件性能也有所不同
      • 源主机和目的主机之间的路径会由多段链路和多个路由器构成，因此会由多个传播时延和处理时延。

    • 时延带宽积

      • 时延带宽积=传播时延*带宽
      • 若发送端连续发送数据，则在所发送的第一个比特即将到达终点时发送端就已经发送了时延带宽积个比特。
      • 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

    • 往返时间（RTT）

      • 在许多情况下因特网上的信息不仅仅单方向传输，而是双向交互。又是很需要知道双向交互一次所需的时间，即往返时间。
      • 往返时间指从源主机发送分组开始，直到源主机收到来自目的主机的确认分组为止所需的时间。

    • 利用率

      • 分类
        • 信道利用率
          • 用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。
        • 网络利用率
          • 全网络的信道利用率的加权平均。
      • 信道利用率并非越高越好
        • 根据排队论，当某信道利用率增大时，该信道引起的时延也会迅速增加
      • 如果令D0标识网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，在适当的假定条件下可以用下面的简单公式来表示D、D0和利用率U的关系：
        • D=D0/1-U

          

        • 网络利用率达到50%时，时延就会加倍
        • 网络利用率超过50%时，时延急剧增大
        • 网络利用率接近100%时，时延趋于无穷大
        • 一些拥有较大主干网的ISP通常会控制它们的信道利用率不超过50%，超过就要准备扩容增大线路的带宽
        • 也不能使信道利用率太低，使得宝贵的通信资源白白浪费，应该使用一些机制可以根据情况动态调整输入到网络中的通信量，是网络利用率保持在一个合理的范围内。

    • 丢包率

      • 即分组丢失率，指在一定的时间内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比率。
      • 具体可以分为接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等
      • 丢包率是网络运维人员非常关心的一个网络性能指标，但普通用户并不关心，因为他们通常意识不到网络丢包
      • 分组丢失的两种情况
        • 分组在传输过程中出现误码，被结点丢弃
        • 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃，在通信量较大时就可能造成网络拥塞。
      • 丢包率反映了网络的拥塞情况
        • 无拥塞时路径丢包率为0
        • 轻度拥塞时路径丢包率为1%~4%
        • 严重拥塞时路径丢包率为5%~15%
      • 网络的丢包率较高是，通常无法使用网络应用正常工作

 

1.6 计算机网络体系结构

• 1. 常见的计算机网络体系结构

  • OSI体系结构：法律上的国际标准

    

    • 失败的原因
      • OSI的专家们缺乏实际经验，在完成OSI标准时没有商业驱动力
      • OSI的协议实现起来过分复杂，运行效率很低
      • OSI标准的制定周期太长，因而是的按OSI标准生产的设备无法及时进入市场
      • OSI的层次划分不太合理，有些功能在多个层次中重复出现
    • 参考模型：
  • TCP/IP体系结构：事实上的国际标准

    

    • 相当于将OSI体系结构的物理层和数据链路层合并为了网络接口层，并去掉了会话层和表示层。
    • 由于TCP/IP在网络层使用的协议是IP协议（网际协议），因此TCP/IP体系结构的网络层常称为网际层
    • 结构：看视频讲解
    • 参考模型：

      

  • 原理体系结构：适于教学

    

• 2. 计算机网络体系结构分层的必要性

  • 计算机网络是个非常复杂的系统。早在最初的ARPANET设计时就提出了分层的设计理念。
  • “分层”可以将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。
  • 各种局部的问题：

    

    • 物理层：解决使用何种信号来传输比特的问题
      • 采用怎样的传输媒体（介质）
      • 采用怎样的物理接口
      • 使用怎么样的信号表示比特0和1
    • 数据链路层：解决分组在一个网络（或一段链路）上传输的问题
      • 如何表示网络中的各主机（主机编址问题，例如MAC地址）
      • 如何从信号所表示的一连串比特流中区分出地址和数据
      • 如何协调各主机争用总线
    • 网络层：解决分组在多个网络上传输（路由）的问题
      • 如何标识网络以及网络中的各主机（网络和主机共同编址的问题，例如IP地址）
      • 路由器如何转发分组，如何进行路由选择
    • 运输层：解决进程之间基于网络的通信问题
      • 如何解决进程之间基于网络的通信问题
      • 出现传输错误时，如何处理
    • 应用层：解决通过应用进程的交互来实现特定网络应用的问题
      • 通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用
        • 支持万维网应用的HTTP协议
        • 支持电子邮件的SMTP协议
        • 支持文件传送的FTP协议

• 3. 计算机网络体系结构分层思想举例

  • 看视频吧。。

• 4. 计算机网络体系结构中的专用属于

  • 实体
    • 实体：任何可发送或接受信息的硬件或软件进程
    • 对等实体：手法双方相同层次中的实体
  • 协议
    • 协议：控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合
    • 三要素：
      • 语法：定义所交换信息的格式
      • 语义：定义收发双方所要完成的操作
      • 同步：定义收发双方的时序关系
  • 服务
    • 服务：
      • 在写一点控制下，两个对等实体间的逻辑通信是的本层能够向上一层提供服务。
      • 要实现本层协议，还需要下面一层所提供的的服务。
      • 协议是“水平的”，服务时“垂直的”。
      • 实体看得见相邻下层所提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。也就是说，下面的协议对上面的实体是“透明”的。
    • 服务访问点：在同一系统图中相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型
      • 数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段
      • 网络层的服务访问点为IP数据报首部中的“协议字段”
      • 运输层的服务访问点为“端口号”
    • 服务原语：指生成使用下层所提供的服务必须通过与下层交换的一些命令。
    • 协议数据单元PDU：对等层次之间传送的数据包。多个SDU可以合称为一个PDU，一个SDU可以划分为几个PDU。
    • 服务数据单元SDU：同一系统内，层与层之间交换的数据包成为服务数据单元。

 

做的比较粗糙，见谅。也许应该大概这几天会继续更新剩下的内容。。