计算机网络-王道考研 001 计算机网络基础知识和概念

计算机网络基础知识和概念

目录

• 计算机网络基础知识和概念
  • 概念、组成、功能和分类
    • 计算机网络的概念
    • 计算机网络的功能
    • 计算机网络的组成
    • 计算机网络的分类
    • 小章总结 - 概念、组成、功能和分类
  • 标准化工作及相关组织
    • 标准的分类
    • RFC 因特网标准的形式
    • 标准化工作的相关组织
    • 小章总结 - 标准化工作及相关组织
  • 速率相关的性能指标
    • 速率
    • 带宽
    • 吞吐量
  • 时延、时延带宽积、RTT和利用率
    • 时延
      • 高速链路的概念
    • 时延带宽积
    • 往返时延RTT
    • 利用率
    • 小章总结 -速率相关的性能指标和时延、时延带宽积、RTT和利用率
  • 分层结构、协议、接口、服务
    • 为什么要分层
    • 怎么分层
    • 正式认识分层结构
    • 概念总结
    • 小章总结 - 分层结构、协议、接口、服务
  • OSI参考模型
    • 计算机网络分层结构
    • ISO/OSI参考模型是怎么来的?
    • ISO/OSI参考模型
    • ISO/OSI参考模型解释通信过程
    • 应用层
    • 表示层
    • 会话层
    • 传输层
    • 网络层
    • 数据链路层
    • 物理层
    • 小章总结 - OSI参考模型
  • TCP/IP参考模型和5层参考模型
    • TCP和OSI对比
    • 五层参考模型
      • 五层参考模型的数据封装与解封装
  • 最终总结

本章包含

• 概念、组成、功能和分类
• 标准化工作及相关组织
• 速率相关的性能指标
• 时延、时延带宽积、RTT和利用率
• 分层结构、协议、接口、服务
• OSI参考模型
• TCP、IP参考模型和5层参考模型

开课前导论

有了计算机网络我们就可以和其他人一起联机，一起和他人游戏，同时如果基础扎实可以直接成为一名入门黑客

怎么学计算机网络?

计算机网络知识点多,但是分值低

所以我们需要理解记忆，抓住重点，复习分为多轮复习

重点

• 以太网典型网络
• 协议
• 网络设备

通常我们的结构分为5层

目前不会展开说，在之后的笔记内会介绍

概念、组成、功能和分类

计算机网络的概念

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。

我们从这一段话我们知道了他是什么，怎么用，能干什么

• 首先需要的是独立功能的计算机系统
• 然后必须要有通讯设备与线路，同时还有配套的软件
• 最后才能实现我们的资源共享和信息传递

计算机网络是互连,自治的计算机集合

概念	说明
互连	互联互通(通讯线路)
自治	没有主从关系

计算机网络的功能

1. 数据通讯(连通性)
   • 说明:不同的设备之间交流数据
2. 资源共享(硬件,软件,数据)
   • 说明:上传或者下载数据
3. 分布式处理
   • 说明:多台计算机各自承担同一个工作任务的不同部分(Hadoop平台)
4. 提高可靠性(替代机)
   • 说明:有的时候我们的计算机会发生故障，我们就可以利用替代机进行替代
5. 负载均衡
   • 说明；让计算机之间更加亲密

计算机网络的组成

1. 组成部分 硬件(主机，路由器，交换机)，软件(QQ，微信)，协议

2. 工作方式
   • 边缘部分(用户可以直接使用)
     • C/S方式
     • P2P方式
   • 核心部分(为边缘部分提供服务)
     • 
3. 数据组成(数据通讯，资源共享)
   • 通信子网(实现数据通信)
   • 资源子网(实现资源共享/数据处理)

计算机网络的分类

1. 按分布范围分

   1. 广域网WAN(交换技术)
   2. 城域网MAN
   3. 局域网WAN(广播技术)
   4. 个人局域网PAN

2. 按使用者分

   1. 公用网 - 例如电信移动之类的运营商
   2. 专用网 - 例如公安，医院的内部网

3. 按交换技术分

   1. 电路交换，报文交换，分组交换

4. 按拓扑结构分

   1. 总线型
   2. 星形
   3. 环形
   4. 网状型

5. 按传播技术分
   1. 广播式网络 - 共享公共通信信道
   2. 点对点网络 - 使用分组存储转发和路由选择机制

小章总结 - 概念、组成、功能和分类

标准化工作及相关组织

标准化对计算机网络至关重要

比如我们开启了一个游戏，我们的电脑与游戏不兼容，这个时候我们就需要一个统一的标准

标准的分类

概念	说明
法定标准	由权威机构制定的正式的、合法的标准 OSI
事实标准	某些公司的产品在竞争中占据了主流， 时间长了，这些产品中的协议和技术 就成了标准 TCP/IP

例如

我们的手机卡就是事实标准

RFC 因特网标准的形式

RFC(Request For Comments)

RFC 要上升为因特网正式标准的四个阶段

1. 因特网草案(Internet Draft)这个阶段还不是RFC文档

   • 把你的草案发送到rfc-editor@rfc-editor.org

2. 建议标准( Proposed Standard)从这个阶段开始成为RFC文档。

3. 草案标准( Draft Standard)2011年后该阶段被废除
   通过IETF、IAB等专业人士考核

4. 因特网标准( Internet Standard)

标准化工作的相关组织

小章总结 - 标准化工作及相关组织

速率相关的性能指标

速率

速率表示数据率或者数据传输率或者比特率

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

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。

表示网络设备所支持的最高速度

假如我们是2Mb/s,表示我们可以在1us内发送2bit数据

我们的带宽是指的他发送数据或者接受数据的时候数据量，而不是数据的传输速度，数据在传播的时候使用电磁波传播，一般固定为200m,传播速率为\(2\times10^8 m/s\)

吞吐量

表示单位时间内通过某个网络或者信道，接口的数据量，单位b/s,kb/s,Mb/s等

吞吐量受到网络的带宽或者网络的而定速率的限制

时延、时延带宽积、RTT和利用率

其实时延、时延带宽积、RTT和利用率还是属于速率相关的性能指标但是在视频内这两个分章了，所以最终决定拆开来记笔记

时延

指数据(报文/分组/比特流)从网络( 或链路)的一端传送到另一端所需的时间。也叫延迟或迟延。单位是s

高速链路的概念

我们高速链路通常是采取在发送端上传更多的数据(提高信道带宽)。或者修改中间介质(例如使用光纤)，来提高我们数据的传播速度，我们实际上的数据在传输速度没有发生改变(数据在传输时的速度),但是一次性能传递更多的数据

减少了发送时延，但是传播时延的速度是不变的

时延带宽积

一句话概括

表示时延和带宽的乘积

\[\overbrace{时延带宽积}^{单位:bit}=\overbrace{传播时延}^{单位:秒}\times\overbrace{带宽}^{单位:b/s} \]

往返时延RTT

可以看到我们的RTT不包括发送时延的，就是服务端把数据放到我们的通信信道上的时间是不包括的

• 这里的RTT越大，在确认收到之前可以发送更多数据，是因为我们处理大数据需要更多的时间，也就是RTT越大，这里是反过来说了

利用率

1. 信道利用率

   • \[\frac{有数据通过的时间}{(有+无)数据通过时间} \]

2. 网络利用率

   • \[信道利用率加权平均值 \]

利用率接近100%的时候，我们的效率会越来越低(因为信道堵车了)

小章总结 -速率相关的性能指标和时延、时延带宽积、RTT和利用率

分层结构、协议、接口、服务

为什么要分层

• 发送文件前要完成的工作:
• 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活。
• 要告诉网络如何识别目的主机。
• 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。
• 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。
• 确保差错和意外可以解决。
• 等等等

我们现在就需要把这些问题转化成一个又一个小问题

怎么分层

一个小例子

我们需要发送给另一个人一瓶酒

1. 我们把酒打包
2. 发送给快递公司
3. 对方拿到酒
4. 拆包
5. 喝酒

分层基本原理

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

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]

   • 

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]

协议是同层之间，服务是上下层之间

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- -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。

小章总结 - 分层结构、协议、接口、服务

OSI参考模型

计算机网络分层结构

我们为了学习方便，总结了一个5层的体系结构

ISO/OSI参考模型是怎么来的?

但是最终OSI失败了，主要有以下几个原因

1. OSI专家缺乏实际经验，构想非常好
2. OSI协议复杂，效率低
3. OSI制定周期过长
4. OSI层次化不太合理，某些功能在多个层中重复

ISO/OSI参考模型

我们可以用谐音来记

\[& 原:物联网淑慧试用 \\ & 谐音:物链网输会示用 \\ \]

ISO/OSI参考模型解释通信过程

我们上面三个层次都是端到端通讯

下面三个进程都是点到点通讯

上面三个层次像是老板，不需要知道我们文件怎么传，只需要知道我们需要传递给谁就行了

下面三个要关注我们要怎么传递，下一步传递给谁

应用层

所有能和用户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)

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：

1. 数据格式变换(翻译官)

2. 数据的加密解密(加密之后再进行传输)

3. 数据压缩和恢复

   • 例如 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地传输数据，这是会话，也是建立同步(SYN)

例如我们打电话的时候，我们需要先接通电话才能和对面说话，如果电话还没打通之前，我们说话对面都是听不见的

我们会话之间彼此独立，

功能:

1. 建立、管理、终止会话

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

   • 适用于大文件点断续传,主要协议有：ADSP，ASP

传输层

负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报。

功能：

1. 可靠传输、不可靠传输
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。

主要协议有：TCP和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。

功能:

1. 路由选择
   • 我们传输数据有很多方式，我们需要选择一个最佳路径
2. 流量控制
   • 假如发送端速率过快，接收端接受不过来，我们就需要使用网络层调整，反之亦然
3. 差错控制
   • 查看我们是否能纠错，例如奇偶校验码，海明码
4. 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

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：

1. 成帧(定义帧的开始和结束) 1000011101010101
2. 差错控制 帧错+位错
3. 流量控制
4. 访问(接入)控制 控制对信道的访问

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:

1. 定义接口特性

2. 定义传输模式单工、半双工、双工

   • 单工：只能一个接受一个发送
   • 半双工：双方都可以发送和接受，但是不能同时进行，一个如果发送，另一个就只能接收
   • 双工：双方可以同时发送和接收，例如打电话

3. 定义传输速率

4. 比特同步

5. 比特编码

主要协议：rj45，802.3

小章总结 - OSI参考模型

TCP/IP参考模型和5层参考模型

TCP/IP模型是先有协议，最后才有模型，我们的各个栈抽象成层

TCP/IP 协议不止TCP,IP两个协议，只是因为这两个比较常用，所以才取名，实际上还有很多协议，比如TCP,UDP等

TCP和OSI对比

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

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

	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^[1]

1. 建立连接，在此阶段，发出一个建立连接的请求
2. 只有在连接成功建立之后，才能开始数据传输
3. 接着，当数据传输完毕，必须释放连接

无连接没有这么多阶段，它直接进行数据传输^[2]

五层参考模型

五层参考模型的数据封装与解封装

最终总结

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1. OSI是为了建立可靠链接，所以两个人都需要连接 ↩︎

2. 无连接就像是蛋糕强行塞进你嘴里一样， 不管你吃不吃先塞再说 ↩︎