计算机网络概述

一、计算机网络概述

1.1 计算机网络分类

  • 按照网络作用范围:广域网(WAN)、城域网(MAN)、局域网(LAN);
  • 按网络使用者:公共网络、专用网络。

1.2 计算机网络层次结构


TCP/IP四层模型与OSI体系结构对比

1.3 层次结构设计的基本原则

  • 各层之间是相互独立的;
  • 每一层需要有足够的灵活性;
  • 各层之间完全解耦。

1.4 计算机网络的性能指标

1.4.1 速率

  • 速率是连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率。是计算机网络中最总要的性能指标
  • 速率往往是额定速率,而非实际运行的速率
  • 单位bps bit/s(比特每秒)

1.4.2 带宽

  • 带宽在信号中是值某个信号的最高频率与最低频率之差
  • 在计算机网络中,带宽指网络的通信线路传送数据的能力(单位时间内从网络某一点到另一点所能通过的最高数据率)
  • 单位 bit/s(比特每秒)

1.4.3 吞吐量

  • 吞吐量表示单位时间内通过某个网络(通信线路、接口)的实际数据量
  • 吞吐量受制于带宽或者网络的额定速率

1.4.4 时延

  • 发送时延:主机与路由器发送数据帧所需要的时间,从发送帧的第一个比特算起,到该帧的最后一个比特发送完毕所需要的时间。计算公式发送时延 = 数据帧长度(bit)/ 发送速率(bit/s)
  • 传播时延:电磁波在信道中传播一定距离所需要花费的时间。计算公式传播时延 = 信道长度(m)/ 电磁波在信道中的传播速率(m/s)
  • 处理时延:另一端的主机或者路由接收到数据帧或者分组后对其进行处理,分析首部,提取数据部分,差错校验等。
  • 排队时延:数据帧或者分组的传播时延可能快于处理时延,分组在进入路由器后在输入队列中等待处理,在路由器确定了转发路由后,还要再输出队列中排队等待转发,这就造成了排队时延

1.4.5 时延带宽积

  • 计算公式:时延带宽积 = 传播时延 * 带宽
  • 表示一个链路上传播的所有比特。
  • 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

1.4.6 往返时间RTT

  • 往返时延RTT(Round-Trip Time)表示从发送端发送数据开始,到发送端收到来自接收端的确认(接收端收到数据后立即发送确认),总共经历的时延。

1.4.7 利用率

  • 信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)。
  • 网络利用率是全网络的信道利用率的加权平均值。
  • 信道利用率并非越高越好(当某信道的利用率增大时,该信道引起的时延也迅速增加。

二、物理层

2.1 物理层的作用

连接不同的物理设备,传输比特流。该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠物理媒体。简单来说,物理层确保原始数据

2.2 物理层的设备

  • 中继器(又称放大器 RP repeater):其作用是将信号整形放大后再转发出去,以消除信号经过长时间传输后,由于噪声干扰而引起的信号衰减;其原理是信号再生,而不是简单的信号放大;使用中继器的几个网段仍是同一个局域网;一般情况下,中继器两端的设备应该相同,但也可以不同;由于中继器工作在物理层,因此它不能连接两个不同速率的局域网。
    理论上,中继器的数量可以是无限的,网络球也可以无限大,但事实上这不可能,因为网络标准中对信号的延迟范围做了具体的规定,中继器只能在此规定范围内进行有效的工作,否则会引起网络故障。例如,在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中,互相串联的中继器的个数不能超过4个,而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机,其余两段只能用作扩展通信范围的链路段,不能挂接计算机。这就是所谓的“5-4-3规则”。
  • 集线器(Hub):其实质上是一个多端口的中继器,不能储存转发,它的每个接口仅仅简单地转发比特——收到1就转发1,收到0就转发0,不进行碰撞检测。若两个接口同时有信号输入(即发生碰撞),那么所有的接口都将收不到正确的帧。

2.3 信道的基本概念

  • 单工通信信道:只能向一个方向通信,没有反方向反馈的信道;
  • 半双工通信信道:双方都可以发送接受信息,但不能同时发送也不能同时接受;
  • 全双工通信信道:双方都可以同时发送和接收。

三、数据链路层

3.1 数据链路层概述

  • 数据链路层在物理层提供的服务基础上想网络层提供服务,其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。

  • 数据链路层的作用:物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。

  • 封装成帧:“帧”是数据链路层数据的基本单位。

  • 透明传输:“透明”是指即使控制字符在帧数据中,但是要当作不存在去处理。即在控制字符前加转义字符ESC。

3.2 数据链路层的差错监测

差错检测:奇偶校验码、循环冗余检验码CRC

  • 奇偶校验码
  • 循环冗余码CRC

3.3 最大传输单元MTU

最大传输单元(MaximumTransmissionUnit),数据链路层的数据帧不是无限大的,数据帧长度受MTU限制
路径MTU:由链路中MTU最小值决定

3.4 以太网协议详解

MAC地址:每一个设备都拥有唯一的MAC地址,48位,十六进制表示。
以太网协议:是一种使用广泛的局域网技术,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

局域网分类:
Ethernet以太网IEEE802.3:
以太网第一个广泛部署的高速局域网
以太网数据速率快
以太网硬件价格便宜,网络造价成本低

以太网帧结构:

  • 类型:标识上层协议(2字节)
  • 目的地址和源地址:MAC地址(每个6字节)
  • 数据:封装的上层协议的分组(46~1500字节)
  • CRC:循环冗余码(4字节)
  • 以太网最短帧:以太网帧最短64字节;以太网帧除了数据部分18字节;数据最短46字节;

MAC地址(物理地址、局域网地址)

  • MAC地址长度为6字节,48位;
  • MAC地址具有唯一性,每个网络适配器对应一个MAC地址;
  • 通常采用十六进制表示法,每个字节表示一个十六进制数,用 - 或 : 连接起来;
  • MAC广播地址:FF-FF-FF-FF-FF-FF。

数据链路层设备

网桥:
交换机:

四、网络层

网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送,具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。数据交换技术是报文交换(基本上被分组所替代):采用储存转发方式,数据交换单位是报文。
网络层中涉及众多的协议,其中包括最重要的协议,也是TCP/IP的核心协议——IP协议。IP协议非常简单,仅仅提供不可靠、无连接的传送服务。IP协议的主要功能有:无连接数据报传输、数据报路由选择和差错控制。与IP协议配套使用实现其功能的还有地址解析协议ARP、逆地址解析协议RARP、因特网报文协议ICMP、因特网组管理协议IGMP。具体的协议我们会在接下来的部分进行总结,有关网络层的重点为:
1.网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。此外,网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能;
2.基本数据单位为IP数据报;
3.包含的主要协议:

  • IP协议(Internet Protocol,因特网互联协议);
  • ICMP协议(Internet Control Message Protocol,因特网控制报文协议);
  • ARP协议(Address Resolution Protocol,地址解析协议);
  • RARP协议(Reverse Address Resolution Protocol,逆地址解析协议)。
    4.重要的设备:路由器

IP协议

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