1.计算机网络概览

1.1 网络与计算机网络

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。

1.2 计算机网络的功能

数据通信：连通性

资源共享：硬件、软件、数据

分布式处理：多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分（如 Hadoop平台）

提供可靠性：一台计算机宕机，可由其他替代机顶替等

负载均衡：多台计算机共同提供服务，分担压力

。。。。。。

1.3 计算机网络的组成

1.3.1 组成部分

硬件：主机、链路、路由器、交换机、集线器等

软件：运行在主机上的各种应用软件

协议：

1.3.2 工作方式

边缘部分：直接面向用户使用的各种主机

• C/S 方式
• P2P方式

核心部分：为边缘部分服务

1.3.3 功能组成

通信子网：实现数据通信，包含网络层、数据链路层、物理层。由各种传输介质、通信设备、相应的网络协议组成。

资源子网：实现资源共享/数据处理，包含应用层、表示层、会话层。是实现资源共享功能的设备和软件的集合。

1.4 计算机网络的分类

• 按分布范围：可分为 广域网【WAN 使用交换技术】、城域网【MAN】、局域网【WAN 使用广播技术】、个人区域网【PAN】

• 按使用者：可分为 公用网【如中国电信，普通用户只需要缴纳一定费用即可获得使用权限】、专用网【如军队、铁路等的专用网，只有特殊用户方可使用】

• 按交换技术：电路交换、报文交换、分组交换

• 按拓扑结构：总线型、星型、环型、网状型【常用于广域网】

• 按传输技术：
  • 广播式网络：共享公共通信信道
  • 点对点网络：使用分组存储转发和路由选择机制

1.5 小结

2.计算机网络的标准化工作

​ 要实现不同厂商的硬、软件之间相互连通，必须遵从统一的标准

2.1 标准的分类

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】

2.2 RFC

2.3 标准化工作的相关组织

2.4 小结

3.计算机网络性能指标

3.1 速率

速率即数据率或称数据传输率或比特率，指的是连接在计算机网上的主机在数字信道上传送数据位数的速率。

单位：b/s kb/s Mb/s Gb/s Tb/s

汉语表示：

• 千 1 kb/s = 10^3 b/s
• 兆 1 Mb/s = 10^6 b/s
• 吉 1 Gb/s = 10^9 b/s
• 太 1 Tb/s = 10^12 b/s

区分：存储容量的表示法

1 KB = 2^10 B = 1024 B = 1024 * 8b

1 MB = 2^10 KB = 1024 KB

1 GB = 2^10 MB = 1024 MB

1 TB = 2^10 GB = 1024 GB

3.2 带宽

• 带宽：原本是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】

• 在计算机网络中，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。

3.3 吞吐量

【定义】

单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。单位：b/s

【注意】

吞吐量受网络带宽或网络的额定速率的影响

3.4 带宽、速率、吞吐量区别

3.5 时延

3.5.1 定义

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要的的时间。也叫延迟、迟延，单位：s

3.5.2 分类

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需要的时间

传播时延：数据在信道上传送数据耗时。取决于电磁波传播速度与链路长度。

排队时延：分组在进入路由器后需要在输入队列中排队，确认转发接口后，也需要在输出队列中排队，由此产生排队时延。

处理时延：主机或路由器在收到分组时需要花费一定时间进行处理，由此产生处理时延。

3.6时延带宽积

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。

3.7 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，总共经历的时延。

• RTT[Round-Trip Time]主要包含：

  • 往返传播时延 = 传播时延 * 2
  • 末端处理时延

3.8 利用率

4. 计算机网络分层结构

4.1 分层缘由

举个栗子：一台计算机需要向另外一台计算机发送文件

发送文件前需要完成的工作：

1. 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活

2. 要告诉网络如何识别目的主机

3. 发送方要查明接收方是否开机，网络连接是否正常

4. 发送方需查明，对方计算机中文件管理程序是否已经做好准备

5. 确保差错和意外可以解决

   。。。

4.2 分层原则

分层的基本原则：

1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能
2. 每层之间界限自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
3. 结构上可分割。每层都采用最适合的技术来实现
4. 保持下层对上层的独立，上层单向使用下层提供的服务
5. 整个分层结构应该促进标准化工作

举个栗子：82年拉菲的快递之旅

4.3 术语解析

1. 实体：第n层的活动元素称为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。【水平意义】

   • 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。【垂直意义】

1. 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
2. PCI协议控制信息：控制协议操作的信息
3. PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单元

4.4 小结

1. 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构的

2. 计算机网络体系结构（简称网络体系结构）是分层结构

3. 每层遵循某个/些网络协议以完成本层的功能

4. 计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其包含的协议的集合

5. 第n层向第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

6. 仅仅在相邻之间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上层完全屏蔽

7. 体系结构是抽象的，而具体实现是指硬件以及能运行的一些软件

4.5 分层结构

4.5.1 OSI七层结构

4.5.2 OSI参考模型解释通信过程

4.5.2.1 概览

【端到端、点到点】

【数据封装与解封过程】

4.5.2.2 各层介绍

4.5.2.2.1 应用层

• 所有能和用户交互产生网络流量的程序，如 QQ、浏览器等。而无法联网的如记事本，则不属于计算机网络的应用层范畴
• 典型应用层服务：
  • 文件传输【FTP】
  • 电子邮件【SMTP】
  • 万维网【HTTP】

4.5.2.2.2 表示层

用于处理在两个通信系统中交换的信息的表示方式（语法、语义）

功能一：数据格式变换

功能二：数据加密解密

功能三：数据压缩和恢复

主要协议：JPEG、ASCII

4.5.2.2.3 会话层

向表示层实体/用户进程提供连接的建立、在连接上有序地传输数据。这是会话，也是同步建立【SYN】

功能一：建立、管理、终止会话

功能二：使用校验点可以使会话在通信失效时，从校验想·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

4.5.2.2.4 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

功能一：可靠传输【确认重传】、不可靠传输【最大努力交付】

功能二：差错控制

功能三：流量控制【控制发送速率】

功能四：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：TCP、UDP

4.5.2.2.5 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。

功能一：路由选择【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

​ 拥塞控制：若所有节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

4.5.2.2.6 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

4.5.2.2.7 物理层

主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。物理层传输的单位是比特。

透明传输：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

功能一：定义接口特性

功能一：定义传输模式【单工、半双工、双工】

功能一：定义传输速率

功能一：比特同步

功能一：比特编码

主要协议：Rj45、802.3

4.5.3 TCP/IP参考模型

4.5.3.1 对比

相同点：

• 都分层
• 都基于独立的协议栈的概念
• 都可以实现异构网络的互连

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设计之初考虑到异构网络互连的问题，故将IP作为重要的层次

面向连接【分三个阶段】：

• 建立连接【发出一个建立连接的请求，只有在连接建立成功之后，才能开始数据传输】
• 数据传输
• 释放连接【当数据传输完毕，就必须释放连接】

无连接：没有面向连接这么多的阶段，无连接直接进行数据传输

4.5.4 五层参考模型

4.5.4.1 介绍

应用层：支持各种网络应用【FTP、SMTP、HTTP】

传输层：进程-进程的数据传输【TCP、UDP】

网络层：源主机到目的主机的数据分组、路由选择和分组转发【IP、ICMP、OSPF】

数据链路层：把网络层传下来的数据报组装成帧【Ethernet、PPP】

物理层：比特传输

4.5.4.2 数据的封装与解封

5.小结