計算機網路基礎知識和概念

• 計算機網路基礎知識和概念
  • 概念、組成、功能和分類
    • 計算機網路的概念
    • 計算機網路的功能
    • 計算機網路的組成
    • 計算機網路的分類
    • 小章總結 - 概念、組成、功能和分類
  • 標準化作業及相關組織
    • 標準的分類
    • RFC 因特網標準的形式
    • 標準化作業的相關組織
    • 小章總結 - 標準化作業及相關組織
  • 速率相關的性能指標
    • 速率
    • 帶寬
    • 吞吐量
  • 時延、時延帶寬積、RTT和利用率
    • 時延
      • 高速鏈路的概念
    • 時延帶寬積
    • 往返時延RTT
    • 利用率
    • 小章總結 -速率相關的性能指標和時延、時延帶寬積、RTT和利用率
  • 分層結構、協議、介面、服務
    • 為什么要分層
    • 怎么分層
    • 正式認識分層結構
    • 概念總結
    • 小章總結 - 分層結構、協議、介面、服務
  • OSI參考模型
    • 計算機網路分層結構
    • ISO/OSI參考模型是怎么來的?
    • ISO/OSI參考模型
    • ISO/OSI參考模型解釋通信程序
    • 應用層
    • 表示層
    • 會話層
    • 傳輸層
    • 網路層
    • 資料鏈路層
    • 物理層
    • 小章總結 - OSI參考模型
  • TCP/IP參考模型和5層參考模型
    • TCP和OSI對比
    • 五層參考模型
      • 五層參考模型的資料封裝與解封裝
  • 最終總結

本章包含

• 概念、組成、功能和分類
• 標準化作業及相關組織
• 速率相關的性能指標
• 時延、時延帶寬積、RTT和利用率
• 分層結構、協議、介面、服務
• OSI參考模型
• TCP、IP參考模型和5層參考模型

開課前導論

有了計算機網路我們就可以和其他人一起聯機，一起和他人游戲，同時如果基礎扎實可以直接成為一名入門黑客

怎么學計算機網路?

計算機網路知識點多,但是分值低

所以我們需要理解記憶，抓住重點，復習分為多輪復習

重點

• 以太網典型網路
• 協議
• 網路設備

通常我們的結構分為5層

目前不會展開說，在之后的筆記內會介紹

概念、組成、功能和分類

計算機網路的概念

計算機網路:是一個將分散的、具有獨立功能的計算機系統，通過通信設備與線路連接起來，由功能完善的軟體實作資源共享和資訊傳遞的系統，

我們從這一段話我們知道了他是什么，怎么用，能干什么

• 首先需要的是獨立功能的計算機系統
• 然后必須要有通訊設備與線路，同時還有配套的軟體
• 最后才能實作我們的資源共享和資訊傳遞

計算機網路是互連,自治的計算機集合

計算機網路的功能

1. 資料通訊(連通性)
   • 說明:不同的設備之間交流資料
2. 資源共享(硬體,軟體,資料)
   • 說明:上傳或者下載資料
3. 分布式處理
   • 說明:多臺計算機各自承擔同一個作業任務的不同部分(Hadoop平臺)
4. 提高可靠性(替代機)
   • 說明:有的時候我們的計算機會發生故障，我們就可以利用替代機進行替代
5. 負載均衡
   • 說明；讓計算機之間更加親密

計算機網路的組成

1. 組成部分 硬體(主機，路由器，交換機)，軟體(QQ，微信)，協議

2. 作業方式
   • 邊緣部分(用戶可以直接使用)
     • C/S方式
     • P2P方式
   • 核心部分(為邊緣部分提供服務)
     • 
3. 資料組成(資料通訊，資源共享)
   • 通信子網(實作資料通信)
   • 資源子網(實作資源共享/資料處理)

計算機網路的分類

1. 按分布范圍分

   1. 廣域網WAN(交換技術)
   2. 城域網MAN
   3. 局域網WAN(廣播技術)
   4. 個人局域網PAN

2. 按使用者分

   1. 公用網 - 例如電信移動之類的運營商
   2. 專用網 - 例如公安，醫院的內部網

3. 按交換技術分

   1. 電路交換，報文交換，分組交換

4. 按拓撲結構分

   1. 總線型
   2. 星形
   3. 環形
   4. 網狀型

5. 按傳播技術分
   1. 廣播式網路 - 共享公共通信信道
   2. 點對點網路 - 使用分組存盤轉發和路由選擇機制

小章總結 - 概念、組成、功能和分類

標準化作業及相關組織

標準化對計算機網路至關重要

比如我們開啟了一個游戲，我們的電腦與游戲不兼容，這個時候我們就需要一個統一的標準

標準的分類

例如

我們的手機卡就是事實標準

RFC 因特網標準的形式

RFC(Request For Comments)

RFC 要上升為因特網正式標準的四個階段

1. 因特網草案(Internet Draft)這個階段還不是RFC檔案

   • 把你的草案發送到[email protected]

2. 建議標準( Proposed Standard)從這個階段開始成為RFC檔案，

3. 草案標準( Draft Standard)2011年后該階段被廢除
   通過IETF、IAB等專業人士考核

4. 因特網標準( Internet Standard)

標準化作業的相關組織

小章總結 - 標準化作業及相關組織

速率相關的性能指標

速率

速率表示資料率或者資料傳輸率或者位元率

位元

• 1/0 位
• 連接在計算機網路上的主機在數字信道上傳送資料位數的速率
  單位是b/s，kb/s， Mb/s， Gb/s， Tb/s

帶寬

“帶寬”原本指某個信號具有的頻帶寬度，即最高頻率與最低頻率之差，單位是赫茲(Hz)

計算機網路中，帶寬用來表示網路的通信線路傳送資料的能力，通常是指單位時間內從網路中的某一點到另一點所能通過的“最高資料率”，單位是“位元每秒”，b/s， kb/s， Mb/s，Gb/s，

表示網路設備所支持的最高速度

假如我們是2Mb/s,表示我們可以在1us內發送2bit資料

我們的帶寬是指的他發送資料或者接受資料的時候資料量，而不是資料的傳輸速度，資料在傳播的時候使用電磁波傳播，一般固定為200m,傳播速率為\(2\times10^8 m/s\)

吞吐量

表示單位時間內通過某個網路或者信道，介面的資料量，單位b/s,kb/s,Mb/s等

吞吐量受到網路的帶寬或者網路的而定速率的限制

時延、時延帶寬積、RTT和利用率

其實時延、時延帶寬積、RTT和利用率還是屬于速率相關的性能指標但是在視頻內這兩個分章了，所以最終決定拆開來記筆記

時延

指資料(報文/分組/位元流)從網路( 或鏈路)的一端傳送到另一端所需的時間，也叫延遲或遲延，單位是s

高速鏈路的概念

我們高速鏈路通常是采取在發送端上傳更多的資料(提高信道帶寬)，或者修改中間介質(例如使用光纖)，來提高我們資料的傳播速度，我們實際上的資料在傳輸速度沒有發生改變(資料在傳輸時的速度),但是一次性能傳遞更多的資料

減少了發送時延，但是傳播時延的速度是不變的

時延帶寬積

一句話概括

表示時延和帶寬的乘積

往返時延RTT

可以看到我們的RTT不包括發送時延的，就是服務端把資料放到我們的通信信道上的時間是不包括的

• 這里的RTT越大，在確認收到之前可以發送更多資料，是因為我們處理大資料需要更多的時間，也就是RTT越大，這里是反過來說了

利用率

1. 信道利用率

   • \[\frac{有資料通過的時間}{(有+無)資料通過時間} \]

2. 網路利用率

   • \[信道利用率加權平均值 \]

利用率接近100%的時候，我們的效率會越來越低(因為信道堵車了)

小章總結 -速率相關的性能指標和時延、時延帶寬積、RTT和利用率

分層結構、協議、介面、服務

為什么要分層

• 發送檔案前要完成的作業:
• 發起通信的計算機必須將資料通信的通路進行激活，
• 要告訴網路如何識別目的主機，
• 發起通信的計算機要查明目的主機是否開機，并且與網路連接正常，
• 發起通信的計算機要弄清楚，對方計算機中檔案管理程式是否已經做好準備作業，
• 確保差錯和意外可以解決，
• 等等等

我們現在就需要把這些問題轉化成一個又一個小問題

怎么分層

一個小例子

我們需要發送給另一個人一瓶酒

1. 我們把酒打包
2. 發送給快遞公司
3. 對方拿到酒
4. 拆包
5. 喝酒

分層基本原理

1. 各層之間相互獨立，每層只實作一種相對獨立的功能

2. 每層之間界面自然清晰，易于理解，相互交流盡可能少

3. 結構上可分割開，每層都采用最合適的技術來實作

4. 保持下層對上層的獨立性，上層 單向使用下層提供的服務

5. 整個分層結構應該能促進標準化作業

正式認識分層結構

1. 物體:第n層中的活動元素稱為n層物體，同一層的物體叫對等物體，

2. 協議:為進行網路中的對等物體資料交換而建立的規則、標準或約定
   稱為網路協議，[水平]

   • 

3. 介面(訪問服務點SAP) :.上層使用 下層服務的入口，

4. 服務:下層為相鄰上層提供的功能呼叫[ 垂直]

協議是同層之間，服務是上下層之間

概念總結

網路體系結構是從功能上描述計算機網路結構，

計算機網路體系結構簡稱網路體系結構是分層結構，

每層遵循某個/些網路協議以完成本層功能，

計算機網路體系結構是計算機網路的各層及其協議的集合，

第n層在向n+1層提供服務時，此服務不僅包含第n層本身的功能，還包含由下層服務提供的功能，

僅僅在相鄰層間有介面，且所提供服務的具體實作細節對上- -層完全屏蔽，

體系結構是抽象的，而實作是指能運行的一- 些軟體和硬體，

小章總結 - 分層結構、協議、介面、服務

OSI參考模型

計算機網路分層結構

我們為了學習方便，總結了一個5層的體系結構

ISO/OSI參考模型是怎么來的?

但是最終OSI失敗了，主要有以下幾個原因

1. OSI專家缺乏實際經驗，構想非常好
2. OSI協議復雜，效率低
3. OSI制定周期過長
4. OSI層次化不太合理，某些功能在多個層中重復

ISO/OSI參考模型

我們可以用諧音來記

ISO/OSI參考模型解釋通信程序

我們上面三個層次都是端到端通訊

下面三個行程都是點到點通訊

上面三個層次像是老板，不需要知道我們檔案怎么傳，只需要知道我們需要傳遞給誰就行了

下面三個要關注我們要怎么傳遞，下一步傳遞給誰

應用層

所有能和用戶產生網路流量的程式

典型應用層服務:

• 檔案傳輸(FTP)
• 電子郵件(SMTP)
• 萬維網(HTTP)

表示層

用于處理在兩個通信系統中交換資訊的表示方式(語法和語意)

功能：

1. 資料格式變換(翻譯官)

2. 資料的加密解密(加密之后再進行傳輸)

3. 資料壓縮和恢復

   • 例如 JPEG,ASCII

會話層

向表示層物體/用戶行程提供建立連接并在連接上有序地傳輸資料，這是會話，也是建立同步(SYN)

例如我們打電話的時候，我們需要先接通電話才能和對面說話，如果電話還沒打通之前，我們說話對面都是聽不見的

我們會話之間彼此獨立，

功能:

1. 建立、管理、終止會話

2. 使用校驗點可使會話在通信失效時從校驗點/同步點繼續恢復通信，實作資料同步

   • 適用于大檔案點斷續傳,主要協議有：ADSP，ASP

傳輸層

負責主機中兩個行程的通信，即端到端的通信，傳輸單位是報文段或用戶資料報，

功能：

1. 可靠傳輸、不可靠傳輸
2. 差錯控制
3. 流量控制
4. 復用分用

復用:多個應用層行程可同時使用下面運輸層的服務，
分用:運輸層把收到的資訊分別交付給上面應用層中相應的行程，

主要協議有：TCP和UDP

網路層

主要任務是把分組從源端傳到目的端，為分組交換網上的不同主機提供通信服務，網路層傳輸單位是資料報，

功能:

1. 路由選擇
   • 我們傳輸資料有很多方式，我們需要選擇一個最佳路徑
2. 流量控制
   • 假如發送端速率過快，接收端接受不過來，我們就需要使用網路層調整，反之亦然
3. 差錯控制
   • 查看我們是否能糾錯，例如奇偶校驗碼，海明碼
4. 擁塞控制
   • 若所有結點都來不及接受分組，而要丟棄大量分組的話，網路就處于擁塞狀態，因此要采取一定措施,緩解這種擁塞，

主要協議:IP，IPX，ICMP，IGMP，ARP，RARP，OSPF

資料鏈路層

主要任務是把網路層傳下來的資料報組裝成幀，
資料鏈路層/鏈路層的傳輸單位是幀，

功能：

1. 成幀(定義幀的開始和結束) 1000011101010101
2. 差錯控制 幀錯+位錯
3. 流量控制
4. 訪問(接入)控制 控制對信道的訪問

主要協議：SDLC，HDLC，PPP，STP

物理層

主要任務是在物理媒體上實作位元流的透明傳輸，
物理層傳輸單位是位元，

• 透明傳輸:指不管所傳資料是什么樣的位元組合，都應當能夠在鏈路上傳送，

功能:

1. 定義介面特性

2. 定義傳輸模式單工、半雙工、雙工

   • 單工：只能一個接受一個發送
   • 半雙工：雙方都可以發送和接受，但是不能同時進行，一個如果發送，另一個就只能接收
   • 雙工：雙方可以同時發送和接收，例如打電話

3. 定義傳輸速率

4. 位元同步

5. 位元編碼

主要協議：rj45，802.3

小章總結 - OSI參考模型

TCP/IP參考模型和5層參考模型

TCP/IP模型是先有協議，最后才有模型，我們的各個堆疊抽象成層

TCP/IP 協議不止TCP,IP兩個協議，只是因為這兩個比較常用，所以才取名，實際上還有很多協議，比如TCP,UDP等

TCP和OSI對比

相同點

1. 都分層
2. 基于獨立的協議堆疊的概念
3. 可以實作異構網路互聯

不同點

1. OSI定義三點:服務、協議、介面

2. OSI先出現，參考模型先于協議發明，不偏向特定協議

3. TCP/IP設計之初就考慮到異構網互聯問題，將IP作為重要層次

面向連接分為三個階段^[1]

1. 建立連接，在此階段，發出一個建立連接的請求
2. 只有在連接成功建立之后，才能開始資料傳輸
3. 接著，當資料傳輸完畢，必須釋放連接

無連接沒有這么多階段，它直接進行資料傳輸^[2]

五層參考模型

五層參考模型的資料封裝與解封裝

最終總結

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