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计算机网络第一章

简介: 计算机网络第一章
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@TOC
本文是观看计算机网络--微课堂所写

计算机网络

这个思维导图是第一章所讲内容 ,当看完后,可以回过头来看看自己能否根据思维导图中的内容回想起相关内容
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第一章 概述

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
  • 计算机网络成为生活中不可或缺的一部分

1.2因特网概述

1.2.1网络、互联网(互连网)和因特网

  • 网络由若干个结点和连接这些结点的链路组成
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笔记本电脑是一个结点,台式电脑是一个结点,网路打印机是一个结点,把它们互连起来的交换机也是一个结点,结点之间的链路可以是有线链路或无线链路

  • 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,即互联网

因此,互联网是网络的网络

如图所示,这些网络可以通过路由器互连,形成更大的互联网
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因特网(Internet)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)

  • 因特网常用一朵云来表示
  • 连接在因特网上的计算机称为主机
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1.2.2因特网发展的三个阶段

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2.2.1因特网服务提供者ISP

  • 普通用户是通过ISP接入因特网的,ISP可以从因特网管理机构申请到成块的IP地址,同时拥有通信线路以及路由器等连网设备,任何机构和个人只要向IP交纳相应的费用,就可以从ISP得到所需要的IP地址。这点其实很重要,因为因特网上的主机都必须有IP地址才能进行通信,这样就可以通过这个ISP接入因特网
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  • 我国主要的ISP是中国移动,中国电信,中国联通三大电信运营商
  • 根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP地址数量的不同,ISP也分成不同的层次
  • 2.2.2基于ISP的三层结构的因特网
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  • 第一层ISP通常被称为因特网主干网,一般都能覆盖国际性区域范围,拥有高速链路和交换设备,第一次ISP之间直接互联
  • 第二次ISP和一些大公司都是第一层ISP的用户,第一层ISP通常具有区域性或国家兴覆盖规模,和少数第一次ISP相连接
  • 第三层ISP又称为本地ISP,它们是第二次ISP的用户,而且只拥有本地范围的网络,一般的校园网或企业网,以及住宅用户和无线移动用户,都是第三层ISP的用户
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经常遇到以下这种情况:

相隔较远的两台主机之间的通信可能需要经过多个ISP,一旦某一个用户能够接入到因特网,那么他也可以成为ISP,需要做的就算购买一些比如调制解调器或路由器这样的设备,让其他用户能和他相连

1.2.3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很重要的作用
  • 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(Request for comments)技术文档都可以从因特网上免费下载
    • 任何人都可以随时调用电子邮件发表对某一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

    • 因特网体系结构委员会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,从事理论方法的研究和开发一些需要长期考虑的问题
  • 制定因特网的正式标准需要经过以下四个阶段

    • (1)因特网草案(在这个阶段还不是RFC文档)
    • (2)建议标准(从这个阶段开始成为RFC文档)
    • (3)草案标准
    • (4)因特网标准
  • 不是所有的RFC文档都能成为因特网标准,只有一小部分RFC文档最后才能成为因特网标准
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1.2.4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的,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

    • 大量网络和连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)

1.3三种交换方式

1.3.1电路交换

  • 诞生背景

电话诞生后,人们发现想让所有电话机两两相连接是不现实的,如果电话机数量大,这种连接方式就不现实。
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所以人们就发现,应该让一个中间设备,把这些电话机连接起来, 这个中间设备就是电话交换机

电话交换机可以看成是一个有很多开关的开关器,可以把需要通信的两部电话的电话线路按照需求接通,大大减少电话机连接的数量

当电话机数量增多,就要使用很多彼此连接起来的电话交换机来完成全网交换任务,用这样的方法,就构成了覆盖全世界的电信网。

  • 相关概念

    • 电话交换机接通电话线的方式叫电路交换
    • 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

      • ①建立连接(分配通信资源)-----例如,使用电话交换打电话之前,必须先拨号请求连接
      • ②通话(一直占用通信资源)------其他用户无法再打电话进来
      • ③释放连接(归还通信资源)------电话挂断,把占用资源还给电信网
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  • 中继线由许多用户共享,用户线是电话用户专用

我们来思考一个问题:能不能用电路交换的方式传输计算机数据?

尽管采用电路交换可以实现计算机之间的数据传送,但是线路的传输效率往往很低。计算机传输的数据是突发式的传输的,比如说:用户在输入和编写一份还没有传输的文件的时候,用户占用的通信资源这个时候还没有得到利用,但是这个通信资源也不能被其他用户利用,就会造成资源浪费,所以计算机网络通常采用分组交换。

?

1.3.2分组交换(重点)

  • 概念

因特网中,最重要的分组交换机就是路由器,负责把各种网络连接起来,并且对接收到的分组进行转发-也就是分组交换。

  • 例子

如图:

假设用户h6要给h2发消息,通常我们把表示信息的整块数据称为一个报文,在发送之前,我们先把较长的报文划分成为一个个更小的等长数据段,在每一个数据段的前面,加上一些由必要的控制信息组成的首部(简称包头)后,就构成一个分组(简称为包)
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首部的作用:包含分组的目的地址,否则分组传输路径的各个分组交换机,就不知道如何转发分组

分组交换机收到一个分组后,先把分组暂时存储下来,然后检查首部,按照首部中的目的地址进行查表转发,转发给下一个分组交换机。各个交换机进行对分组信息的储存转发后,最终到达主机H2。

目的地处理及再去除分组首部,还原出报文。传输完成。

分组传输的特点:

①各个分组从源站到目的站可以走不同路径

②分组到达目的站的顺序不一定和分组在源站的发送顺序相同

分组中各个角色的功能:
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1.3.3报文交换(现在较少使用)

? 报文交换中的交换节点也采用存储转发的方式,但报文交换对报文大小没有限制

1.3.4三种交换方式对比

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1.4计算机网络的定义和分类

  • 计算机网络目前还没有精确的定义
  • 计算机网络最简单的定义:一些互相连接的自治的计算机的集合。

    • 互连:计算机之间可以通过有线或者无线的方式进行数据通信
    • 自治:独立的计算机,有自己的硬件和软件,可以单独运行使用
    • 集合:至少要两台计算机
  • 计算机网络较全面的定义:

    • 计算机网络主要是一些通用的、可编程的硬件互连而成的,而硬件并非专门用来实现某一特定目的的,这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据(如音频、数据),这些可编程的软件能支持广泛和日益增长的应用
    • 计算机网络连接的硬件,不局限于一般的计算机,还包括智能手机等智能硬件
    • 计算机网络不是专门用来传送数据,而是能支持很多应用(包括以后可能出现的应用)
  • 计算机网络的分类

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公用网:只要愿意按照电信公司的规定交纳费用的人,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建造的网络,不对外提供

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有线网络:包括双绞线网络,光纤网络

无线网络:主要有WiFi
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  • 广域网WAN:覆盖范围一般是几十公里到几千公里,可以覆盖国家,地区,甚至是横跨几个洲,有时候也成为远程网,广域网是因特网的核心部分,负责互连分布在不同区域的城域网和局域网,是最大范围的网络。
  • 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,互连大量企业、机构、学校。
  • 局域网LAN:局域网一般是微信计算机或工作站通过告诉线路相连,范围一般是一个实验室,一个校园,一栋楼,通常由某个单位单独拥有、使用和维护。
  • 个域网PAN:个人区域网络。不是用来连接普通计算机,而是在个人工作的地方把个人使用的电子设备,鼠标、键盘、耳机等用无线的方式连接起来形成的个人网络系统。也常常称为无限个人区域网WPAN,覆盖范围大约10米
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  • 总线型网络:使用单根传输线把计算机连接起来

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    • 优点:建网冗余,增减结点方便,节省线路
    • 缺点:重负载时通信效率不高,总线只要有一个地方出现故障,全网瘫痪
  • 星型网络:每个计算机都以单独的线路和中央设备相连,中央设备现在一般是交换机或路由器
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  • 优点:便于网络的集中控制和管理
  • 缺点:成本高,中央设备对故障敏感
  • 环形网络:把所有计算机的网络接口连接成一个环,环可以是单环,双环,环中信号是单向传输的
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网状型网络

  • 一般情况,每个结点至少由两个路径和其他结点相连,多用在广域网
  • 优点:可靠性高
  • 缺点:控制复杂,线路成本高
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注意:以上四种基本的网络拓扑还可以互连成更复杂的网络

1.5计算机网络的性能指标

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速率

先了解一下比特

  • 比特:计算机数据量的单位,一个比特就是二进制的1或0

常用数据量单位:

1Byte=8bit  Byte简写为B,比特简写为b

1KB=2^10Byte

1MB=K*KB=2^20B

1GB=K*MB=2^30B

1TB=K*GB=2^40B
  • 速率:连接在计算机网络的主机在数组信道上的传送比特的速率,也称比特率或数据率
  • 常用数据率单位
bit/s   (b/s,    bps)

kb/s=10^3 b/s (bps)

Mb/s=k*kb/s=10^6b/s

Gb/s=K*Mb/s=10^9 b/s
Tb/s=k*Gb/s=10^12 b/s

注意:

  • 在数据量单位中,1K=2^10
  • 在数据率单位中,1k=10^3
  • 这两个的区别,一定一定一定要注意区别,不然会做错!!!!!!!

带宽

  • 带宽在模拟信号系统中的意义

    • 信号包含的各种不同频率成分所占的频率范围
    • 单位:Hz(kHZ MHz GHz)
    • 在传统的通信线路上传送的电话信号的标准带宽为3.1kHz,范围从300Hz到3.4kHz,这是话音主要成分的范围
  • 带宽在计算机网络的意义

    • 用来表示网络的通信线路所能传送的数据的能力,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/s, Gb/s, Tb/s),与速率相同。
    • 在日常生活中的宽带带宽除以8,一般就是平时使用中的最高传输速率。(1B = 8bit)
    • 是一个很重要的计算机网络性能指标。直接关系网络的应用体验。

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吞吐量

  • 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络(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

  • 发送时延:源主机将分组发往传输线路产生的时延

    • 公式:分组长度(b)/发送速率(b/s)
    • 发送速率 由网卡发送速率,信道带宽,交换机或路由器的接口速率的最小速率所决定

?

  • 传播时延:分组的电信号在链路上传输产生的时延

    • 公式:信道长度(m)/电磁波传输速率(m/s)
    • 电磁波在不同介质的传播速率不同
    • 自由空间:3×10^8 m/s
    • 铜线:2.3×10^8 m/s
    • 光纤:2.0×10^8 m/s
  • 处理时延:路由器接到分组后,对其存储转发的时延

    • 不方便计算
    • 网络中的数据流量动态变化,因此路由器的繁忙程度也是动态变化
    • 而且路由器的软硬件性能可能不同
    • 处理时延在题目上一般忽略不计

在处理时延忽略不计的情况,发送时延和传播时延哪一个占据主导需要具体问题具体分析

时延带宽积

传播时延和带宽的乘积

我们可以把传输链路看成管道
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往返时间

  • 信息很多情况是双向交互
  • 有时候想知道双向交互一次的时间
  • 往返时间RTT是重要的性能指标

利用率

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总结

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1.6计算机网络体系结构(重点难点)

1.6.1常见的计算机网络体系结构

为了让计算机在世界范围内互连,提出OSI体系结构——发系统互连参考模型
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OSI体系结构过于复杂,而且效率低,层次划分不合理

TCP/IP体系结构

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  • TCP/IP体系结构把OSI体系结构的物理层和数据链路层合并成网络接口层
  • 去掉了会话层和表示层
  • TCP/IP在网络层使用的协议是IP协议(网际协议)
  • TCP/IP体系结构的网络接口层没有规定什么内容,目的是为了互连全世界的网络接口
  • 所以实际上TCP/IP协议只有三层:网际层、运输层、应用层。
  • IP协议是网际协议的核心协议,包含TCP和UDP两个协议
  • 在这里插入图片描述

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1.6.2计算机网络体系结构分层的必要性

  • 计算机网络很复杂
  • 分层是为了更好解决问题,把大问题分为小问题,这样有利于研究
  • 各个层次解决的问题

    • 物理层:

      • 采用怎样的传输媒体(介质)
      • 采用怎样的物理接口
      • 使用怎样的信号表示比特0和1

解决物理层的问题后,主机间就可以发送信号来传输比特0或1了

    • 数据链路层:

    接下来看一下在总线型的网络上,还面临什么问题
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主机A要给主机C发数据,但是表示数据的信号会通过总线传播到总线上的每一台主机

主机C怎么知道数据是发给他的?其他主机又怎么知道数据不是发给自己的?

  • 所以要怎么表示网络中的主机呢(主机编址问题,例如MAC地址)

    • 主机发送数据的时候要加上目的地址,每台主机根据接收的地址和自身地址来看是否发给自己
  • 那又怎么从信号所表示的一连串比特流中区分出地址和数据
  • 可能某一时刻主线空闲,但是下一时刻,有多个主机发送信息给总线,可能发生信号碰撞
  • 所以要怎么协调主机争用总线

    • 说明:总线型网络已经淘汰现在常用的是以太网交换机把多台主机互连形成的交换式以太网
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解决此问题后可以实现分组在一个网络上传输。

  • 网络层:

    • 如何标识各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)?
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    • 源主机和目的主机的传输路径往往不止一条,路由器如何转发分组,如何进行路由选择?

    解决物理层、数据链路层、网络层,就可以实现分组在网络间的传输问题

但是一台主机可能有不同的进程,某一时刻主机收到来自服务器的分组,这些分组交给谁来分组呢?

  • 运输层:

    • 如何解决进程之间基于网络的通信?
    • 出现传输错误时如何处理?
    • 解决了物理层,数据链路层,网络层,运输层各自的问题后,我们就可以实现进程间基于网络的互相通信
  • 应用层:

    • 通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用。
    • 例如: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。
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1.6.3计算机网络体系结构分层思想举例

以主机访问web服务器为例,他们之间的网络通信,实际上是主机上的进程之间的通信

  • 应用层:按照HTTP协议的规定,构建一个HTTP请求报文,应用层把HTTP请求交给运输层处理
  • 运输层给HTTP请求报文加上TCP首部,让它称为TCP报文段

    • 首部的作用主要是为了区别不同进程,以及实现可靠传输
    • 运输层把TCP报文段交给网络层处理
  • 网络层给TCP报文段加上IP首部,让它成为IP数据报,然后将其交付给数据链路层处理。
  • 数据链路层给IP数据包添加首部和尾部使之成为帧

    • 首部的作用是使其能够在一段链路或者网络上传输,以及被目的交换机接收并处理。
    • 尾部的作用是为了让目的主机检查是否有误码。
    • 最后将其交给物理层。
  • 物理层将帧看作是比特流(01编码),由于是在以太网传输,因而给其加上前导码,便于传输。并且将其变成相应的信号发送到传输媒体。

    此时,发送端处理结束。

1.6.4计算机网络体系结构的专用术语

  • 实体:任何可以发送或者接收信息的硬件或软件进程

    • 对等实体:收发双方相同层次的实体
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协议:控制两个对等实体进行逻辑通信的规则的集合

  • 这种通信并不存在,是我们假设出来的
  • 协议三要素:语法 语义 同步

    • 语法:定义交换信息的格式
    • 语法定义了所交换信息由那些字段以及何种顺序构成。
    • 语义定义通信双方所要完成的操作。例如,主机HTTP的GET请求给Web服务器,Web
    • 服务器收到后执行相应的操作,然后给主机发回HTTP的响应。
    • 同步定义通信双方的时序关系。例如,TCP的“三报文握手”建立连接。
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  • 服务
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1.6.5总结

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1.7章节小结

第一章主要是概述性的东西,概念比较多,大家不理解也没关系,可以再后续学习中,不断的复习,回头看看第一章的概念性的东西,最后争取自己能用语言组织出来
接下来,大家看看能否根据思维导图来回忆起相关内容。
如果做到了,恭喜你掌握了,有遗忘的地方可以再回头看看。
如果觉得本文对大家有一定的帮助,可以点赞收藏,方便后续复习
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