计算机网络

计算机网络 网络协议 tcp/ip
Java
刘磊
发布日期:   2022-03-29
更新日期:   2022-03-29
文章字数:   3.3k
阅读时长:   11 分
阅读次数:  

[toc]

计算机网络

一、计算机网络概述

1.1 概念、组成、功能和分类

1. 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。

2. 计算机网络的功能

  • **$\textcolor{Red}{数据通信} $**​(连通性，传邮件、传文件等)
  • $\textcolor{Red}{资源共享} $(硬件 eg：打印机、软件、数据)
  • 分布式处理(多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分 eg：$\textcolor{RedOrange}{Hadoop平台}$​)
  • 提高可靠性(eg：一台电脑宕机，还可以使用替代机继续工作)
  • 负载均衡

3. 计算机网络的组成

  1. 组成部分：硬件(eg：主机(端系统)、链路(双绞线、光纤等)、通信设备(路由器、交换机等))、软件、$\textcolor{Red}{协议} $。

  2. 工作方式：

    • 边缘部分 用户直接使用(C/S方式、P2P方式)，eg：主机等
    • 核心部分 为边缘部分服务，eg：网络、路由器等

    image-20220217174730175

  3. 功能组成：

    • 通信子网 实现 $\textcolor{Green}{数据通信}$​
    • 资源子网 实现 $\textcolor{Green}{资源共享}$​​/数据处理

    image-20220217180009069

4. 计算机网络的分类

  1. 按**$\textcolor{Red}{分布范围分} $**

    image-20220218152651535

  2. 按使用者分

    • 公用网 image-20220218152726779
    • 专用网 image-20220218152740521

  3. 按交接技术分 电路交换 报文交换 分组交换

  4. 按$\textcolor{Red}{拓扑结构分} $ eg：因特网使用的是网状结构

    image-20220218152912459

  5. 按传输技术分

    • 广播式网络 共享公共通信网络

    • 点对点网络 使用分组存储转发和路由选择机制

1.2 标准化工作及相关组织(了解即可)

1. 标准化工作

  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 eg：$\textcolor{Red}{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 eg：$\textcolor{Red}{TCP/IP} $​

    image-20220218155446664

2. 标准化工作的相关组织

image-20220218155609222

1.3 计算机网络的性能指标(速率、带宽、吞吐量)——速度有关

1. 速率

​ 速率即J数据率或称数据传输率或比特率。

​ 比特：表象形式—>1/0 单位—>位

  1. 概念：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。

  2. 单位：b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s, Tb/s

    image-20220218161359457

  3. 换算：

    image-20220218161950856

2. 带宽

  1. 概念：

    • 原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 。

    image-20220221172905951

  2. 案例：

    image-20220221174805691

3. 吞吐量

  1. 概念：

    • 表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的数据量。单位b/s， kb/s，Mb/s等。
    • 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

  2. 案例：

    image-20220222101609279

1.4 计算机网络的性能指标(时延、时延带宽积、RTT)——时间有关

1. 时延（重点：传输时延、传播时延）

  1. 概念：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。

  2. 案例：（注意：发送速率加快不会影响传播速率和传播时延，只会影响发送时延。）

    image-20220222163510325

2. 时延带宽积

  1. 计算公式：
    image-20220307160445806

  2. 案例：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”。

    image-20220307160729981

    ​ image-20220307160911758

3. 往返时延RTT

  1. 概念：从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认）,总共经历的时延。

    注意：RTT不包括传输时延，也就是不包括所有信息从主机放到信道上的这一段时间。

    image-20220307161419158

1.5 计算机网络的性能指标(利用率)

  1. 利用率分为：

    • 信道利用率 有数据通过时间/(有+无)数据通过时间
    • 网络利用率 信道利用率加权平均值

  2. 时延与利用率的函数关系：

    image-20220307161919783

2.1 分层结构、协议、接口、服务

1. 为什么要分层？

为了解决以下一系列问题：

image-20220307163110416

​ 发送文件前要完成的工作:
​ (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。

​ (4）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。

​ (5）确保差错和意外可以解决。

​ 。。。。。。

2. 如何分层？

  1. 分层的基本原则：

    • 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能。
    • 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少。
    • 结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现。
    • 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
    • 整个分层结构应该能促进标准化工作。

  2. 案例：

    image-20220307163724025

3. 正式认识分层结构

image-20220309104613952

  1. 实体：第n层中的活动元素称为$\textcolor{red}{n层实体}$。同一层的实体叫$\textcolor{red}{对等实体}$。

  2. 协议：为进行网络中的$\textcolor{red}{对等实体}$​数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。【水平】

    协议大三要素：

    • 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】

4. 概念总结

  1. 网络体系结构是从$\textcolor{red}{功能}$上描述计算机网络结构。

  2. 计算机网络体系结构简称网络体系结构是$\textcolor{red}{分层结构}$。

  3. 每层遵循某个/些$\textcolor{red}{网络协议}$以完成本层功能。

  4. $\textcolor{red}{计算机网络体系结构}$是计算机网络的$\textcolor{red}{各层及其协议}$的集合。

  5. 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。

  6. 仅仅在$\textcolor{red}{相邻层间有接口}$，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽。

  7. 体系结构是$\textcolor{red}{抽象}$​的，而实现是指能运行的一些软件和硬件。

2.2 OSI参考模型概念(最重要模型也是以下另外两个模型的基础)

1. 计算机网络分层结构

image-20220309111311513

ISO/OSI参考模型由来：国际标准化组织（ISO）于1984年提出开放系统互连（OSI）参考模型。但是！理论成功，市场失败。

ISO/OSI参考模型提出来的目的：支持$\textcolor{red}{异构网络系统}$的互联互通。

2. ISO/OSI参考模型

image-20220309112207327

3. ISO/OSI参考模型解释通信过程

image-20220309112825594

实际每一层做了哪些工作呢？(打包到拆包的过程)

image-20220309113141577

2.3 OSI参考模型中各层的基础介绍

  1. 应用层：所有能和用户交互产生网络流量的程序。

    典型的应用层服务：

    • 文件传输(FTP)
    • 电子邮件(SMTP)
    • 万维网(HTTP)
    • ……

  2. 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)。

    主要功能：

    • 数据格式变换(类似于翻译官)
    • 数据加密解密
    • 数据压缩和恢复

  3. 会话层：向表示层实体/用户进程提供$\textcolor{red}{建立连接}$并在连接上$\textcolor{red}{有序}$地$\textcolor{red}{传输}$数据。这是会话，也是$\textcolor{red}{建立同步}$(SYN)。

    主要功能：

    • 建立、管理、终止会话
    • 使用校验点可使会话在通信失效时从$\textcolor{green}{校验点/同步点}$继续恢复通信，实现数据同步。(适用于传输大文件，eg：当文件传输过程中，传输失效了，重新建立连接后可以从刚才的位置继续传输，而不用从头开始)

  4. 传输层：负责主机中$\textcolor{red}{两个进程}$​​的通信，即$\textcolor{red}{端到端}$​​的通信。传输单位是报文段或用户数据报。

    **$\textcolor{VioletRed}{概念补充：}$**​​

    • 报文(message)：将位于$\textcolor{red}{应用层}$的信息分组称为报文。报文是网络中交换与传输的数据单元，也是网络传输的单元。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短不需一致。报文在传输过程中会不断地封装成分组、包、帧来传输，封装的方式就是添加一些控制信息组成的首部，那些就是$\textcolor{red}{报文头}$​。
    • 报文段(segment)：通常是指起始点和目的地都是$\textcolor{red}{传输层}$​​​的信息单元。
    • 数据报(datagram)：面向无连接的数据传输，其工作过程类似于报文交换。采用数据报方式传输时，被传输的分组称为数据报。通常是指起始点和目的地都使用无连接网络服务的$\textcolor{red}{网络层}$​的信息单元。(指IP数据报)

    主要功能：（为方便记忆，记 可差留用）

    • 可靠传输、不可靠传输
    • 差错控制
    • 流量控制
    • 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。

  5. 网络层：主要任务是把$\textcolor{red}{分组}$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$\textcolor{red}{数据报}$。

    $\textcolor{VioletRed}{概念补充：}$​

    • 分组/包(packet)：分组是在网络中传输的二进制格式的单元，为了提供通信性能和可靠性，每个用户发送的数据会被分成多个更小的部分。在每个部分的前面加上一些必要的控制信息组成的首部，有时也会加上尾部，就构成了一个分组。它的起始和目的地是$\textcolor{red}{网络层}$​​。(分组和数据报相当于是父子关系，当数据报过长时会被切断分组传输)

    主要功能：

    • 路由选择 $\textcolor{red}{选择最佳路径}$
    • 流量控制
    • 差错控制
    • 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$\textcolor{green}{拥塞}$​状态。因此要采取一定措施,缓解这种拥塞。)

    image-20220310110309196

  6. 数据链路层：主要任务是把网络层传下来的数据报$\textcolor{red}{组装成帧}$​​​。数据链路层/链路层的传输单位是**$\textcolor{red}{帧}$**​​​。

    $\textcolor{VioletRed}{概念补充：}$

    • 帧(frame)：帧是$\textcolor{red}{数据链路层}$​的传输单元。它将上层传入的数据添加一个头部和尾部，组成了帧。它的起始点和目的点都是数据链路层。

    主要功能：

    • 成帧(定义帧的开始和结束)
    • 差错控制 $\textcolor{red}{帧错+位错}$
    • 流量控制
    • 访问(接入)控制 $\textcolor{red}{控制对信道的访问}$

  7. 物理层：主要任务是在$\textcolor{red}{物理媒体}$上实现比特流的$\textcolor{red}{透明传输}$。物理层传输单位是**$\textcolor{red}{比特}$**。

    $\textcolor{VioletRed}{概念补充：}$

    • 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。

    主要功能：

    • 定义接口特性(例如插头接口是双头还是三头)
    • 定义传输模式 $\textcolor{red}{单工、半双工、双工}$
    • 定于传输速率
    • 比特同步
    • 比特编码

2.4 TCP/IP参考模型

  1. TCP/IP参考模型：

    image-20220322101140263

  2. OSI模型和TCP/IP模型的区别

    • 相同点：

      • 都分层
      • 都是基于独立的协议栈的概念
      • 可以实现异构网络的互连

    • 不同点：

      • OSI定义三点：服务、协议、接口

      • OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议

      • 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

      • $\textcolor{VioletRed}{概念补充：}$$\textcolor{VioletRed}{面向连接}$分为三个阶段，第一是建立连接，在此阶段，发出一个建立连接的请求。只有在连接成功建立之后，才能开始数据传输，这是第二阶段。接着，当数据传输完毕，必须释放连接。而面向$\textcolor{VioletRed}{无连接}$没有这么多阶段，它直接进行数据传输。

        image-20220322160028083

2.5 5层参考模型(综合了OSI和TCP/IP的优点)

image-20220322160420725

文章作者: 刘磊
文章链接: https://liulei-root.github.io/2022/032928758.html
版权声明: 本博客所有文章除特別声明外，均采用 CC BY 4.0 许可协议。转载请注明来源 刘磊 !
计算机网络 网络协议 tcp/ip
赏
  目录