计算机网络概述

概念、组成、功能、分类

概念

将一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备和线路连接，由软件实现资源共享和信息传递的系统。
互连，自治的计算机集合。

功能

  • 数据通信(最基本功能)
  • 资源共享：硬件、软件、数据
  • 分布式处理
  • 提高可靠性

  • ….

    计算机网络发展

  • PHASE 1: 阿帕网—>internet(互联网)—>Internet(因特网)

[理解]网络连接计算机，互联网连接网络，因特网是最大的互联网。

  • PHASE 2：NSFNET：【三级结构】主干 — 地区 — 校园网
  • PHASE 3：多层次ISP结构，ISP：因特网服务提供商。

    组成

  1. 物理组成：硬件、软件、协议
  2. 工作方式
    1. 边缘部分【端系统】【用户直接使用】C/S方式，P2P方式
    2. 核心部分【网络】【为边缘部分服务】

  3. 功能组成

    1. 通信子网：实现数据通信 【物理，链路，网络】
    2. 资源子网：实现资源共享 ，数据处理【会话，表示，应用】 【传输层独立于两个子网】

      分类

  4. 分布范围：广域网WAN（交换技术），城域网MAN，局域网LAN（广播技术 ），个人区域网PAN

【判断WAN,LAN看使用的技术】

  1. 使用者：公用，专用
  2. 交换技术：电路交换，（报文交换，分组交换）【存储转发】
  3. 拓扑结构：总线，星型，环形，网状【常用于广域网】
  4. 传输技术：广播式网络【共享公共通信信道】，点对点网络【分组存储转发和路由选择】

局域网和广域网的差异：①覆盖范围不同 ②采用的网络协议和网络技术不同

标准化工作以及相关组织

  • 法定标准： OSI
  • 事实标准： TCP/IP

RFC【因特网标准形式】—>因特网正式标准阶段：

  1. 因特网草案
  2. 建议标准
  3. 因特网标准

组织：国际标准化组织ISO,ITU,电气和电子工程师协会IEEE,IETF

性能指标

速率

速率即数据传输率或比特率，是主机在数字信道上传送数据位数的速率。
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带宽

单位时间中能从网络中一点到另一个所能通过的“最高数据率”。【网络设备所支持的最高速度】，单位同上。
例如：链路带宽1Mb/s表示主机在1us内可以发送1bit数据。
链路的传播速率为：2*10^8m/s

吞吐量

表示单位时间通过某个网络（信道，接口）的数据率。
吞吐量受网络带宽或网络额定速率的限制。

时延

  • 数据从网络的一端到另一端所需要的时间。

  • 类别

    • 发送时延（传输时延）【发送时延 = 数据长度/信道带宽（发送速率）】
    • 传播时延【链路长度/电磁波传播速度】
    • 排队时延 【Router】
    • 处理时延 【Router】

      时延带宽积

      时延带宽积 = 传播时延 带宽 (bit)image.png
      *【描述容量】以bit为单位的链路长度，即某段链路现在有多少bit的数据

      往返时延RTT

      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 = 传播时延*2 + 末端处理时间【不包括传输时延】

      利用率

  • 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】

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分组交换时延

【假设从源点到终点共经过k段链路，每段链路的传播时延为d秒，数据传输速率为b比特/s，共有n个分组，每个分组大小为p】

  • 由1——2——3——,,,,,——k+1得：k段链路对应k+1个结点
  • Note：路由器接收分组并进行处理的过程，属于处理时延。发送时延更精确的定义为：结点将分组所有比特推导链路上的时延。

分组传输时延 = 发送时延(多个router之和) + 传播时延

  • 传播时延 = kd

  • 发送时延

    • 思路1：由于我们要计算总共的时间，重点关注最后一个分组到达终点时间即可。

      最后一个分组经过np/b时间，被传送到链路上(前面还有n-1个分组)，再经过 传播时延+(k-1个结点的传输时延)[k+1个结点去除开头结尾]
      ∴ 总时间 = kd + np/b + (k-1)p/b

    • 思路2：以第一个节点到达终点为参照，此后每经过p/b时间，都会有一个分组到达终点。

      第一个节点到达终点时间：kd + p/bk
      其余n-1个结点到达终点：（n-1）      p/b

体系结构&参考模型

分层结构

  1. 分层原则
    • 功能相互独立
    • 界面自然清晰
    • 结构上分割
    • 下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务
    • 整个结构能促进标准化工作
    • 网络分层不定义功能执行的方法，是个抽象的框架
  2. 协议：对等实体数据交换建立的规则。
    1. 语法：规定传输数据的格式
    2. 语义：规定所要完成的功能
    3. 同步(时序)：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

【应用层：用户界面；传输：端口号；网络：IP地址；链路层：MAC地址；物理层：网卡接口】

  1. 服务：下层为相邻上层提供的功能调用。【垂直】
  2. 每层为 SDU(data)+PCI(protocol) = PDU(msg)

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  1. 概念总结

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OSI参考模型（7层，ISO定制

  • 物理

将数据变成0/1比特流序列进行传输。

  • 数据链路
  • 网络

【通信子网（用于数据通信）】

  • 传输

【Individual】

  • 会话
  • 表示
  • 应用

【资源子网（用于数据处理）】
【物联网淑慧试用】

  1. 中间系统不会涉及上四层【传输—应用】
  2. 上四层实现端到端通信，下三层实现点到点通信。
  3. 只有应用层和物理层不添加控制信息

应用层

所有能和用户交互产生网络流量的程序。
例：文件传输(FTP)，电子邮件(SMTP)，万维网（HTTP）….

表示层

用于处理在通信系统中交换信息的表示方式（语法与语义）
功能

  • 数据格式变换
  • 数据加密解密

  • 数据压缩和恢复

    会话层

    向表示层/用户进程提供建立连接并在连接上有序传输数据，即建立同步。
    功能

  • 建立、管理、终止会话【会话之间不相互干扰】

  • 使用校验点使会话在通信失效时，从校验点恢复通信

    传输层

    两个进程的通信，负责端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报。
    功能

  • 可靠传输，不可靠传输【是否有确认收到机制】

  • 差错控制
  • 流量控制【控制发送速度】
  • 复用分用【复用：不同进程可同时使用运输层，使用端口号区分

分用：运输层根据端口号，把信息分别交付给不同进程】
【可差流用】
协议
TCP, UDP

网络层

把分组从源端传送到目的端，为分组交换网上不同主机提供通信服务，传输单位是数据报。
【分组为数据报的slice】
功能

  • 路由选择【选择最佳路径】
  • 流量控制
  • 差错控制
  • 拥塞控制【所有结点都来不及接受分组，需丢弃大量分组的状态，即拥塞】

协议
IP，IPX,ICMP….

数据链路层

把网络层传输的数据包组装成帧，传输单位是帧
功能

  • 成帧（定义帧的开始和结束）：定义两个01组合为首尾
  • 差错控制【帧错+位错】
  • 流量控制
  • 访问（接入）控制【控制对共享信道的访问】

协议
SDLC,HDLC,PPP,STP

物理层

在物理媒体实现比特流的透明传输，传输单位是比特。
透明传输：不管是什么样的比特组合，都应当在链路上传送。
功能

  • 定义接口特性
  • 定义传输模式【单工(发送方接收方提前确定并不变)、半双工(对讲机)、双工(打电话)】
  • 定义传输速率
  • 比特同步
  • 比特编码

协议
Rj45、802.3

OSI中数据封装过程

  1. 应用层，添加控制信息(不是PCI)送入表示层
  2. 表示层，加上头部(PCI)送入会话层
  3. 会话层，加上头部(PCI)送入传输层
  4. 传输层，分割成报文，加上头部(PCI)送入网络层
  5. 网络层，封装成分组，加上头部(PCI)送入链路层
  6. 链路层，封装成帧，加上头部(PCI)送入物理层
  7. 物理层以比特流形式进行传输

TCP/IP参考模型

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相同点

  • 分层
  • 基于独立的协议栈的概念
  • 实现异构网络互联

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

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    1. 【面向连接：①建立连接②发送数据③释放连接】<br />IP协议为无连接协议，面向连接协议为可靠协议。因此，网络层主体为IP，为无连接；传输层为可靠传输，为面向连接。<br />对角线上两个都有。

5层参考模型

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应用层：报文 —>传输层：报文段 —>网络层：数据报（分组） —>链路层：帧 —>物理层：比特

总结思维导图

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