计算机网络-概述

Author： DotDotDot
发布时间：June 29, 2022
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Categories：计算机网络

要学好计算机网络的内容，首先是得对计算机网络有个全貌的概况了解，七层模型，四层协议，都是需要先理解的概念，本章带你入门计算机网络

1.什么是计算机网络

计算机网络主要由一些通用的、可编程的硬件互连而成，通过这些硬件，可以传送不同类型的数据，并且可以支持广泛和日益增长的应用。

计算机网络不仅是软件概念，还包含硬件设备。
计算机网络不仅是信息通信，还可以支持广泛应用。

2.计算机网络的分类

2.1 网络作用范围

广域网(WAN)
城域网(MAN)
局域网(LAN)

分类	英文	范围	区域
广域网	WAN(Wide Area Network)	几十到几千公里	跨省、跨国
城域网	MAN(Metro Area Network)	5KM-50KM	城市间
局域网	LAN(Local Area Network)	1KM以内	地区间

2.2 网络的使用者

公用网络
专用网络

3. 计算机网络的发展简史

3.1 互联网的发展历史

第一阶段:ARPANET -> 第三阶段:三级结构互联网 -> 第三阶段:多层次ISP互联网

3.2 中国互联网的发展历史

1980年开始互联网实验 -> 1989年第一个公共网络建立运行 -> 1994年接入国际互联网

4. 计算机网络的层次结构

4.1 层次结构设计的基本原则

分层实现不同的功能：如，保证数据通路顺畅，目的计算机状态，识别目的计算机，数据是否错误。
网络应用数据：视频、文件、游戏，数据可靠通信：数据错误、重复，物理网络接入：光电等物理特性

各层之间是相互独立的
第一层要有足够的灵活性
各层之间完全解藕

4.2 OSI七层模型

应用层：为计算机用户提供接口和服务
表示层：数据处理(编码解码、加密解密等)
会话层：管理(建立、维护、重连)通信会话
传输层：管理端到端的通信连接
网络层：数据路由(决定数据在网络中的路径)
数据链路层：管理相邻节点之间的数据通信
物理层：数据通信的光电物理特性

OSI欲成为全球计算机都遵循的标准
OSI在市场化过程中困难重重，TCP/IP在全球成功运行
OSI最终并没有成为广为使用的标准模型
OSI的专家缺乏实际经验
OSI标准定制周期过长，按OSI标准生产的设备无法及时进入市场
OSI模型设计得并不合理，一些功能在多层中重复出现

4.3 TCP/IP四层模型

应用层：HTTP/FTP/… =>对应OSI：应用层，表示层，会话层
传输层：TCP/UDP =>对应OSI：传输层
网络层：IP/ICMP =>对应OSI：网络层
网络接口层：Ethernet/ARP/RARP =>对应OSI：数据链路层，物理层

5. 现代互联网的网络拓扑

5.1 边缘部分

5.2 核心部分

6. 计算机网络的性能指标

6.1 速率

速率单位：bps=bit/s

为什么电信拉的100M光纤，测试峰值速度只有12M每秒？
100M/s = 100Mbps = 100Mbit/s
100Mbit/s = (100/8)MB/s = 12.5MB/s。注：1byte = 8bits。

6.2 时延

发送时延 = 数据长度(bit) / 发送速率(bit/s)
排队时延 = 传播路径距离 / 传播速率(bit/s)
传播时延：数据包在网络设备中等待被处理的时间
处理时延：数据包到达设备或者目的机器被处理所需要的时间
总时延 = 发送时延 + 排队时延 + 传播时延 + 处理时延

6.3 往返时间RTT

RTT(Route-Trip Time)是评估网络质量的一项重要指标
RTT表示的是数据报文在端到端通信中的来回一次的时间
通常使用ping命令查看RTT

7. 物理层概述

7.1. 物理层的作用

连接不同的物理设备：双绞线、同轴电缆、光纤、红外线、无线、激光
传播比特流：0/1，低/高电位（物理特性：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性）

7.2. 信道的基本概念

信道是往一个方向传送信息的媒体
一条通信电路包含一个接收信道和一个发送信道

单工通信信道：只能一个方向通信，没有反方向反馈的信道（有线电视、无线电收音机等等）
半双工通信信道：双方都可以发送和接收信道，不能同时发送，也不能同时接收
全双工通信信道：双方都可以同时发送和接收信息

7.3. 分用-复用技术

提升信道的利用效率

频分复用
时分复用
波分复用
码分复用

8. 数据链路层概述

8.1. 封装成帧

“帧”是数据链路层数据的基本单位
发送端在网络层的一段数据前后添加特写标记形成”帧”
接收端根据前后特定标记识别出”帧”
另，物理层不关心是否封装成”帧”

8.2. 透明传输

编程语言中”\“一般为转义字符
“\n”、”\t”等控制字符
“\“、”\“

“透明”在计算机领域是非常重要的一个术语
“一种实际存在的事物却又看起来不存在一样”
“即是控制字符在帧数据中，但是要当做不存在的去处理”

8.3. 差错监测

物理层只管传输比特流，无法控制是否出错
数据链路层负责起”差错监测”的工作

8.4. 数据链路层的差错监测

奇偶校验码

00110010 1 0 + 0 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 0 = 3
00111010 0 0 + 0 + 1 + 1 + 1 + 0 + 1 + 0 = 4

循环冗余校验码CRC

一种根据传输或保存的数据而产生固定位数校验码的方法
检测数据传输或者保存后可能出现的错误
生成的数字计算出来并且附加到数据后面

模”2”除法

模”2”除法是二进制下的除法
与算术除法类似，但除法不借位，实际是”异或”操作

循环冗余校验码CRC-实例

1.选定一个用于校验的多项式G(x)，并在数据尾部添加r个0
2.将添加r个0后的数据，使用模”2”除法除以多项式的位串
3.得到的余数填充在原数据r个0的位置得到可校验的位串
例子：使用CRC计算101001的可校验位串
发送端：
G(x) = x3 + x2 +1 => 二进制位串：1101，最高阶为3
G(x) = 1 x3 + 1 x2 + 0 x1 + 1 x0
101001 => 101001000
101001 => 101001000经过模”2”除法得到的余数为：001
最终得到可校验位串为：101001000 => 101001001
接收端：
接收端接收的数据除以G(x)的位串，根据余数判断出错：101001001 / 1101
余数为0表示校验通过
CRC的错误检测能力与位串的阶数r有关，r为1校验能力最差
数据链路层只进行数据的检测，不进行纠正

8.5. 最大传输单元MTU

MTU
最大传输单元(Maximum Transmission Unit)
数据链路层的数据帧也不是无限大的
数据帧过大或过小都会影响传输的效率
总时延 = 发送时延 + 排队时延 + 传播时延 + 处理时延
以太网MTU一般为1500字节
路径MTU

路径MTU由链路中MTU的最小值决定

8.6. 以太网协议

MAC地址

MAC地址（物理地址、硬件地址
第一个设备都拥有唯一的MAC地址
MAC地址共48位，使用十六进制表示

以太网协议

以太网(Ethernet)是一种使用广泛的局域网技术
以太网是一种应用于数据链路层的协议
使用以太网可以完成相邻设备的数据帧传输

9. 网络层概述

Last modification：June 13, 2023

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计算机网络-概述

DotDotDot • 2022 年 06 月 29 日

<blockquote>要学好计算机网络的内容，首先是得对计算机网络有个全貌的概况了解，七层模型， 四层协议，都是需要先理解的概念，本章带你入门计算机网络</blockquote><h1>1.什么是计算机网络</h1><p>计算机网络主要由一些通用的、可编程的硬件互连而成，通过这些硬件，可以传送不同类型的数据，并且可以支持广泛和日益增长的应用。</p><ul><li>计算机网络不仅是软件概念，还包含硬件设备。</li><li>计算机网络不仅是信息通信，还可以支持广泛应用。</li></ul><h1>2.计算机网络的分类</h1><h2>2.1 网络作用范围</h2><ul><li>广域网(WAN)</li><li>城域网(MAN)</li><li>局域网(LAN)</li></ul><table><thead><tr><th>分类</th><th>英文</th><th>范围</th><th>区域</th></tr></thead><tbody><tr><td>广域网</td><td>WAN(Wide Area Network)</td><td>几十到几千公里</td><td>跨省、跨国</td></tr><tr><td>城域网</td><td>MAN(Metro Area Network)</td><td>5KM-50KM</td><td>城市间</td></tr><tr><td>局域网</td><td>LAN(Local Area Network)</td><td>1KM以内</td><td>地区间</td></tr></tbody></table><h2>2.2 网络的使用者</h2><ul><li>公用网络</li><li>专用网络</li></ul><h1>3. 计算机网络的发展简史</h1><h2>3.1 互联网的发展历史</h2><p>第一阶段:ARPANET -&gt; 第三阶段:三级结构互联网 -&gt; 第三阶段:多层次ISP互联网</p><h2>3.2 中国互联网的发展历史</h2><p>1980年开始互联网实验 -&gt; 1989年第一个公共网络建立运行 -&gt; 1994年接入国际互联网</p><h1>4. 计算机网络的层次结构</h1><h2>4.1 层次结构设计的基本原则</h2><blockquote>分层实现不同的功能：如，保证数据通路顺畅，目的计算机状态，识别目的计算机，数据是否错误。<br>网络应用数据：视频、文件、游戏，数据可靠通信：数据错误、重复，物理网络接入：光电等物理特性</blockquote><ul><li>各层之间是相互独立的</li><li>第一层要有足够的灵活性</li><li>各层之间完全解藕</li></ul><h2>4.2 OSI七层模型</h2><ol><li>应用层：为计算机用户提供接口和服务</li><li>表示层：数据处理(编码解码、加密解密等)</li><li>会话层：管理(建立、维护、重连)通信会话</li><li>传输层：管理端到端的通信连接</li><li>网络层：数据路由(决定数据在网络中的路径)</li><li>数据链路层：管理相邻节点之间的数据通信</li><li>物理层：数据通信的光电物理特性</li></ol><blockquote>OSI欲成为全球计算机都遵循的标准<br>OSI在市场化过程中困难重重，TCP/IP在全球成功运行<br>OSI最终并没有成为广为使用的标准模型<br>OSI的专家缺乏实际经验<br>OSI标准定制周期过长，按OSI标准生产的设备无法及时进入市场<br>OSI模型设计得并不合理，一些功能在多层中重复出现</blockquote><h2>4.3 TCP/IP四层模型</h2><ol><li>应用层：HTTP/FTP/… =&gt;对应OSI：应用层，表示层，会话层</li><li>传输层：TCP/UDP =&gt;对应OSI：传输层</li><li>网络层：IP/ICMP =&gt;对应OSI：网络层</li><li>网络接口层：Ethernet/ARP/RARP =&gt;对应OSI：数据链路层，物理层</li></ol><h1>5. 现代互联网的网络拓扑</h1><h2>5.1 边缘部分</h2><p><img src="https://blog.ka94.com/usr/uploads/2022/06/3501721487.png" alt="computer-network-01-05-01.png" title="computer-network-01-05-01.png"style=""></p><p><img src="https://blog.ka94.com/usr/uploads/2022/06/2159166131.png" alt="computer-network-01-05-02.png" title="computer-network-01-05-02.png"style=""></p><h2>5.2 核心部分</h2><p><img src="https://blog.ka94.com/usr/uploads/2022/06/581767683.png" alt="computer-network-01-05-03.png" title="computer-network-01-05-03.png"style=""></p><p><img src="https://blog.ka94.com/usr/uploads/2022/06/2664260356.png" alt="computer-network-01-05-04.png" title="computer-network-01-05-04.png"style=""></p><p><img src="https://blog.ka94.com/usr/uploads/2022/06/1224156997.png" alt="computer-network-01-05-05.png" title="computer-network-01-05-05.png"style=""></p><p><img src="https://blog.ka94.com/usr/uploads/2022/06/1872803346.png" alt="computer-network-01-05-06.png" title="computer-network-01-05-06.png"style=""></p><p><img src="https://blog.ka94.com/usr/uploads/2022/06/2555332506.png" alt="computer-network-01-05-07.png" title="computer-network-01-05-07.png"style=""></p><h1>6. 计算机网络的性能指标</h1><h2>6.1 速率</h2><p>速率单位：bps=bit/s</p><blockquote>为什么电信拉的100M光纤，测试峰值速度只有12M每秒？<br>100M/s = 100Mbps = 100Mbit/s<br>100Mbit/s = (100/8)MB/s = 12.5MB/s。注：1byte = 8bits。</blockquote><h2>6.2 时延</h2><ul><li>发送时延 = 数据长度(bit) / 发送速率(bit/s)</li><li>排队时延 = 传播路径距离 / 传播速率(bit/s)</li><li>传播时延：数据包在网络设备中等待被处理的时间</li><li>处理时延：数据包到达设备或者目的机器被处理所需要的时间</li><li>总时延 = 发送时延 + 排队时延 + 传播时延 + 处理时延</li></ul><h2>6.3 往返时间RTT</h2><ul><li>RTT(Route-Trip Time)是评估网络质量的一项重要指标</li><li>RTT表示的是数据报文在端到端通信中的来回一次的时间</li><li>通常使用ping命令查看RTT</li></ul><h1>7. 物理层概述</h1><h2>7.1. 物理层的作用</h2><ul><li>连接不同的物理设备：双绞线、同轴电缆、光纤、红外线、无线、激光</li><li>传播比特流：0/1，低/高电位（物理特性：机械特性、电气特性、功能特性、过程特性）</li></ul><h2>7.2. 信道的基本概念</h2><blockquote>信道是往一个方向传送信息的媒体<br>一条通信电路包含一个接收信道和一个发送信道</blockquote><ul><li>单工通信信道：只能一个方向通信，没有反方向反馈的信道（有线电视、无线电收音机等等）</li><li>半双工通信信道：双方都可以发送和接收信道，不能同时发送，也不能同时接收</li><li>全双工通信信道：双方都可以同时发送和接收信息</li></ul><h2>7.3. 分用-复用技术</h2><blockquote>提升信道的利用效率</blockquote><ul><li>频分复用</li><li>时分复用</li><li>波分复用</li><li>码分复用</li></ul><h1>8. 数据链路层概述</h1><h2>8.1. 封装成帧</h2><blockquote>“帧”是数据链路层数据的基本单位<br>发送端在网络层的一段数据前后添加特写标记形成”帧”<br>接收端根据前后特定标记识别出”帧”<br>另，物理层不关心是否封装成”帧”</blockquote><p><img src="https://blog.ka94.com/usr/uploads/2022/06/1277020418.png" alt="computer-network-01-09-01.png" title="computer-network-01-09-01.png"style=""></p><h2>8.2. 透明传输</h2><blockquote>编程语言中”\“一般为转义字符<br>“\n”、”\t”等控制字符<br>“\“、”\“</blockquote><ul><li>“透明”在计算机领域是非常重要的一个术语</li><li>“一种实际存在的事物却又看起来不存在一样”</li><li>“即是控制字符在帧数据中，但是要当做不存在的去处理”</li></ul><h2>8.3. 差错监测</h2><blockquote>物理层只管传输比特流，无法控制是否出错<br>数据链路层负责起”差错监测”的工作</blockquote><h3>8.4. 数据链路层的差错监测</h3><ul><li>奇偶校验码</li></ul><blockquote><blockquote>00110010 1 0 + 0 + 1 + 1 + 0 + 0 + 1 + 0 = 3<br>00111010 0 0 + 0 + 1 + 1 + 1 + 0 + 1 + 0 = 4</blockquote></blockquote><ul><li>循环冗余校验码CRC</li></ul><blockquote><blockquote>一种根据传输或保存的数据而产生固定位数校验码的方法<br>检测数据传输或者保存后可能出现的错误<br>生成的数字计算出来并且附加到数据后面</blockquote></blockquote><ul><li>模”2”除法</li></ul><blockquote><blockquote>模”2”除法是二进制下的除法<br>与算术除法类似，但除法不借位，实际是”异或”操作</blockquote></blockquote><ul><li>循环冗余校验码CRC-实例</li></ul><blockquote><blockquote>1.选定一个用于校验的多项式G(x)，并在数据尾部添加r个0<br>2.将添加r个0后的数据，使用模”2”除法除以多项式的位串<br>3.得到的余数填充在原数据r个0的位置得到可校验的位串<br>例子：使用CRC计算101001的可校验位串<br>发送端：<br>G(x) = x3 + x2 +1 =&gt; 二进制位串：1101，最高阶为3<br>G(x) = 1 <em> x3 + 1 </em> x2 + 0 <em> x1 + 1 </em> x0<br>101001 =&gt; 101001000<br>101001 =&gt; 101001000经过模”2”除法得到的余数为：001<br>最终得到可校验位串为：101001000 =&gt; 101001001<br>接收端：<br>接收端接收的数据除以G(x)的位串，根据余数判断出错：101001001 / 1101<br>余数为0表示校验通过</blockquote><p>CRC的错误检测能力与位串的阶数r有关，r为1校验能力最差<br>数据链路层只进行数据的检测，不进行纠正<br><img src="https://blog.ka94.com/usr/uploads/2022/06/1507015015.png" alt="computer-network-01-10-01.png" title="computer-network-01-10-01.png"style=""></p></blockquote><h2>8.5. 最大传输单元MTU</h2><ul><li><p>MTU</p><blockquote>最大传输单元(Maximum Transmission Unit)<br>数据链路层的数据帧也不是无限大的<br>数据帧过大或过小都会影响传输的效率<br>总时延 = 发送时延 + 排队时延 + 传播时延 + 处理时延<br>以太网MTU一般为1500字节</blockquote></li><li>路径MTU</li></ul><blockquote>路径MTU由链路中MTU的最小值决定</blockquote><h2>8.6. 以太网协议</h2><ul><li>MAC地址</li></ul><blockquote>MAC地址（物理地址、硬件地址<br>第一个设备都拥有唯一的MAC地址<br>MAC地址共48位，使用十六进制表示</blockquote><ul><li>以太网协议</li></ul><blockquote>以太网(Ethernet)是一种使用广泛的局域网技术<br>以太网是一种应用于数据链路层的协议<br>使用以太网可以完成相邻设备的数据帧传输</blockquote><h1>9. 网络层概述</h1>