【计算机网络】计算机网络概述

深碍√TFBOYSˉ_ 2024-04-26 02:37 216阅读 0赞

> ? 本文由 [程序喵正在路上][Link 1] 原创，CSDN首发！  
> ? 系列专栏：[计算机网络][Link 2]  
> ? 首发时间：2023年7月8日  
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#### 目录 ####

*  概念和功能
 *  计算机网络的发展
 *   *  第一阶段
     *  第二阶段——三级结构
     *  第三阶段——多层次ISP结构
 *  计算机网络的组成
 *  计算机网络的分类
 *  标准化工作及相关组织
 *  性能指标
 *   *  速率
     *  带宽
     *  吞吐量
     *  时延
     *  时延带宽积
     *  往返时延RTT
     *  利用率
 *  分层结构
 *   *  为什么要分层 ？
     *  怎么分层 ？
     *  正式认识分层结构
     *  概念总结
 *  OSI参考模型
 *   *  OSI参考模型的来源
     *  OSI参考模型
     *  OSI参考模型解释通信过程
     *  应用层
     *  表示层
     *  会话层
     *  传输层
     *  网络层
     *  数据链路层
     *  物理层
 *  TCP/IP参考模型
 *   *  OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点
     *  OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点
     *  5层参考模型

## 概念和功能 ##

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

计算机网络是互连的、自治的计算机集合

*  互连：通过通信链路互联互通
 *  自治：无主从关系

计算机网络的功能

1.  数据通信
2.  资源共享：同一个计算机网络上的其他计算机可使用某台计算机的计算机资源的行为，可共享硬件、软件、数据
3.  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
4.  提高可靠性
5.  负载均衡：使各计算机之间更加亲密

## 计算机网络的发展 ##

### 第一阶段 ###

*  美国国防部高级研究计划局（ A R P A ARPA ARPA）设计了一个分散的指挥系统 ——  A R P A n e t ARPAnet ARPAnet 阿帕网
 *  随着时代的发展，人们希望实现不同网络的互联
 *   1983 1983 1983 年阿帕网接受  T C P / I P TCP/IP TCP/IP 选定  I n t e r n e t Internet Internet 为主要的计算机通信系统
 *  **网络**把许多计算机连接在一起，而**互联网**则是把许多网络连接在一起，**因特网**是世界上最大的互联网

### 第二阶段——三级结构 ###

![在这里插入图片描述][21d8dee5b7584199af174db00debaad6.png]

1985 1985 1985 年起，美国国家科学基金会  N S F NSF NSF 围绕  6 6 6 个大型计算机中心建设计算机网络，即国家科学基金网  N S F N E T NSFNET NSFNET

### 第三阶段——多层次ISP结构 ###

I S P ISP ISP：因特网服务提供者 / 因特网服务提供商，是一个向广大用户综合提供互联网接入业务、信息业务和增值业务的公司，如中国电信、中国联通、中国移动等。分为主干  I S P ISP ISP、地区  I S P ISP ISP 和本地  I S P ISP ISP

![在这里插入图片描述][6f550b70e48e4a18b447f6ae53093575.png]

## 计算机网络的组成 ##

组成部分 —— 硬件、软件、协议（一系列规则和约定的集合）

工作方式

*  边缘部分 —— 用户直接使用。有  C / S C/S C/S 方式（ C l i e n t / S e r v e r Client/Server Client/Server）、 B / S B/S B/S 方式（ B r o w e r / S e r v e r Brower/Server Brower/Server）、 P 2 P P2P P2P 方式（ P e e r T o P e e r Peer \\ To \\ Peer PeerToPeer）
 *  核心部分 —— 为边缘部分服务

功能组成

*  通信子网 —— 实现数据通信
 *  资源子网 —— 实现资源共享 / 数据处理

![在这里插入图片描述][cd41b0c8d63d464480c0d4a2b9bb6041.png]

## 计算机网络的分类 ##

按分布范围分 —— 广域网 WAN、城域网 MAN、局域网 LAN、个人区域网 PAN

按使用者分 —— 公用网和专用网（如军队专用网）

按交换技术分 —— 电路交换、报文交换、分组交换

按拓扑结构分：其中网状型常用于广域网  
![在这里插入图片描述][a9e4055076cd41709a039cac358ecf03.png]

按传输技术分

*  广播式网络 —— 共享公共通信信道
 *  点对点网络 —— 使用**分组存储转发**和**路由选择**机制

## 标准化工作及相关组织 ##

**标准化工作**

<table> 
 <thead> 
 <tr> 
 <th>标准的分类</th> 
 <th>解释</th> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>法定标准</td> 
 <td>由权威机构制定的正式的、合法的标准，例如 OSI</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>事实标准</td> 
 <td>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，例如 TCP/IP</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

RFC（Request For Comments）—— 因特网标准的形式

RFC 要上升为因特网正式标准的四个阶段：

1.  **因特网草案**（Internet Draft）这个阶段还不是 RFC 文档
2.  **建议标准**（Proposed Standard）从这个阶段开始成为 RFC 文档
3.  **草案标准**（Draft Standard）
4.  **因特网标准**（Internet Standard）

**标准化工作的相关组织**

<table> 
 <thead> 
 <tr> 
 <th>组织</th> 
 <th>描述</th> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>国际标准化组织 ISO</td> 
 <td>OSI参考模型、HDLC协议</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>国际电信联盟 ITU</td> 
 <td>制定通信规则</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>国际电气电子工程师协会 IEEE</td> 
 <td>学术机构、IEEE802系列标准、5G</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>Internet工程任务组 IETF</td> 
 <td>负责因特网相关标准的制定 RFC XXXX</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 性能指标 ##

![在这里插入图片描述][e00115e624d44548abb84c89f646aca6.png]

### 速率 ###

速率即数据率或称数据传输率或比特率

比特（bit），0 / 1，单位是位

速率指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**，单位是 **b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s**

![在这里插入图片描述][dea03f4517554325a5e6c9e9bb4e08ae.png]

### 带宽 ###

“带宽” 原本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）

而在计算机网络中，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**

也可以理解为网络设备所支持的最高速度

![在这里插入图片描述][ab35b8b10220476e9b29a4057fdf9fbd.png]

### 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。单位 **b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s** 等

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

![在这里插入图片描述][309f978a7be64f54b79605b79cc25e18.png]

### 时延 ###

时延指数据（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**

<table> 
 <thead> 
 <tr> 
 <th>时延分类</th> 
 <th>说明</th> 
 <th>计算公式</th> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>发送时延（传输时延）</td> 
 <td>从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间</td> 
 <td> 发送时延 = 数据长度 信道带宽（发送速率） 发送时延=\frac{数据长度}{信道带宽（发送速率）} 发送时延=信道带宽（发送速率）数据长度</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>传播时延</td> 
 <td>取决于电磁波传播速度和链路长度</td> 
 <td> 传播时延 = 信道长度 电磁波在信道上的传播速率 传播时延=\frac{信道长度}{电磁波在信道上的传播速率} 传播时延=电磁波在信道上的传播速率信道长度</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>排队时延</td> 
 <td>等待输出 / 输入链路可用</td> 
 <td></td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>处理时延</td> 
 <td>检错、找出口</td> 
 <td></td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

![在这里插入图片描述][1de94a9001bc4c01a519cccd12c23e0b.png]

### 时延带宽积 ###

时延带宽积 = 传播时延 × 带宽 时延带宽积=传播时延 \\times 带宽 时延带宽积=传播时延×带宽

单位为 **bit**

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”

### 往返时延RTT ###

往返时延RTT指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

RTT 越大，在收到确认之前，可以发送的数据就越多

RTT 的计算包含往返传播时延和末端处理时间，其中往返传播时延 = 传播时延 \* 2

### 利用率 ###

<table> 
 <thead> 
 <tr> 
 <th>利用率</th> 
 <th>计算方法</th> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>信道利用率</td> 
 <td> 有数据通过时间 （有 + 无）数据通过时间 \frac{有数据通过时间}{（有+无）数据通过时间} （有+无）数据通过时间有数据通过时间</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>网络利用率</td> 
 <td>信道利用率的加权平均值</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

随着利用率的增大，传输的数据也会越多，时延也会随着急剧增大

## 分层结构 ##

### 为什么要分层 ？ ###

计算机发送文件前要完成的工作有：

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
6.  …

可以看到，要完成的工作非常多，所以我们将其分为一个个小任务，一个任务就是一层

### 怎么分层 ？ ###

分层的基本原则如下

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

### 正式认识分层结构 ###

![在这里插入图片描述][ad2c794243c9434a9a58e6f6389dc038.png]

**实体**：第 n 层中的活动元素称为 n 层实体，同一层的实体叫做对等实体

**协议**：为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或者约定称为网络协议 【水平】

协议有三个要素：语法、语义和同步

*  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

**接口**（访问服务点SAP）：上层使用下层服务的入口

**服务**：下层为相邻上层提供的功能调用 【垂直】

![在这里插入图片描述][43b776ef6d23444ab06bc6da5f7eec32.png]

*  SDU服务数据单元：为完成用户所要求的功能而应传送的数据
 *  PCI协议控制信息：控制协议操作的信息
 *  PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位

### 概念总结 ###

*  网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构
 *  计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构
 *  每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能
 *  计算机网络体系结构是计算机网络的各层及其协议的集合
 *  第 n 层在想 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
 *  仅仅在相邻层间有接口，且所提供服务的具体实现细节对上一层完全屏蔽
 *  体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件

## OSI参考模型 ##

![在这里插入图片描述][850e771c5228417eac0e62c5c98023bb.png]

### OSI参考模型的来源 ###

为了解决计算机网络复杂的大问题，出现了分层结构（网络体系结构），按功能分层

后来，IBM 公司提出了第一个网络体系结构 SNA。紧接着，每个公司都有了自己的网络体系结构。DEC 公司有了 DNA，美国国防部有了 TCP/IP，它们都有着各自的特点

为了支持异构网络系统的互联互通，国际标准化组织 ISO 于 1984 年提出了开放系统互联（OSI）参考模型

### OSI参考模型 ###

![在这里插入图片描述][c74c1f776bb746c98730adff8f164d42.png]

### OSI参考模型解释通信过程 ###

![在这里插入图片描述][580e2d07ae6a44f1b039c0160473f4d6.png]

### 应用层 ###

所有能和用户交互产生网络流量的程序

典型应用层服务：文件传输（FTP）、电子邮件（SMTP）、万维网（HTTP）等

### 表示层 ###

用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（处理语法和语义）

*  功能一：数据格式变换
 *  功能二：数据加密解密
 *  功能三：数据压缩和恢复

### 会话层 ###

向表示层实体 / 用户进程提供建立连接并在连接上有序地传输数据。这是会话，也是建立同步（SYN）

*  功能一：建立、管理、终止会话
 *  功能二：使用校验点可使会话在通信失效时从校验点 / 同步点继续恢复通信，实现数据同步，适用于传输大文件

### 传输层 ###

负责主机中两个进程的通信，即端到端的通信。传输单位是报文段或用户数据报

*  功能一：可靠传输、不可靠传输
 *  功能二：差错控制
 *  功能三：流量控制
 *  功能四：复用分用

### 网络层 ###

主要任务是把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，网络层的传输单位是数据报

*  功能一：路由选择
 *  功能二：流量控制
 *  功能三：差错控制
 *  功能四：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，网络就处于拥塞状态。因此要采取一定措施，缓解这种拥塞

### 数据链路层 ###

主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧，数据链路层 / 链路层的传输单位是帧

*  功能一：成帧（定义帧的开始和结束）
 *  功能二：差错控制（包括帧错和位错）
 *  功能三：流量控制
 *  功能四：访问（接入）控制（控制对信道的访问）

### 物理层 ###

主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输，物理层的传输单位是比特

透明传输是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

*  功能一：定义接口特性
 *  功能二：定义传输模式（单工、半双工、双工）
 *  功能三：定义传输速率
 *  功能四：比特同步
 *  功能五：比特编码

## TCP/IP参考模型 ##

![在这里插入图片描述][eab8147c92e04bdda805f1d9c4c2b9a5.png]

### OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点 ###

1.  都分层
2.  基于独立的协议栈的概念
3.  可以实现异构网络互联

### OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点 ###

1、OSI 定义了三点：服务、协议、接口

2.、OSI 先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议

3、TCP/IP 设计之初就考虑到异构网络互联的问题，将 IP 作为重要层次

4、

<table> 
 <thead> 
 <tr> 
 <th> \quad </th> 
 <th>ISO/OSI参考模型</th> 
 <th>TCP/IP模型</th> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>网络层</td> 
 <td>无连接+面向连接</td> 
 <td>无连接</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>传输层</td> 
 <td>面向连接</td> 
 <td>无连接+面向连接</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

注：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。而面向无连接没有这么多阶段，它是直接进行数据传输

### 5层参考模型 ###

**5层参考模型的特点**

5 层模型综合了 OSI 和 TCP/IP 的优点

**5层参考模型的组成**

![在这里插入图片描述][e5f6b145876847f3900512196a65093c.png]

**5层参考模型的数据封装与解封装**

![在这里插入图片描述][58cf87eaa34f4b1181094d09495f9015.png]

[Link 1]: https://blog.csdn.net/weixin_62511863?spm=1011.2421.3001.5343
[Link 2]: https://blog.csdn.net/weixin_62511863/category_12365961.html?spm=1001.2014.3001.5482
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