计算机网络概述

1.什么是计算机网络

将分散的，自治的计算机网络系统，通过通信设备与线路连接起来，有功能完善的软件实现资源共享和信息传递的系统。

计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件 互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据 ，并能支持广泛的和日益增长的应用。

解读这个定义的核心要点：

1. 可编程硬件 ：强调了计算机网络的数字化本质，与传统的电话网（电路交换）等专用硬件区分开。这意味着网络的智能和灵活性在于软件（协议）。

2. 多种类型数据 、支持广泛应用 ：指出了计算机网络的通用性。它不只为某种特定应用服务（如电话网只为通话），而是可以支持Web、Email、视频、文件共享等各种应用。

2.计算机网络，互联网，互连网的区别

• 计算机网络（网络） ：由若干节点（Node） 和连接这些节点的链路（Link） 组成。

  • 节点：可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。

  • 链路：可以是网线、光纤、无线电波等。

• 互连网（网络的网络） ：将多个网络 通过路由器 互连起来，构成了一个覆盖范围更广的网络，即"网络的网络"（internet）。

• 互联网（Internet） ：特指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网。它采用 TCP/IP协议族，且前身是美国的ARPANET。

  • 互联网的两种描述方式：

    1. 从因特网的工作方式 看，它是一个虚拟的 、庞大的网络，由IP数据报的传递作为核心。

    2. 从因特网的服务提供者 看，它由边缘部分 和核心部分组成。

互联网和互连网：

以小写字母 开始的internet（互连网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互

连而成的计算机网络。在这些网络之间的通信协议（即通信规则）可以任意选择，不一定非

要使用 TCP/TP 协议。

以大写字母 开始的 Internet（互联网，或因特网）则是一个专用名词，它指当前全球

最大的，开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网，它采用 TCP/IP 协议族作为通信

的规则，且其前身是美国的 ARPANET。

3.计算机网络的组成

1. 从组成部分看

• 硬件 ：
  • 主机（端系统）：如电脑、手机、物联网设备等，是网络的终端节点。
  • 通信设备：如集线器、交换机、路由器，负责数据的转发和路由。
  • 通信链路：如网线、光纤、同轴电缆，是数据传输的物理介质。
  • 网络适配器（网卡）：负责将主机数据发往网络，同时接收网络传来的数据，是主机与网络的 "接口"。
• 软件：方便用户使用和实现资源共享的程序，如 Email 客户端、聊天软件、网盘软件等。
• 协议：规定计算机网络通信规则的约定，由硬件和软件共同实现（如网卡 + 软件可实现网络通信协议）。

2. 从工作方式看

• 边缘部分：直接为用户服务（实现通信、资源共享），主要由连接到互联网的主机及其软件组成。
• 核心部分：为边缘部分提供服务（连通性、交换服务），由大量网络和连接这些网络的路由器组成，是数据传输的 "骨干"。

3. 从逻辑功能看

• 资源子网：计算机网络中运行应用程序，向用户提供可共享的硬件、软件和信息资源的部分，主要由连接到互联网的主机组成。
• 通信子网：负责计算机间信息传输的部分，由通信链路、通信设备和协议构成（主机内部的网卡、底层协议也属于通信子网范畴）。

4.计算机网络的功能

• 数据通信 ：这是计算机网络最基本、最重要的功能，实现了计算机之间的数据传输，例如不同设备间的文件传输、消息收发等。
• 资源共享：可共享硬件（如打印机）、软件（如应用商店的各类程序）、数据资源（如共享的视频、文档）。比如智能音箱请求服务器处理指令、通过应用商店下载软件、分享视频文件等，都是资源共享的体现。
• 分布式处理：将复杂任务分配给网络中多台计算机协同处理，提升效率。例如大矩阵运算、MapReduce 分布式计算框架的应用。
• 提高可靠性：网络中多台计算机可互为替代，保障服务不中断。比如网盘服务器集群通过数据冗余备份，即使部分服务器故障也能正常提供服务。
• 负载均衡：多台计算机共同分担繁重工作，避免单台设备过载。例如热门游戏用多台服务器均衡处理玩家请求，保障游戏流畅性。
• 其他社会需求：满足远程办公、远程教育、娱乐（如在线视频、游戏）等生活和社会需求。

5.三种交换技术

1. 电路交换 ：必须经过"建立连接 （占用通信资源）→ 通话 （一直占用通信资源）→ 释放连接 （归还通信资源）"三个步骤。特点 ：在通话的全部时间内，通话的两个用户始终独占 端到端的通信资源。效率低。

2. 报文交换 ：整个报文传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表 ，再转发到下一个节点。时延较长。

3. 分组交换 ：采用存储转发 技术。在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段 。在每个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部（header） 后，就构成了一个分组（packet）（或称"包"）。

   • 分组交换的优点：

     • 高效 ：在分组传输的过程中动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。

     • 灵活：为每一个分组独立地选择最合适的转发路由。

     • 迅速：以分组作为传送单位，可以不先建立连接就能向其他主机发送分组。

     • 可靠：保证可靠性的网络协议；分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性。

6.计算机网络的分类

一、按分布范围分类

• 广域网（WAN）：覆盖范围很广，通常跨越城市、国家甚至全球，如互联网的骨干网络。
• 城域网（MAN）：覆盖范围为一个城市，用于连接城市内的多个局域网，例如城市的政务网络。
• 局域网（LAN）：覆盖范围较小，如一个办公室、一栋楼，常使用 "以太网技术" 实现，像公司内部的办公网络。
• 个域网（PAN）：覆盖范围仅限个人周边，如蓝牙设备组成的网络。

二、按传输技术分类

• 广播式网络：通过广播的方式传输数据，接收方根据数据目的地址判断是否接受，例如早期的以太网。
• 点对点网络：数据在网络节点之间通过逐点转发的方式传输，如广域网中的很多网络类型。

三、按拓扑结构分类

• 总线形：所有节点连接到一条总线上，存在 "总线争用" 问题，采用广播式传输，如早期的以太网。
• 环形：节点连成环形，用 "令牌" 解决总线争用问题，采用广播式传输，如令牌环网。
• 星形：所有节点连接到中央设备（如交换机、集线器），不存在总线争用问题，由中央设备实现数据的点对点传输，是现在局域网常见的拓扑结构。
• 网状：节点之间有多条连接路径，灵活、可靠性高，但控制复杂、线路成本高，常见于广域网的骨干网络。

四、按使用者分类

• 公用网：面向公众，"给钱就能用"，如电信运营商提供的互联网接入网络。
• 专用网：为特定机构或用户服务，"给钱也不让用"，如军队、企业的内部专用网络。

五、按传输介质分类

• 有线网络：通过有线介质传输数据，如双绞线、光纤、同轴电缆组成的网络。
• 无线网络：通过无线信号传输数据，如 Wi-Fi 网络、移动蜂窝网络。

7.计算机网络的性能指标

1. 速率 ：指数据的传送速率 ，也称为数据率或比特率。单位是bit/s（比特每秒）。额定速率 或标称速率。

2. 带宽 ：在计算机网络中，带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的"最高数据率"。单位是bit/s。

3. 吞吐量 ：表示在单位时间内 通过某个网络（或信道、接口）的实际数据量。

4. 时延：指数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。

   • 发送时延：= 数据块长度(bit) / 信道带宽(bit/s)

   • 传播时延：= 信道长度(m) / 电磁波在信道上的传播速率(m/s)

   • 处理时延：在节点中存储转发时进行处理所需的时间。

   • 排队时延：在节点中等待输出链路可用所需的时间。

   • 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

5. 时延带宽积：= 传播时延 × 带宽。表示链路上能容纳的比特数量。

6. 往返时间RTT：从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认（接收方收到数据后立即发送确认），总共经历的时间。

7. 利用率：

   • 信道利用率：信道有百分之几的时间是被利用的。

   • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。

   • 根据排队论，当信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。

8.计算机网络的分层结构

一、网络的体系结构

网络体系结构精确定义了网络的层次划分、各层功能、各层协议（不涉及具体实现）。常见的三种体系结构为：

• OSI 参考模型：7 层结构，是 "法律标准"，分层为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。
• TCP/IP 模型：4 层结构，是 "事实标准"，分层为网络接口层、网际层（IP 层）、传输层（TCP/UDP）、应用层。
• 五层模型：5 层结构，是 "教学用标准"，分层为物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层（结合了 OSI 和 TCP/IP 的优势，便于教学理解）。

二、实体、协议、接口、服务

• 实体：第 n 层中的活动元素（软件 + 硬件），称为第 n 层实体。
• 协议 ：控制对等实体 之间通信的规则集合，是水平的（对等层之间的约定）。
• 服务 ：下层为紧邻的上层提供的功能调用，是垂直的（层与层之间的支撑关系）。
• 接口：又称服务访问点（SAP），上层实体通过 "接口" 请求下层实体的服务（是层间交互的 "入口"）。

三、PDU、SDU、PCI

• PDU（协议数据单元）：第 n 层的协议数据单元，是 n 层实体间通信的基本单位。
• SDU（服务数据单元）：第 n 层的服务数据单元，是 n 层为上层提供服务时传递的数据单元。
• PCI（协议控制信息）：第 n 层的协议控制信息，用于实现 n 层协议的控制逻辑。
• 三者关系：n-SDU + n-PCI = n-PDU = (n-1)-SDU（即下层会将上层的 PDU 作为自身的 SDU，再添加自身的 PCI，形成新的 PDU）。

四、协议的三要素

• 语法：数据与控制信息的格式（如报文的结构、字段的定义）。
• 语义：需要发出的控制信息、完成的动作及做出的应答（如 "某个字段表示确认"）。
• 同步（或时序）：执行各种操作的条件、时序关系（如 "先建立连接，再传输数据，最后释放连接" 的顺序）。

9.OSI参考模型

巧记：物联网叔会使用

物理传输媒体属于第0层

|-----------|------------------------------------------------------------|-----------------------------|
| 应用层 | 为用户应用程序提供网络服务（如文件传输、邮件、Web 访问等），是用户与网络的接口。单位--报文 | HTTP、FTP、SMTP、POP3、DNS 等 |
| 表示层 | 负责数据的格式转换、加密 / 解密、压缩 / 解压缩，使不同格式的应用数据能在网络中传输。 | 各种数据编码格式（如 JPEG、ASCII）、加密算法 |
| 会话层 | 建立、管理和终止两个应用程序之间的会话（如通信双方的连接建立、保持、断开）。 | 会话控制协议（如 RPC） |
| 传输层 | 提供端到端的可靠或不可靠数据传输，负责分段、流量控制、差错控制。单位--报文 | TCP（可靠传输）、UDP（不可靠传输） |
| 网络层 | 负责数据包的路由选择（将数据从源端传输到目的端），处理网络互联、逻辑地址（如 IP 地址）。单位--分组 | IP、ICMP、ARP、RIP、OSPF 等 |
| 数据链路层 | 负责相邻节点间的可靠数据传输，处理帧的封装、差错检测、流量控制，以及物理地址（如 MAC 地址）。单位--帧 | Ethernet（以太网）、PPP、HDLC 等 |
| 物理层 | 定义物理介质的电气、机械、功能和规程特性，实现比特流的传输（如电压、接口类型、线缆标准）。单位--比特 | 双绞线、光纤、RJ-45 接口、以太网物理层规范 |

10.TCP/IP模型

巧记：接网叔用

|---------------|-------------------------------------------------------|---------------------------------|
| 应用层 | 整合了 OSI 模型的应用层、表示层、会话层功能，为用户应用提供网络服务（如 Web、邮件、文件传输等）。 | HTTP、FTP、SMTP、POP3、DNS、Telnet 等 |
| 传输层 | 提供端到端的可靠 / 不可靠数据传输，负责分段、流量控制、差错控制，与 OSI 传输层功能一致。 | TCP（可靠传输）、UDP（不可靠传输） |
| 网际层（IP 层） | 对应 OSI 网络层，负责数据包的路由选择（跨网络传输），处理 IP 地址、分组转发、网络互联。 | IP、ICMP、ARP、RIP、OSPF 等 |
| 网络接口层 | 整合了 OSI 数据链路层和物理层功能，负责相邻节点的比特流传输及帧的封装、物理介质适配。 | Ethernet（以太网）、PPP、无线局域网协议等 |