王道考研2019版计算机网络第一章--计算机网络概述

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1.1 计算机网络概述

1.1.1概念、组成、功能和分类

1 计算机网络的概念

2计算机网络的功能

3计算机网络的组成

4计算机网络的分类

1.1.2标准化工作及相关组织

2标准化工作的相关组织

1.1.3速率相关的性能指标

1速率

2带宽

3 吞吐量

1.1.4时延、时延带宽积、RTT和利用率

1时延

2时延带宽积（容量）

3往返时延RTT

4利用率

1.2计算机网络体系结构与参考模型

1.2.1分层结构、协议（核心）、接口、服务

1为什么要分层

2分层的基本原则

3正式认识分层结构

4概念总结

1.2.2 OSI参考模型

1ISO/OSI参考模型--怎么来的？

2ISO/OSI参考模型解释通信过程

3第七层--应用层

4第六层--表示层

5第五层--会话层

6第四层--传输层

7第三层--网络层

8第二层--数据链路层

9第一层--物理层

1.2.4 TCP、IP参考模型和5层参考模

1OSI参考模型与TCP/IP参考模型

2 OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点

3 OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点

4五层参考模型

5五层参考模型的数据封装与解封装

第一章知识总结

1.1 计算机网络概述

1.1.1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，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善软件实现资源共享和信息传递的系统

PS：

• 分散：地理位置的不同
• 计算机系统：手机端、电脑端
• 通信设备：交换机、路由器

简而言之：计算机网络是互连的、自治的计算机集合。

• 互连-互联互通 通信链路（双绞线、微波）
• 自治-无主从关系（可以通信，但是没有谁控制谁的关系）

2计算机网络的功能

• 数据通信：计算机网络最基本最重要功能（连通性）
• 资源共享：硬件资源的共享（打印机） 软件的共享 数据资源共享（百度网盘）
• 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（一个任务大家分着做）
• 提高可靠性：如果A主机宕机，可以通过替代机通信（一个我倒下，还有千千万万的我）
• 负载均衡：分布式处理的优势，计算机之间互相配合一起干活
• .....

3计算机网络的组成

1.组成部分

• 硬件（主机即端系统、链路（双绞线、光纤）、通信设备（路由器、交换机））
• 软件 （应用软件QQ.....）
• 协议（网络协议是网络软件系统中最重要、最核心的部分）

2.工作方式

• 边缘部分：用户直接使用
  1. C/S方式
  2.  P2P方式

• 核心部分：为边缘部分服务

3.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

4计算机网络的分类

• 按分部范围分：
  1. 广域网WAN（交换技术）——跨国
  2. 城域网MAN ——跨城
  3. 局域网LAN（广播技术）——1km左右、教室、楼宇
  4. 个人区域网PAN——办公桌面

• 按使用者分：
  1. 公用网（中国电信等）
  2. 专用网（军队内部网）

• 按交换技术分： 电路交换 报文交换 分组交换
• 按拓扑结构分：

• 按传输技术分：
  1. 广播式网络（共享公共通信信道）
  2. 点对点网络（使用分组存储转发和路由选择机制）

1.1.2标准化工作及相关组织

标准的分类

• 法定标准：由权威机构定制的正式的、合法的标准 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 TCP/IP

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）：这个阶段开始成为RFC文档
3. IETF、IAB批准同意
4. 成为因特网标准（Internet Standard）

2标准化工作的相关组织

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

1.1.3速率相关的性能指标

1速率

速率即数据率或称数据传输率或比特率。 表现形式：1/0 单位：位

速率是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

2带宽

(1) “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) 。

(2)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 。

带宽就是网络设备所支持的最高速度

理解：带宽可以理解为路的宽度，带宽2Mb/s的就是双车道，带宽1Mb/s的就是单车道。

3 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等。

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

理解：带宽可以理解为链路的理论传输速率上限，吞吐量是某时间内链路实际的数据量。

1.1.4时延、时延带宽积、RTT和利用率

1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。单位是秒s。

理解：

• 发送时延（传输时延）：把数据从主机放到信道上所需的时间，比如0101001从1到0全部发送出去所需的时间。（与数据长度和信道带宽有关）
• 传播时延：数据以电磁波为载体传输，在信道上传输所需的时间。其中电磁波传播速度只与介质有关。（与链路长度和电磁波传播速率有关）
• 排队时延：排队等待输出/入链路所需的时间
• 处理时延：检错，找出口所需的时间

2时延带宽积（容量）

时延带宽积 = 传播时延 X 带宽 单位：比特b

• 时延：传播时延，是电磁波在信道上传播一定距离所花费的时间，单位 秒s
• 带宽：发送端在发送数据时可以达到的最高数据率，强调发送速率，单位 b/s

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”

3往返时延RTT

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。

终端输入ping命令，再加ip地址或者域名即可查看RTT

RTT越大，在收到确认之前，可以发送的数据越多。因为RTT越大则等的越久，等的越久则数据越多。

RTT包括：

• 往返传播时延=传播时延 * 2
•  末端处理时间（不包括发送时延，只管传播时延 ）

4利用率

利用率：

• 信道利用率
• 网络利用率：信道利用率加权平均值

1.2计算机网络体系结构与参考模型

1.2.1分层结构、协议（核心）、接口、服务

1为什么要分层

发送文件前要完成的工作:

1. 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. ........

为什么分层：以上问题比较多，要把大问题分成一系列的小问题进行解决。

2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，相互之间的交流尽可能少
• 结构可分割，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

3正式认识分层结构

1. 实体:第n层中的活动元素称为n层实体。同一层的实体叫对等实体。
2. 协议:为进行网络中的对等实体数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议。【水平层次】
   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:规定各种操作的顺序

1. 接口（访问服务点SAP) :上层使用下层服务的入口、下层为相邻上层提供的 。【垂直层次】
2. 服务:下层为相邻上层提供的功能调用。【垂直层次】上层使用下层所提供的服务时必须与下层交换一些命令，这些命令在OSI中称为服务原语。OSI将原语划分为4类:
   • 请求(Request)。 由服务用户发往服务提供者，请求完成某项工作。
   • 指示(Indication)。 由服务提供者发往服务用户，指示用户做某件事情。
   • 响应(Response)。 由服务用户发往服务提供者，作为对指示的响应。
   • 证实(Confirmation)。 由服务提供者发往服务用户，作为对 请求的证实。

• 这4类原语用于不同的功能，如建立连接、传输数据和断开连接等。有应答服务包括全部4类原语，而无应答服务则只有请求和指示两类原语。

在计算机网络体系架构的各个层次中，每个报文都分成两部分：

• 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，即图中data部分。
• PCI 协议控制信息： 控制协议操作的信息。（为同一层实体进行数据交换建立的规则），即图中H部分。
• PDU 协议数据单元：PCI + SDU = PDU 对等层次之间传送的数据单位,。（加了协议的数据就可以在对等层次间传送；打包阶段：上一层的PDU变成下一层的SDU）

4概念总结

1. 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。（而不是从物理上的硬件来描述）
2. 计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构。
3. 每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能。
4. 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。
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. 体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件。

1.2.2 OSI参考模型

1ISO/OSI参考模型--怎么来的？

是为了解决计算机网络复杂的大问题-->分层结构(按功能)

• 目的: 支持异构网络系统的互联互通,(支持不同的网络结构，为了所有人可以互联，为了不要垄断)。
• 国际标准化组织(ISO) 于1984年提出开放系统互连(OSI) 参考模型。开放即非垄断
• 但是OSI理论成功，市场失败。

2ISO/OSI参考模型解释通信过程

3第七层--应用层

定义：所用能和用户交互产生网络流量的程序。如QQ，浏览器等

典型的应用层服务：

• 文件传输（FTP）
• 电子邮件（SMTP）
• 万维网（HTTP）

4第六层--表示层

定义：用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（对语法和语义的处理）

功能：

• 数据格式变换（翻译官）
• 数据加密解密
• 数据压缩和恢复

5第五层--会话层

定义：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：

• 建立、管理、终止会话
• 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。

功能二理解：上传小说时，可能在上传到第四章的时候网络中断，当网络恢复时，可以从第四章继续恢复上传，而不需要整个小说重新上传。

6第四层--传输层

定义：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。

1. 功能一：可靠传输、不可靠传输
   1. 可靠传输：发送端在文件很大就需要切分成报文段进行发送，接收端接收后会反馈确认信息给发送端，发送端收到确认信息后才能继续发送报文段。这是一个基于确认机制的过程。
   2. 不可靠传输：不需要使用确认机制，直接发报文段就行了。比如发消息就是采用不可靠传输。

1. 功能二：差错控制
   1. 对于发生的差错进行控制，比如传输报文段顺序错误，丢失等。传输层就负责纠正这些错误。

1. 功能三：流量控制
   1. 如果接收端接收能力有限，就需要发送方慢点发送，于是发送方减缓发送速率。

1. 功能四：复用和分用
   1. 复用:多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务。
   2. 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。
   3. 每个应用层进程（比如QQ、微信）都会有一个端口号，多个进程可以同时发送（复用），应用层发送端传输报文段后，接收端根据端口号精准发送给对应的进程（分用，比如QQ的消息就发给QQ）。

7第三层--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。

网络层传输单位是数据报。

• 数据报与分组是整体与部分的关系：当数据报过长时就可以对数据报进行切割，切割成一个一个小的分组

功能一: 路由选择

• 选择合适的路由，具体选择哪种方式要看网络情况，选择最佳路径。

功能二: 流量控制（限制发送端）

• 协调发送端后接收端的速率问题（与传输层感觉感觉重复了）

功能三: 差错控制

• 通信两节点之间约定的规则

功能四: 拥塞控制 （宏观）

• 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。

8第二层--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。

1. 功能一: 成帧(定义帧的开始和结束) ....100001110101010....
   1. 数据报组装成帧后会形成一个比较长的比特流序列，对于这样一个比特流需要定义一下哪是帧的开始哪是帧的结束。只有这样定义好，我们才可以在接收端收到帧的时候提取出数据的部分进而提交给网络层。

1. 功能二：差错控制 帧错+位错
   1. 如果发现有差错，数据链路层可能丢弃出现差错的帧，因为差错的帧继续在网络上传输会浪费资源。如果要纠错，可以通过可靠的传输协议纠正出现的差错。

1. 功能三： 流量控制
   1. 协调发送端和接收端的速率问题，如果接收端的缓存不够用，发送端发过来的数据全都会丢弃掉，就会告诉发送端慢点发，等缓存有空间了再加快速度。

1. 功能四： 访问（接入）控制 控制对信道的访问
   1. 比如在广播式网络中，同一时间只能有一个人在发送信息。所以数据链路层就可以控制大家对于共享信道的访问，专门由它的特殊子层介质访问子层来专门处理控制这个问题。

9第一层--物理层

主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输。

物理层传输单位是比特。

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。

物理层称为傻瓜层：因为只需要把比特流转换成电信号的形式然后放到链路上进行传输就OK了，不需要对数据进行改动和切割。

1. 功能一： 定义接口特性
   1. 比如连接电缆的插头应该有多少引脚，每个引脚如何连接。

1. 功能二：定义传输模式 单工、半双工、双工
   1. 单工：只可以单方向，比如两个人进行通信，同一时间段只可以一个人在发送且整个时间段不能变成接收端，另一个人只能接收且不能变成发送端。
   2. 半双工：两个人都可以发送或者接收，但是同一时间只能一个人发送另一个人接收（但发送方可以成为接收方，类似对讲机）。
   3. 双工： 两个人可以同发送和接收（类似打电话）。

1. 功能三：定义传输速率
   1. 定义发送端的发送速率和传输速率

1. 功能四：比特同步
   1. 发送端发送一个1，接收端就能接收一个1，保证比特的同步。

1. 功能五：比特编码
   1. 规定一下用什么样的电压表示1和0

1.2.4 TCP、IP参考模型和5层参考模

1OSI参考模型与TCP/IP参考模型

OSI参考模型先是理论，没有实践。

TCP/IP是由TCP/IP协议栈的实践发展为TCP/IP参考模型理论的。

TCP/IP协议栈不是只有TCP和IP，只不过TCP和IP占大头。

网际层是TCP/IP体系结构的关键部分

2 OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点

1.都是分层体系结构

2.基于独立的协议栈的概念

3.可以实现异构网络互联

3 OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点

1.OSI定义三点:服务、协议、接口

2.0SI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互联问题，将IP作为重要层次

4.

• • 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，它直接进行数据传输。
  • TCP/IP模型的网络层采用IP协议，无连接不可靠；
  • 传输层的传输控制协议TCP面向连接可靠，用户数据报协议UDP无连接不可靠。

4五层参考模型

5五层参考模型的数据封装与解封装

第一章知识总结

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