王道考研 计算机网络笔记 第一章：概述&计算机网络体系结构

目录

  • 一、概念、功能、组成、分类

    • 1. 组成部分

    • 2. 工作方式

    • 3. 功能组成

    • 1. 计算机网络的概念

    • 2. 计算机网络功能

    • 3. 计算机网络的组成

    • 4. 计算机网络的分类

  • 二、标准化工作及相关组织

    • 1. 标准化工作

    • 2. 标准化工作的相关组织

  • 三、性能指标

    • 1. 速率

    • 2. 带宽

    • 3. 吞吐量

    • 4. 时延

    • 5. 时延带宽积

    • 6. 往返时延RTT

    • 7. 利用率

  • 四、分层结构、协议 、接口、服务

    • 1. 相同点

    • 2. 不同点

    • 1. OSI参考模型的由来

    • 2. OSI参考模型通信过程

    • 3. 七层简介

    • 应用层

    • 表示层

    • 会话层

    • 传输层

    • 网络层

    • 数据链路层

    • 物理层

    • 1. 分层结构

    • 2. OSI参考模型

    • 3. TCP/IP参考模型

    • 4. 5层参考模型

第一章大纲：

一、概念、功能、组成、分类

1. 计算机网络的概念

首先来区分网络与计算机网络：

  • 网络包含着计算机网络，因为除此之外，还有很多其他的网络

  • 计算机网络是网络的一个分支，他是通信技术与计算机技术相互结合的产物

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

  • 计算机系统+通信设备+线路组成了网络的拓扑结构，只是搭了一个架子；

  • 在这些端系统上安装软件才能实现资源共享和信息传递的功能

因此：计算机网络是互联的，自治的计算机集合

  • 互联：通过通信线路实现互联互通

  • 自治：端系统之间没有主从关系，相互独立，不能相互控制

2. 计算机网络功能

  1. 数据通信：数据可以在信道上传输，保证了不同主机间的连通信

  2. 资源共享：包括三大类：硬件、软件、数据资源共享

  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（例如：Hadoop平台）

  4. 提高可靠性：如果某台主机宕机了，所在链路断开；另外一条链路的主机可以成为替代机，保证正常的工作

  5. 负载均衡：分布式处理达到的效果，使工作任务均衡的分配给各台计算机，合同工作

3. 计算机网络的组成

1. 组成部分

硬件、软件、协议

2. 工作方式

  • 边缘部分：用户可以直接使用的部分，分为C/S和P2P两种方式

  • 核心部分：为边缘部分服务

3. 功能组成

数据通信+资源共享，进而将计算机网络分为两大类

  • 通信子网：实现数据通信

  • 资源子网：实现资源共享/数据处理

OSI七层参考模型结构的划分

4. 计算机网络的分类

二、标准化工作及相关组织

1. 标准化工作

2. 标准化工作的相关组织

  • 国际标准化组织ISO：提出了OSI参考模型、HDLC协议

  • 国际电信联盟ITU：执行了通信规则

  • 国际电气电子工程师协会IEEE：是一个学术机构，提出了IEEE802系列标砖，以及对于5G提出的标准

  • Internet工程任务则IETF：负责因特网相关标准的指定，如上图的 RFC XXXX

三、性能指标

1. 速率

2. 带宽

带宽指的是在发送端入口位置发送数据的最高速率，而不是在链路上传播的速率，在链路上是以电磁波的方式传播

3. 吞吐量

4. 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.

时延分为四总：

  • 发送时延(传输时延)：从发送分组的第一个bit算起，到该分组的最后一个bit发送完毕所需的时间。

    本例中：A将10个bit的数据推送到信道上面的时间为1s，即为发送时延，发生在主机A内部

  • 传播时延：电磁波在信道上传播一定距离所花费的时间，取决于电磁波的传输速度和链路长度

    注意：在信道上传输的是电磁波不是比特流，比特流经过一定的调制手法，使其以电磁波为载体进行传输

    本例中：将数据以电磁波的形式从A传到B的时间即为传播时延，发生在信道链路上

  • 排队时延：等待输入/输入链路可用所需要的等待时间

    本例中：数据已经从A通过信道输入路由器，但是此刻路由器繁忙，需要在路由器的缓存区里等待，数据在路由器内处理完毕后，数据输出的时候也需要等待一定时间，等待链路可用，这些时间即为排队时延，发生在路由器内

  • 处理时延：路由器中检错，找出口所需要的时间

    本例中：数据在路由器的缓冲区里等待完毕，路由器开始对其进行转发的工作；检查数据是否出错、转发、找出口所需要的时间就是处理时延，发生在路由器内

对高速链路的理解：

  • 高速链路只是将发送速率（带宽）提高，并不会影响电磁波的传输速率

  • 因此高速链路只减小了发送时延，传播时延不变

5. 时延带宽积

6. 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

我们可以通过ping命令测试往返时延

  • RTT越大，在收到确认钱，可以发送的数据越多

  • RTT = 往返传播时延(传播时延*2) + 末端处理时间

7. 利用率

四、分层结构、协议 、接口、服务

1. 分层结构

为什么要分层？将大问题–》小问题

怎么分层？

正确认识分层结构

概念总结

2. OSI参考模型

1. OSI参考模型的由来

  • 为了解决计算机网络复杂的大问题，于事提出了分层结构，划分成一个个的小问题

  • 提出了分层结构以后，各公司分别提出自己的网络体系结构；但是只有采用该公司产品的人才能使用其网络体系结构，不同的网络体系结构被对对应的公司所垄断，因此只能达到公司内部的网络通信，对所有人进行网络的互联互通十分困难

  • 为了实现不同厂家网络的互联互通，将所有人都可以联系在一起，便提出了OSI参考模型

2. OSI参考模型通信过程

3. 七层简介

应用层

表示层

三大功能

  • 数据格式交换：不同主机的编码以及表示方式不同，为了使不同的主机能够进行数据或者信息的交换，就需要表示层实现数据格式变换

  • 数据加密接密：比较隐私的话题如密码等，放在链路上传输前需要在发送端对数据进行加密；到了接受端，会对数据进行接密；这样就保证了安全性

  • 数据压缩和恢复：比如视频聊天，聊天图像非常大，发送端需要对其进行压缩，再传输到链路上，最后到到接受端解压缩，使图像正常呈现

会话层

传输层

网络层

分组和数据报的关系

  • 类似父与子的关系，数据包过长时，就可对其进行分隔成一个个小的分组

  • 再将分组放到链路上传输，可使传输过程更加灵活，也可减小消耗损失

四大功能

  1. 路由选择：选择一个最佳的路径，使分组从发送端顺利的到达接受端

  2. 流量控制：协调发送端与接受端的速度，如果发送端发送太快了，接受端来不及接收，就告诉发送端慢点发，就是对发送端发送速度的控制

  3. 差错控制：通信两节点之间约定的一些特定的规则，如：奇偶校验码。接受发会根据这个规则来检查收到的分组有没有错误，如果能够纠错就纠错；如果不能纠错就将分组丢掉；这样能确保上一层次传输层所提交的数据都是没有错误的

  4. 拥塞控制：和流量控制有所区别，流量控制是控制发送端的速度，拥塞控制是针对全局，宏观的来看，控制整体的速度

数据链路层

作为网络层的下层，为网络层提供服务，主要任务：

  • 把网络层传下来的数据报组装成帧

因此数据链路层的传输单位是帧

功能：

  1. 定义帧的开始和结束：数据报成帧之后会形成比较长的比特流序列，需要对这个比特流定义哪里是帧的开始哪里是帧的结束；只有这样，在接受端收到帧的时候才能提取出帧的部分，进而上交给网络层，实现下一步的解封装

  2. 差错控制：分为 帧错 + 位错 ，对于这两种错误，数据链路层都有对应的检错或者纠错的方法；如果发现差错，可能会简单的丢弃差错的帧，以免继续传送错误的帧，浪费资源；如果需要纠错，就会利用一些可靠传输协议来纠错

  3. 流量控制：对于发送方和接收方速度的协调问题，如果接收方的缓存不够用了，那么发送方再发来的数据就会丢弃掉；就会告诉发送方慢点发，等接收方有缓存空间了，再加快速度

  4. 访问(接入)控制：控制对信道的访问；当多个主机连接在同一个传播介质上，在广播式网络中，数据链路层就得解决访问接入控制的问题，控制哪台主机可以占用信道，因为在广播式网络当中，同一时间只能有一个主机在发送信息，其他主机都是出去监听的状态；所以数据链路层可以控制大家对于共享信道的访问，这是由它的特殊子层（介质访问子层）来专门处理控制的

物理层

傻瓜层，只需要将比特流转换成电信号的形式，然后放在链路上面进行传输

主要任务：在物理媒体上实现比特流的透明传输

  • 物理媒体可以是任何一种的物理介质，比如同轴电缆，双绞线还有无线电波登等

  • 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。

功能：

  1. 定义接口特性：比如确定连接电缆的插头需要多少个引脚，每一条引脚需要如何连接

  2. 定义传输模式：有三种，单工、半双工、全双工

  3. 定义传输速率：我们常说的十兆网、百兆网，就是指发送端的发送速率/传输速率；这都是物理层可以定义的

  4. 比特同步：指的就是发送端发送一个1，接受端就可以接收到一个1

  5. 比特编码： 比如差分曼彻斯特编码，曼特斯特编码；就是规定什么是0什么是1，什么电压表示0什么电压表示1

3. TCP/IP参考模型

OSI与TCP/IP异同：

1. 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连

2. 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；而TCP/IP先发明了协议，然后根据协议归纳出整个TCP/IP架构

  3. TCP/IP设计之初就考虑到了异构网互联问题，将IP作为重要层次

  4. 网络层有IP协议，强调面向无连接，所以两个模型在网络层都有无连接通信

    传输层是端到端，进程与进程之间的通信，是为了实现可靠传输而存在，需要建立连接，所以两个模型在传输层都有面向连接

4. 5层参考模型

综合了OSI和TCP/IP的优点

5层参考模型的数据封装与解封装图

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