计算机网络复习笔记1——计算机网络概述

简介

计算机网络复习笔记专题，对计算机网络相关的基础知识进行回顾，面临秋招，笔试面试环节对于计算机网络的考察较多，这一专题进行一些总结，主要是按照谢希仁版《计算机网络》的核心章节进行总结，主要是参考了网上的博客（总结的很详细）和牛客网上面的练习题。

第一章、计算机网络概述

重要内容

• 互联网边缘部分和核心部分的内容及作用。
• 分组交换的概念。
• 计算机网络的性能指标。
• 计算机网络的分层次的体系结构的概念、协议和服务。

核心知识点

1、互联网的特点：

• 连通性
• 共享性

2、基本概念：

1. 计算机网络：是由分布在不同地理位置，功能独立的多台计算机，使用网络设备和线路连接而成的网络系统，主要目的是信息交换和资源共享。
2. 互连网（internet）：使用路由器和线路将多个计算机网络连接起来，构成的覆盖范围更广的网络，叫作互连网，小写字母开头。所以，互连网是“网络的网络”。
3. 互联网（Internet）：也称因特网，指当今全球最大的、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。

3、互联网和互连网的区别：

1. 互联网是特定的互连网。任意把几个网络通过路由器互连起来，并且能相互通信，这样只是互连网，而不是互联网。
2. 互联网必须采用TCP/IP协议族作为通信规则，而互连网可以选用任意的通信协议。

4、网络由若干节点和连接这些节点的链路组成（节点可以是计算机，集线器，交换机，路由器等）；网络和网络之间通过路由器连接起来，构成了互连网——即网络的网络；因此，网络把许多计算机连接在一起，互连网将许多网络连接在一起。

5、WWW：万维网，侧重于指互联网上的网页。使用HTTP协议工作。

6、互联网的组成：

1. 边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成，这部分是用户直接使用的。其目的是进行通信和资源共享。
2. 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的，提供连通性和交换。

7、端系统之间通信的含义：

“主机 A 和主机 B 进行通信”实际上是指：“运行在主机 A 上的某个程序和运行在主机 B 上的另一个程序进行通信”。简称：“计算机之间通信”。

8、端系统的通信方式：

     1. 客户端/服务器方式（C/S方式）：一方是客户，一方是服务器。

• 客户端：被用户调用后运行，在打算通信时主动向远地服务器发起通信（请求服务）。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。
• 服务器：一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。系统启动后即自动调用并一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。一般需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

2. 对等连接方式（P2P方式）：本质上看仍然是使用客户服务器方式，只是对等连接中的每一个主机既是客户又是服务器。

9、互联网的核心部分：

1. 在互联网核心部分中起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机，是实现分组交换的关键构件，作用是按存储转发方式进行分组交换。其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。

2. 交换方式：

   
   1. 电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送。缺点是在通话的全部时间里，通话的两个用户需要始终占用端到端的通信资源。这在计算机网络中效率很低，因为计算机数据往往是突发式的出现在传输线路上的。
   2. 报文交换：整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。一旦出错将使整个报文失效，不够灵活。
   3. 分组交换：分组（报文的一部分）先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点。最终，接收方接收所有的分组，并将其还原为最初的报文。优点是时延小，灵活性好，是计算机网络中最常用的交换方式。

        3. 互联网核心部分中的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。

        4. 主机的用途是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的，即进行分组交换的。

10、计算机网络的类别：

1. 按照作用范围划分：
   1. 广域网（wide area net，wan）：范围几十到几千公里。
   2. 城域网（metropolitan area net，man）：范围5-50公里。
   3. 局域网 LAN (Local Area Network)：局限在较小的范围（如 1 公里左右）。
   4. 个人区域网 PAN (Personal Area Network) ：范围很小，大约在 10 米左右。
2. 按照网络使用者划分：
   1. 公用网：所有人都能用。
   2. 专用网：只有单位内部人员能用。

11、计算机网络的性能指标：

1. 速率：单位时间内的数据传送速率，也叫数据率或比特率（单位：bit/s)。速率往往是指额定速率或标称速率，非实际运行速率。

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。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 ，即 “比特每秒”。

速率 VS 带宽：速率指的是信道传输的标准速率，而带宽指的是最高速率。例如，电信公司安装的宽带，通常会说带宽为100兆，但实际上速率只有10兆左右。

     3. 吞吐率：单位时间内通过某个网络（信道、接口）的实际数据量。

     4. 时延：数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络的一端传到另一端所需要的时间，又称延迟或者迟延。它由四个部分组成：

1. 发送时延：主机或路由器发送数据帧所需要的时间。计算方式为：数据帧长度（bit）除以发送速率（bit/s）

2. 传播时延：电磁波在信道中传输所需的时间。计算方式为：信道长度（m）除以电磁波在信道上的传输速度（m/s）

3. 排队时延：分组在路由器中需要先排队等待处理，再排队等待发送。

4. 处理时延：主机或路由器收到数据帧处理所需要的时间。

   

5. 利用率：利用率并非越高越好，高利用率会导致高时延（排队理论）。

   1. 信道利用率：某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）。完全空闲的信道的利用率是零。
   2. 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值。

12、计算机网络体系结构：

1. 开放系统互连基本参考模型OSI/RM（Open Systems Interconnection)将通信协议划分为7层。

2. 由于OSI模型过于复杂，难以市场化，目前主要的国际标准为：TCP/IP。他将计算机网络的通信协议划分为4层。

3. 网络协议：为实现网络中的数据交换而建立的规则标准或约定。

   三要素：
   1. 语法：数据与控制信息的格式。
   2. 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作，做出何种响应。
   3. 同步：事件实现顺序的详细说明。

4. 分层的优势：

   1. 各层独立。
   2. 灵活性好。
   3. 结构上可分割开。
   4. 易于实现与维护。
   5. 能促进标准化工作。

5. 主要概念：

   1. 实体：任何可发送或接受信息的硬件或软件进程。
   2. 协议：控制两个对等实体（或多个实体）进行通信的规则的集合。是水平的。
   3. 服务：本层服务的实体只能向上一层提供服务，使用下一层的服务。是垂直的。

6. OSI 的七层协议体系结构的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。TCP/IP 是四层体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。但最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的办法，即综合 OSI 和 TCP/IP 的优点，采用一种只有五层协议的体系结构 。

   

13、五层协议内容（自顶向下）：

1. 应用层：
   1. 功能：通过应用进程之间的交互来完成特定的网络应用。
   2. 交换的数据单元：报文。
   3. 协议：域名系统DNS、支持万维网应用的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP等。
2. 运输层：
   1. 功能：负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。具有复用和分用的功能。
   2. 协议：
      1. 传输控制协议TCP：提供面向连接的、可靠的数据传输服务。交换的数据单元是：TCP报文段。
      2. 用户数据报协议UDP：提供无连接的尽最大努力的数据传输服务（不确保数据的可靠性）。交换的数据单元是：用户数据报。
      3. 不同的应用层协议基于不同的传输层协议。例如：HTTP协议、SMTP协议基于TCP协议，DNS协议、RTP协议基于UDP协议。
3. 网络层：
   1. 功能：为互联网内任意两台主机提供分组交换的通信服务。（路由器是网络层设备）
   2. 交换数据单元：分组（IP数据报）。
   3. 协议：网际协议IP。
4. 数据链路层：
   1. 功能：为局域网内任意两台主机提供数据帧传输。
   2. 交换的数据单元：数据帧。
5. 物理层：
   1. 功能；提供原始的比特流传输。
6. 从上至下的每一层的协议数据单元PDU，都在上一层的基础上，加上自己的控制信息。

   7. TCP/IP协议族：沙漏型，有很多协议，其中最主要的是运输层的TCP协议，网络层的IP协议。

第一章习题

1、分组交换的要点

答：分组交换采用的是存储转发的过程工作方式，数据以短的分组形式传送。如果一个源点有一个长的报文要发送，该报文就会被分割成一系列的分组。每个分组包含一部分用户数据和一些控制信息。控制信息至少要包括网络为了把分组送到目的地做路由选择所需要的信息。在路径上的每个结点，分组被接收，短时间存储，然后传递给下一节点。

分组交换的优点：高效，灵活，迅速，可靠。

缺点：分组在节点转发时因排队而造成一定的时延；分组必须携带一些控制信息需要额外的开销。

2、计算机网络中的主干网和本地接入网的主要区别是什么？

答：主干网高速传输，服务面积最大和路由最优通道
       本地网给用户提供直接的服务，用户接入，效率低

3、 互联网的两大组成部分（边缘部分与核心部分）的特点是什么？他们的工作方式各有什么特点？

边缘部分:由各主机构成，边缘部分利用核心部分提供的服务，使众多主机之间能够互相通信并交换信息或共享信息；

核心部分:网络中的核心部分由许多路由器实现互连，向网络边缘中的主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信。

4、客户-服务器方式与 P2P 对等通信方式的主要区别是什么？有没有相同的地方？

主要区别:客户-服务器方式，客户是服务请求方，服务器是服务提供方，而在p2p方式中，不区分哪个是服务请求方与服务提供方，后者实际上是前者的双向应用。

5、假定网络的利用率达到了90%。试估算一下现在的网络时延是它的最小值的多少倍？

答：信道利用率并非越高越好。这是因为，根据排队的理论，当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加。
如果令D0表示网络空闲时的时延，D表示网络当前的时延，那么适当的假定条件下，可以用下面的简单公式来表示D，D0和利用率U之间的关系:
                                                    D=D0/(1-U)

因此，当网络的利用率达到了90%。现在的网络时延是它的最小值的10倍。

6、协议与服务有何区别？有何关系？

答：协议是网络中为了数据交换而建的规则或者标准，概念上是"水平"，控制对等实体间的数据通信;

服务概念上是"垂直"，是本层面通过协议实现功能，提供给上一层接口。

7、网络协议的三个要素是什么？各有什么含义？

答：1.语法,即用户数据与控制信息的结构和格式。

2.语义,即需要发出何种控制信息,以及完成的动作与做出的响应。

3.时序,即对事件实现顺序的详细说明。

8、试述具有五层协议的网络体系结构的要点，包括各层的主要功能。

答：5层协议网络体系结构是综合OSI 7层和TCP/IP4层的优点，采用的一种原理体系结构。
各层的主要功能：
物理层： 物理层的任务就是透明地传送比特流。物理层还要确定连接电缆插头的定义及连接法。
数据链路层：数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制信息。
网络层：网络层的任务就是要选择合适的路由，使发送站的运输层所传下来的分组能够正确无误地按照地址找到目的站，并交付给目的站的运输层。
运输层：运输层的任务是向应用层进行通信的两个进程之间提供一个可靠的端到端服务，使它们看不见运输层以下的数据通信的细节。
应用层：应用层直接为用户的应用进程提供服务。

9、我们在互联网上传送数据经常是从某个源点传送到某个结点，而并非传送过去又再传送回来。那么为什么往返时间 RTT 是个很重要的性能指标呢？

答：A给B发送消息，采用分组存储转发的方式进行，往往需要根据从B得到的反馈信息（确认信息）再进行接下来的发送，所以也很看重往返时间。

参考资料：

1、https://hillzhang1999.gitee.io/2020/05/22/ji-suan-ji-wang-luo-quan-bu-fu-xi-bi-ji/

2、https://www.nowcoder.com/schoolbooks/detail/27/1?type=&page=1