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前言
为了更好理解知识点及原理，方便复习，本人对计算机网络（清华大学第4版）的教材知识进行了整理。本篇根据老师课堂PPT和查阅的相关资料对主要知识点进行分类和介绍，同时在个人主页共享了思维导图，适用于新手入门和考研党复习，内容仅供参考，欢迎交流！！！
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1.1计算机网络的形成和发展
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计网发展阶段的划分
- 第一阶段：计算机网络的形成与发展（20世纪50年年代）
- 第二阶段：互联网的形成与发展（20世纪90年代）
- 第三阶段：移动互联网的形成与发展（20世纪90年代末）
- 第四阶段：物联网的形成与发展（2010年前后）
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计网的形成与发展
- 1、ARPANET研究
- （1）计算机网络是计算机技术与通信技术发展、融合的产物
- （2）网络拓扑结构设计
- 集中式（星型网络）和非集中式（星-星结构）的拓扑构型
- 分布式网络的拓扑构型
- （3）分组交换技术的基本设计思路
- 一种新的数据交换技术
- 网络中没有一个中心控制节点，联网的计算机独立地完成数据接收、转发的功能。
- 发送数据的主机预先将待发送的数据封装厂成多个短的、有固定格式的分组。
- 如果发送主机和接收主机之间没有直接连接的通信线路，那么就需要中间节点（路由器）采用“存储转发”的方式转发分组。
- 每个路由器都可以独立地根据链路状态与分组的目的地址，通过路由选择算法为每个分组选择合适的传输路径。
- 当目的主机接收到属于一个报文的所有分组之后将多个数据字段组合起来还原成发送主机的报文。
- 构成分组交换技术的三个重要概念是：分组、路由选择与存储转发。
- 一种新的数据交换技术
- （4）ARPANET设计思路
- 将其分为两部分：通信子网与资源子网。
- 通信子网的转发节点用小型计算机实现，称为接口报文处理器（IMP），是路由器的雏形
- 将其分为两部分：通信子网与资源子网。
- （5）ARPANET研究过程
- 2、TCP/IP（Internet的核心技术）的研究与发展
- 传输控制协议（Transport Control Protocol ）TCP
- 主要用于实现源主机与目的主机操作系统之间分布式进程通信的功能
- 互联网协议(Internet Protocol）IP
- 主要用于标识节点地址与实现路由选择功能
- 传输控制协议（Transport Control Protocol ）TCP
- 3、NSFNET对Internet发展的影响
- 4、Internet的形成
- 1、ARPANET研究
- Internet的高速发展
- 宽带城域网与三网融合技术的发展
- 1、宽带城域网已成为现代化城市建设的重要信息基础设施之一，也导致了“三网融合”局面的出现
- 2、“三网融合”实质上是计算机网络、电信通信网与电视传输网技术的融合。
- 物联网的形成与发展
- 1、物联网是Internet接入方式与端系统的延伸，是Internet服务功能的扩展
- 2、物联网实现了物理世界与信息世界的无缝连接
- 3、物联网预示着网络技术将应用的发展趋势会在更大范围、更深层次
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1.2计算机网络技术发展的三条主线
- 第一条主线：从ARPANET到Internet
- 第二条主线：从无线分组网到无线自组网、无线传感器网
- 第三条主线：网络安全技术
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1.3计算机网络的定义与分类
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计算机网络的定义
- 1、计算机网络定义的要点
- 计算机网络是“以相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”
- （1）组件计算机网络的目的是实现计算机资源的共享和信息交互
- （2）联网计算机是相互独立的自治系统
- （3）联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议
- 计算机网络的特点
- 第一，计算机网络实现了用“大量相互独立但又相互连接的计算机共同完成计算任务”的模式，它标志着“计算机中心”计算机模式向“分布式”计算机模式的演变
- 第二，计算机网络与分布式系统是有区别的
- 第三，Internet是计算机网络技术最成功的应用
- 计算机网络是“以相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”
- 2、computer network、internet、Internet与Intranet的区别于联系
- （1）计算机网络（computer network）表示的是用通信技术将大量独立的计算机系统互联起来的集合。计算机网络有各种类型，如广域网、城域网、局域网或个人区域网
- （2）网络互联（internet）是表述将多个计算机网络互联成大型网络系统的技术术语
- （3）Internet或因特网、互联网是专用名词，是由很多种网络互联起来的网际网
- (4)Intranet是企业内部专用网络系统，供内部员工办公使用，不连接或不直接连接到Internet
- 1、计算机网络定义的要点
- 我们生活与工作的网络环境
- 1.支撑大学教学科研工作的计算机网络环境
- 2、计算机网络的分类
- 广域网（最早）
- WAN又称远程网，所覆盖的地理范围从几十千米到几千千米，可以覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲，形成国际性的远程计算机网络。
- 主要技术特征
- （1）广域网是一种公共数据网络
- （2）广域网研发的重点是宽带核心交换技术
- 城域网
- 宽带城域网的定义
- 是IP为基础，通过计算机网络、广播电视网、电信网的三网融合，形成覆盖城市区域的网络通信平台
- 业务范围：网上办工、大规模Internet用户接入、视频会议、网络银行等办公环境
- 主要特征：
- （1）完善光纤传输网是宽带城域网的基础
- （2）传统电信、有线电视与IP业务的融合成为宽带城域网的核心业务
- （3）高端路由器与多层交换机是宽带城域网的核心设备
- （4）扩大宽带接入的规模与服务质量是发展宽带城域网应用的关键
- 功能结构
- （1）管理平台
- （2）业务平台
- （3） 网络平台
- （4）城市宽带出口
- 网络层次结构
- 优点：结构清晰，各层功能实体之间的定位明确，接口开放，标准规范，便于组建和管理。
- 核心层
- 多个汇聚层连接起来，为汇聚层提供高速分组转发
- 实现与地区或国家主干网络的互联，提供城市的宽带IP数据出口
- 提供宽带城域网用户访问Internet所需的路由服务
- 核心交换层结果设计的重点是可靠性、可扩展性、与开放性
- 汇聚层
- 汇聚接入层的用户流量，实现IP分组的汇聚、转发与交换
- 根据接入层的用户流量，进行本地路由、过滤、流量均衡、服务质量优先级管理，以及安全控制、IP地址转换、流量整型等处理。
- 接入层
- 解决的是“最后一千米”，通过接入技术，连接最终用户，为他所覆盖范围内的用户提供访问Internet，以及其他信息服务
- 宽带城域网的定义
- 局域网（其次）
- LAN用于将有限范围内的各种计算机、终端与外部设备互联成网。
- 主要技术特征：
- 局域网覆盖有限的地理范围
- 能够提供高数据传输速率（10Mbps~100Gbps）低误码率的高质量传输环境。
- 一般属于一个单位所有，易于建立、维护与扩展
- 决定局域网性能的三个因素：拓扑、传输介质与介质访问控制方法
- 可用于办公室、家庭个人计算机的接入，园区、企业与学校的主干网络，以及大型服务器集群、存储区域网络、云计算服务器集群的后端网络
- 个人区域网
- 无线个人区域网络（WPAN）
- 蓝牙技术
- 开放的规范
- 近距离无线传输
- 语音和数据传输
- 在世界任何地方都能进行通讯
- ZigBee技术
- 是一种面向自动控制的近距离、低功耗、低成本的无线网络技术。
- 适用于数据采集与控制节点多、数据传输量不大、覆盖面广、造价低的应用领域
- 蓝牙技术
- 无线个人区域网络（WPAN）
- 个体区域网（WBAN，个人传感器网络）
- 用于智能医疗领域的个人区域网主要是无线个人区域网（WPAN）
- 广域网（最早）
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1.4计算机网络的组成和结构
- 早期的计算机网络是广域网，从逻辑功能上看，由资源广子网与通信子网两个部分组成
- ISP的层次结构
- 基本概念：ISP运营商向Internet管理机构申请了大量的IP地址，铺设了大量的通信路线，购置了高性能路由器与服务器，组建ISP网络，提供接入服务。
- 层次:最顶层的第一层ISP、第二层的区域级的ISP和第三层的接入ISP
- Internet的网络结构
- Internet的逻辑结构
- 用户计算机与移动终端设备提供802.3标准的局域网等等接入本地的ISP、企业网或校园网
- ISP、企业网或校园网汇聚到作为地区主干网的宽带城域网。
- 大型主干网由大量分布在不同地理位置、通过光纤连接的高端路由器构成，提供高带宽的传输服务。
- Internet系统分为边缘部分与核心交换部分两部分组成。
- 边缘部分主要包括接入Internet的主机和用户设备（端系统分为客户端和服务器端，它们统称为主机）
- 核心交换部分包括由大量路由器互联的广域网、城域网和局域网。
- Internet的逻辑结构
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1.5计算机网络拓扑结构
- 计算机网络拓扑的定义
- 计算机网络拓扑是通过网中节点与通信路线之间的几何关系表示网络结构，反映出网络各个实体之间的结构关系。
- 计算机网络拓扑是指通信子网的拓扑结构
- 计算机网络拓扑的分类与特点
- 星状
- 环状
- 总线型
- 树状
- 网状（广域网）
- 计算机网络拓扑的定义
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1.6分组交换技术的基本概念
- 数据交换方式的分类
- 线路交换
- 主要通过交换机进行连接交换，通信过程分为三个阶段：（1）线路建立阶段；（2）数据传输阶段；（3）线路释放阶段
- 注意：交换机只能够起到线路交换与连接的作用，它并不能存储传输的数据，也不对数据进行任何检测和处理，因此线路交换具有传输实时性好，但是不具备差错检测、平滑流量的能力。
- 优先：通信实时性强，适用于交互式会话类通话
- 缺点：不适用与计算机与计算机之间的突发性通信；不具备数据存储能力；不具备差错控制能力，无法发现与纠正传输差错
- 存储转发交换（主要有以下这些特点：1、发送数据与目的地址、源地址、控制信息一起，按照一定格式组成一个数据单元；2、路由器可以动态选择路径；3、数据单元在通过路由器时需要进行差错校验；4、路由器可以对不同的通信速率路线进行速率交换）
- 报文存储转发交换（报文交换）
- 报文分组存储转发交换（分组交换）
- 数据报交换（建立“线路连接”）
- 同一报文的不同分组可以经过不同的传输路径通过通信子网
- 同一报文的不同分组到达目的主机时可能出现乱序、重复与丢失现象
- 每个分组在传输过程中都必须带有目的地址和源地址
- 数据报方式的传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通话
- 分组传输前不需要预先在源主机与目的主机之间建立“线路连接”
- 虚电路交换
- 工作方式分为三个阶段：虚电路（逻辑连接的虚电路）建立阶段、数据传输阶段与虚电路释放阶段
- 每次分组传输前需要在源主机与目的主机之间建立一条虚电路
- 所有分组都通过虚电路顺序传送，分组不必携带目的地址、源地址等信息。
- 分组通过虚电路上的每个路由器时，路由器只需要进行差错检测，而不进行路由选择
- 路由器可以与多个主机之间通信建立多条虚电路
- 数据报交换（建立“线路连接”）
- 线路交换
- 分组交换网中的延时（是指一个分组从源主机发出，经过分组交换网（或链路）的传输，到达目的主机所需要的时间，因此也称为网络延时）
- 处理延时（差错检查，路由选择，大小取决于路由器计算能力以及通信协议的复杂程度）
- 排队延时（分组进入输入队列等待发送到开始发送的时间，长短取决于队列长度与端口发送速度）
- 发送延时（路由器端口发送速率是一定的，取决于分组长度与结点端口网卡的发送速率。结点的发送速率=发送分组比特数/发送速率）
- 传播延时（电磁波传播是需要时间的，与传输介质的长度、电磁波在介质中的传播速度等物理参数相关，与分组的长度与结点网卡的发送速率无关。信号通过距离为D的传输介质所需要的传播时间是D/V）
- 排队延时与丢包
- 面向连接服务与无连接服务
- 通信服务类型
- 面向连接服务（电路交换）
- 需要回应，传输可靠性好，但协议复杂，通信效率不高
- 无连接服务（无连接服务）
- 可以不应答，通信协议相对简单，通信效率较高
- 面向连接服务（电路交换）
- 确认和重传机制
- 服务类型与服务质量
- 面向连接服务、无连接服务与确认、不确认机制的4种可能组合
- 通信服务类型
- 数据交换方式的分类
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1.7网络体系结构与网络协议
- 网络体系结构的基本概念
- 网络协议的基本概念
- 网络数据交换制定的通信规则、约定与标准成为“网络协议”
- 网络协议三要素：语义、语法、时序
- 协议、层次、接口与体系结构的基本概念
- 协议：是一种通信规则，要保证邮政通信系统正常和有序地运行，就必须制定和执行各种通信规则。
- 层次：层次结构是处理计算机网络问题的最基本方法。
- 接口：是同一主机内相邻层之间交换信息的连接点。
- 同一主机的相邻层之间存在着明确规定的接口，相邻层之间通过接口来交换信息。
- 低层通过接口向高层提供服务。只要接口条件不变、低层功能不变，实现低层协议的技术的变化，不会影响整个系统的工作。
- 网络体系结构
- 网络体系结构是网络层次结构模型与各层协议的集合。
- 网络体系结构对计算机网络应该实现的功能进行精确定义。
- 网络体系结构是抽象的，而实现网络协议的技术是具体的。
- 层次型网络体系结构的优点
- 各层之间相互独立
- 灵活性好
- 易于实现和标准化
- 网络协议的基本概念
- OSI参考模型
- 研究背景：1974年，ISO发布了著名的ISO/IEC7498标准，它还定义了网络互联的7层框架，即开发系统互联（open system Internetwork，OSI）参考模型。
- 基本概念：OSI模型定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系，以及各层所包括的可能的服务
- 层次划分的主要原则：（1）网中各主机都具有相同的层次；（2）不同主机的同等层具有相同的功能；（3）同一个主机相邻层之间通过接口通信；（4）每层可以使用下层提供的服务，并向其上层提供服务；（5）不同主机的同等层通过协议来实现同等层之间的通信。
- 模型结构包括7层
- 物理层
- 利用传输介质为通信的主机之间建立、管理和释放物理连接，实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务
- 物理层的数据传输单元是比特（bit）
- 数据链路层
- 数据链路层在物理层提供比特流传输的基础上，通过建立数据链路连接，采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。
- 数据链路层的数据传输单元是帧。
- 网络层
- 网络层通过路由选择算法为分组通过通信子网选择适当的传输路径，实现流量控制、拥塞控制与网络互联的功能。
- 网络层的数据传输单元是分组。
- 传输层
- 传输层为分布在不同地理位置计算机的进程通信提供可靠的端-端连接与数据传输服务。
- 传输层向高层屏蔽了低层数据通信的细节。
- 传输层的数据传输单元是报文。
- 会话层
- 负责维护两个会话之间连接的建立、管理和终止，以及数据的交换。
- 表示层
- 负责通信系统之间的通信格式变换、数据加密与解密、数据压缩与恢复。
- 应用层
- 是参考模型的最高层，实现协同工作的应用程序之间的通信过程控制。
- 物理层
- OSI环境
- TCP/IP参考模型
- TCP/IP协议体系具有的主要特点
- 开放的协议标准
- 独立于特定的计算机硬件与操作系统
- 独立于特定的网络硬件，可以运行在局域网、广域网，更适用于互联网络
- 统一的网络地址分配方案，所有网络设备在Internet中都有唯一的IP地址
- 标准化的应用层协议，可以提供多种拥有大量用户的网络服务
- 分为4个层次
- 应用层
- TCP/IP参考模型中的最高层，包括各种标准的网络应用协议，并且总是不断有新的协议加入
- 传输层
- 负责在会话进程之间建立和维护端-端的连接，实现网络环境中分布式进程通信。传输层定义两种不同的协议：传输控制协议（TCP）与用户数据报协议（UDP）
- TCP是一种可靠的、面向连接、面向字节流的传输层协议，它提供比较完善的流量控制与拥塞控制功能
- UDP是一种不可靠的、无连接的传输层协议
- 负责在会话进程之间建立和维护端-端的连接，实现网络环境中分布式进程通信。传输层定义两种不同的协议：传输控制协议（TCP）与用户数据报协议（UDP）
- 互联网络层
- TCP/IP参考模型互联网络层使用的是IP协议。IP是一种不可靠、无连接的数据报传输服务协议，它提供的是一种“尽力而为”的服务。
- 主机-网络层
- 最低层，它负责发送和接收IP分组
- 应用层
- TCP/IP协议体系具有的主要特点
- 网络与Internet协议标准化组织和管理机构
- 网络协议标准化组织
- 国际电信联盟ITU
- 国际标准化组织ISO
- 电子工业协会EIA
- 电气电子工程师协会IEEE
- RFC文档、Internet草案与Internet协议标准
- Internet管理机构
- 网络协议标准化组织
- 一种建议的参考模型
- 应用层
- 传输层
- 网络层
- 数据链路层
- 物理层
- 网络体系结构的基本概念