【计算机网络】计算机网络学习笔记

00. 目录

文章目录

01. 学习目标

02. 计算机网络概述

2.1 计算机网络

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“三网融合”：融入现代计算机网络技术
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Internet(互联网：目前流行最广，事实上的标准译名)：全球最大、最重要的计算机网络

互联网+：新的经济形态

指“互联网+各个传统行业”。
把互联网的创新成果深度融合于经济社会各领域。

互联网的负面影响

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2.2 互联网概述

计算机网络：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。

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互连网 (internetwork 或 internet)：多个网络通过一些路由器相互连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。“网络的网络”(network of networks)。

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网络与互连网

网络：把许多计算机连接在一起。
互连网：把许多网络通过一些路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机。

2.3 互联网发展的三个阶段

第一阶段：1969 – 1990

ARPANET：最初只是一个单个的分组交换网，不是一个互连网。
1983 年，TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议，使得所有使用 TCP/IP 协议的计算机都能利用互连网相互通信。
人们把 1983 年作为互联网的诞生时间。
1990 年，ARPANET 正式宣布关闭。

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第二阶段：1985 – 1993

国家科学基金网 NSFNET。
三级结构：主干网、地区网和校园网（或企业网）。
覆盖了全美国主要的大学和研究所，并且成为互联网中的主要组成部分。

第三阶段：1993 – 现在

出现了互联网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)：
- 提供接入到互联网的服务。
- 需要收取一定的费用。
多层次 ISP 结构：
- 主干 ISP、地区 ISP 和本地 ISP。
- 覆盖面积大小和所拥有的 IP 地址数目的不同

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互联网交换点 IXP (Internet eXchange Point)：允许两个网络直接相连并快速交换分组。
- 常采用工作在数据链路层的网络交换机。
- 世界上较大的 IXP 的峰值吞吐量都在 Tbit/s 量级。
内容提供者 (Content Provider)：在互联网上向所有用户提供视频等内容的公司。不向用户提供互联网的转接服务。

2.4 交换技术

典型交换技术包括：

电路交换
分组交换
报文交换等。

互联网的核心部分采用分组交换技术。

(1) 电路交换

电线对的数量与电话机数量的关系。

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当电话机的数量增多时，使用电话交换机将这些电话连接起来。

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每一部电话都直接连接到交换机上，而交换机使用交换的方法，让电话用户彼此之间可以很方便地通信。这种交换方式就是电路交换 (circuit switching)。

交换 (switching)的含义

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转接：把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。
从通信资源的分配角度来看，就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。

电路交换特点

分为三个阶段：

建立连接：建立一条专用的物理通路（占用通信资源）。
通话：主叫和被叫双方互相通电话（一直占用通信资源）。
释放连接：释放刚才使用的专用的物理通路（归还通信资源）。

这种必须经过“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）”三个步骤的交换方式称为电路交换。

电路交换特点：通话的两个用户始终占用端到端的通信资源

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计算机数据具有突发性，这导致在传送数据时，通信线路的利用率很低，真正用来传送数据的时间往往不到 10%，甚至不到 1%，已被用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的。

(2) 分组交换

分组交换的主要特点

采用存储转发技术。

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在发送端，先把较长的报文划分成更小的等长数据段。

数据段前面添加首部就构成了分组 (packet)

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分组交换以“分组”作为数据传输单元

互联网采用分组交换技术。分组是在互联网中传送的数据单元。

发送端依次把各分组发送到接收端。

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接收端收到分组后剥去首部，还原成原来的报文

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分组在互联网中的转发

根据首部中包含的目的地址、源地址等重要控制信息进行转发。
每一个分组在互联网中独立选择传输路径。
位于网络核心部分的路由器负责转发分组，即进行分组交换。
路由器要创建和动态维护转发表。

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每个分组独立选择传输路径

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分组交换的优点

优点	所采用的手段
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。

分组交换带来的问题

排队延迟：分组在各路由器存储转发时需要排队。
不保证带宽：动态分配。
增加开销：各分组必须携带控制信息；路由器要暂存分组，维护转发表等。

(3) 报文交换

在 20 世纪 40 年代，电报通信就采用了基于存储转发原理的报文交换 (message switching)。
但报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。
现在报文交换已经很少有人使用了。

电路交换、报文交换和分组交换的主要区别

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若要连续传送大量的数据，且其传送时间远大于连接建立时间，则电路交换的传输速率较快。
报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽，在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。
由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度，因此分组交换比报文交换的时延小，同时也具有更好的灵活性。

2.5 计算机网络分类

按照网络的作用范围进行分类

类别	作用范围或距离
广域网 WAN (Wide Area Network)	通常为几十到几千公里。有时也称为远程网(long haul network)。是互联网的核心部分。
城域网 MAN (Metropolitan Area Network)	作用范围一般是一个城市，作用距离约为 5~50 公里。
局域网 LAN (Local Area Network)	局限在较小的范围（如 1 公里左右）。通常采用高速通信线路。
个人区域网 PAN (Personal Area Network)	范围很小，大约在 10 米左右。有时也称为无线个人区域网 WPAN (Wireless PAN)。

按照网络的使用者进行分类

类别	作用范围或距离
公用网 (public network)	按规定交纳费用的人都可以使用的网络。也可称为公众网。
专用网 (private network)	为特殊业务工作的需要而建造的网络。

03. 协议概念

网络协议 (network protocol)，简称为协议，是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。
三个组成要素：

语法：数据与控制信息的结构或格式。
语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。
同步：事件实现顺序的详细说明。

网络协议是计算机网络的不可缺少的组成部分。

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从应用的角度出发，协议可理解为“规则”，是数据传输和数据的解释的规则。

假设，A、B双方欲传输文件。规定：

第一次，传输文件名，接收方接收到文件名，应答OK给传输方；

第二次，发送文件的尺寸，接收方接收到该数据再次应答一个OK；

第三次，传输文件内容。同样，接收方接收数据完成后应答OK表示文件内容接收成功。

由此，无论A、B之间传递何种文件，都是通过三次数据传输来完成。A、B之间形成了一个最简单的数据传输规则。双方都按此规则发送、接收数据。A、B之间达成的这个相互遵守的规则即为协议。

这种仅在A、B之间被遵守的协议称之为原始协议。当此协议被更多的人采用，不断的增加、改进、维护、完善。最终形成一个稳定的、完整的文件传输协议，被广泛应用于各种文件传输过程中。该协议就成为一个标准协议。最早的ftp协议就是由此衍生而来。

04. 分层结构

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OSI七层模型

1). 物理层：主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要作用是传输比特流（就是由1、0转化为电流强弱来进行传输，到达目的地后再转化为1、0，也就是我们常说的数模转换与模数转换）。这一层的数据叫做比特。

2). 数据链路层：定义了如何让格式化数据以帧为单位进行传输，以及如何让控制对物理介质的访问。这一层通常还提供错误检测和纠正，以确保数据的可靠传输。如：串口通信中使用到的115200、8、N、1

3). 网络层：在位于不同地理位置的网络中的两个主机系统之间提供连接和路径选择。Internet的发展使得从世界各站点访问信息的用户数大大增加，而网络层正是管理这种连接的层。

4). 传输层：定义了一些传输数据的协议和端口号（WWW端口80等），如：TCP（传输控制协议，传输效率低，可靠性强，用于传输可靠性要求高，数据量大的数据），UDP（用户数据报协议，与TCP特性恰恰相反，用于传输可靠性要求不高，数据量小的数据，如QQ聊天数据就是通过这种方式传输的）。主要是将从下层接收的数据进行分段和传输，到达目的地址后再进行重组。常常把这一层数据叫做段。

5). 会话层：通过传输层(端口号：传输端口与接收端口)建立数据传输的通路。主要在你的系统之间发起会话或者接受会话请求（设备之间需要互相认识可以是IP也可以是MAC或者是主机名）。

6). 表示层：可确保一个系统的应用层所发送的信息可以被另一个系统的应用层读取。例如，PC程序与另一台计算机进行通信，其中一台计算机使用扩展二一十进制交换码(EBCDIC)，而另一台则使用美国信息交换标准码（ASCII）来表示相同的字符。如有必要，表示层会通过使用一种通格式来实现多种数据格式之间的转换。

7). 应用层：是最靠近用户的OSI层。这一层为用户的应用程序（例如电子邮件、文件传输和终端仿真）提供网络服务。

越下面的层，越靠近硬件；越上面的层，越靠近用户

TCP/IP四层模型

TCP/IP网络协议栈分为应用层（Application）、传输层（Transport）、网络层（Network）和链路层（Link）四层。

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05. 通信过程

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06. 数据链路层

6.1 帧

封装成帧 (framing)：在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧。

首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界（即确定帧的界限）。

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最大传送单元 MTU (Maximum Transfer Unit) ：规定了所能传送的帧的数据部分长度上限。

6.2 拓扑结构

局域网拓扑结构

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局域网传输媒体

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适配器的作用

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进行串行/并行转换。
对数据进行缓存。
在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
实现以太网协议。

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6.3 MAC层的硬件地址

硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。

IEEE 802 标准为局域网规定了一种 48 位的全球地址（简称为地址）是指局域网上的每一台计算机中固化在适配器的 ROM 中的地址。

注意：如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器，这样的主机或路由器就有多个“地址”。

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IEEE 注册管理机构 RA 负责向厂家分配前 3 个字节 (即高 24 位)，称为组织唯一标识符 OUI (Organizationally Unique Identifier)。
厂家自行指派后 3 个字节 (即低 24 位)，称为扩展标识符 (extended identifier)。
必须保证生产出的适配器没有重复地址。
地址被固化在适配器的 ROM 中。

适配器具有过滤功能

每收到一个 MAC 帧，先用硬件检查帧中的 MAC 地址。
如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。
否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。

“发往本站的帧”包括以下 3 种帧：

单播 (unicast) 帧（一对一）
广播 (broadcast) 帧（一对全体）
多播 (multicast) 帧（一对多）

温馨提示

以混杂方式 (promiscuous mode) 工作的以太网适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就都接收下来。

6.4 在物理层扩展以太网

使用集线器扩展

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优点

使原来属于不同碰撞域（冲突域）的计算机能够跨碰撞域通信。
扩大了以太网覆盖的地理范围。

缺点

碰撞域增大了，总的吞吐量未提高。
如果使用不同的以太网技术（如数据率不同），那么就不能用集线器将它们互连起来。

碰撞域

碰撞域（collision domain）又称为冲突域，指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络。

碰撞域越大，发生碰撞的概率越高。

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6.5 在数据链路层扩展以太网

早期使用网桥，现在使用以太网交换机。

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网桥与以太网交换机

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以太网交换机的特点

实质上是一个多接口网桥。
- 通常有十几个或更多的接口。
每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。
以太网交换机具有并行性。
- 能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信。
- 相互通信的主机都独占传输媒体，无碰撞地传输数据。
- 每一个端口和连接到端口的主机构成了一个碰撞域。

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