【计算机网络】第一章——概述

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系列专栏：计算机网络基础

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目录

前言

计算机网络概述

概念

功能

组成

分类

标准化工作

性能指标

速率

带宽

吞吐量

时延

时延带宽积

往返时延RTT

 利用率

分层

为什么要分层？

分层的基本原则：

正式认识分层结构

ISO/OSI 7层参考模型（法定标准）

ISO/OSI参考模型通信过程 

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

物理层

TCP/IP协议

OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点

OSI参考模型与TCP/IP参考模型不同点

由7层ISO参考模型和5层TCP/IP参考模型衍生出的5层参考模型

 五层参考模型的数据封装和解封装

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前言

上篇文章我们对计算机的发展历史对大家进行了简要的描述，通过上篇文章不知道大家对于计算机网络有没有一个初步的认识。今天这篇文章从计算机网络的概念、分类、组成、功能、体系结构等计算机网络的概进行相关的分享，让大家对计算机网络有更深入的了解。

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计算机网络概述

概念

三网：计算机网络、电信网络、有线电视网络

计算机网络：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。计算机网络时互连的、自治的计算机集合。

互连网：有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。

互联网（Internet）：由数量及大的各种计算机网络互连起来的。

通过上面的概念我们初步建立了下面的基本概念：网络是把许多计算机连接在一起，而互连网则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。

功能

其实在上面计算机网络的概念中我们已经提到了

1. 信息传递
2. 资源共享
3. 分布式处理
4. 提高可靠性
5. 负载均衡

组成

• 计算机网络有软件、硬件、协议组成
• 工作方式 

1. 边缘部分：用户直接使用（又分为C/S（B/S）方式和P2P方式）
2. 核心部分：为边缘部分提供服务 

• 功能组成

1. 通信子网（实现数据通信）
2. 资源子网（实现资源共享） 

根据ISO模型，上三层为资源子网、下三成为通信子网 

分类

• 按分布范围分类

1. 广域网（交换技术）
2. 城域网
3. 局域网（广播技术）
4. 个人区域网

• 按使用者分

1. 公用网
2. 专用网

• 按交换方式分

1. 电路交换
2. 报文交换
3. 分组交换

• 按拓朴结构分

1. 总线型
2. 星型
3. 环型
4. 网状型（广域网）

• 按传输技术分

1. 广播式网络（共享公共信息通道）
2. 点对点网络使用分组存储交换转发和路由选择机制

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标准化工作

标准规定的分类

1. 法定标准：有权威机构制定的正式的合法的标准（OSI）
2. 实施标准：某些公司的产品在竞争过程中占据了主流时间长了，这些产品中的协议和技术成了标准。（TCP/IP）

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性能指标

速率

也可称为数据率、数据传输率、比特率

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：b/s Kd/s Mb/s Gb/s Td/s

1Kb/s=10^3b/s

带宽

表示网络的通信线路传送数据的能力。通常是值单位时间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”。也指网络设备所支持的最高速度。

吞吐量

表示在单位时间内通过某个网络、信道或接口的数据量。单位b/s, kb/s, Mb/s等。

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。

发送时延（传输时延）：从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。
发送时延 = 数据长度 / 信道带宽（发送速率）
传播时延：电磁波在信道上传播一定距离所花费的时间。
传播时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率
排队时延：等待输入/输出链路可用。
处理时延：主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理，例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等。

时延带宽积

时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度，单位为bit。 即“某段链路现在有多少比特”

时延宽带积=传播时延*带宽

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。

RTT = 往返传播时延（传播时延 * 2）+ 末端处理时间+（末端处理时间）（可省略）

 利用率

分为两种

1. 信道利用率 = 有数据通过时间 / (有+无)数据通过时间
2. 网络利用率 = 信道利用率加权平均值

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分层

为什么要分层？

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. ……

由此可见：问题过于庞大，需要细分处理

分层的基本原则：

1. 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能。
2. 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少
3. 结构上可分割开。每层都采用最合适的技术来实现。
4. 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务。
5. 整个分层结构应该能促进标准化工作。

正式认识分层结构

• 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。
• 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（水平方向）。协议三要素：

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

• 接口（访问服务点SAP）：上层使用下层服务的入口，下层为上层提供服务的接口（垂直方向）。
• 服务：下层为相邻上层提供的功能调用。
• 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。
• PCI协议控制信息：控制协议操作的信息。
• PDU协议数据单元：对等层次之间传送的数据单位。
• 数据传输时，PDU不断成为下一层的SDU，一直向下传递。

ps:

1. 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构。
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。
    

ISO/OSI 7层参考模型（法定标准）

目的：支持异构网络系统的互连互通

国际化组织（ISO）于1984年提出开放系统互连OSI模型，但是因为一些原因被淘汰。

ISO/OSI参考模型通信过程 

应用层

• 应用层距离主机最近，是用户与网络的界面。
• 所有能和用户交换产生网络流量的程序。
• 典型的应用层服务：

1. 文件传输（FTP）
2. 电子邮件（SMTP）
3. 万维网（HTTP）

表示层

• 主要用于处理在两个通信系统中交换信息的表示方式（语法和语义）
• 主要功能：

1. 数据的格式变换（编码和解码）
2. 数据的加密解密
3. 数据的压缩和恢复

• 主要协议：JPEG、ASCII

会话层

• 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)。
• 主要功能：

1. 建立、管理、终止会话。
2. 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。
3. 校验点：将一个大文件切分成几个部分，每部分插入一个校验点，当传输出现故障时，可继续从以传输的部分开始继续传输（断点续传）。

主要协议：ADSP、ASP

传输层

• 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。
• 主要功能：

1. 可靠传输、不可靠传输：可靠传输将数据分成报文段发送，并拥有确认机制，不可靠传输则直接发送。
2. 差错控制：检查错误
3. 流量控制：协调发送端和接收端的速度。
4. 复分复用
5. 复用：多个应用层进程同时使用一个传输层协议传输数据。
6. 分用：多个应用层进程同时使用一个传输层协议接收数据。

• 主要协议：TCP、UD

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，传输单位是数据报。
• 当数据报过长时，将数据报进行切割成小的分组，在进行传输。
• 主要功能：

1. 路由选择：选择最佳路径
2. 流量控制
3. 差错控制
4. 拥塞控制：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。

• 主要协议：IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP.、RARP、OSPF

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，传输单位是帧。
• 主要功能：

1. 成帧：定义帧的开始和结束
2. 差错控制：帧错 + 位错
3. 流量控制
4. 访问（接入）控制：控制对信道的访问

• 主要协议：SDLC、HDLC、PPP、 STP

物理层

• 主要任务是在物理媒体上实现比特流的透明传输，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。
• 主要功能：

1. 定义接口特性
2. 定义传输模式：单工、半双工、双工
3. 单工：数据传输只支持数据在一个方向上传输。
4. 半双工：双方都可以作为发送方和接收方，但不能同时发送信息（对讲机）。
5. 双工：双方都可以作为发送方和接收方，可以同时发送信息（打电话）。
6. 定义传输速率
7. 比特同步
8. 比特编码

• 主要协议：Rj45、802.3

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TCP/IP协议

OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点

1. 都分层。
2. 基于独立的协议栈的概。
3. 可以实现异构网络互联

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. OSI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. 

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由7层ISO参考模型和5层TCP/IP参考模型衍生出的5层参考模型

 五层参考模型的数据封装和解封装

• 数据传输就是一个“打包拆包”的过程。
• 数据链路层中需要添加头部信息和尾部信息。
• 物理层类似一个傻瓜层，只是将数据转换为比特流

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今天的内容就分享完了，这篇文章对于初学者来说难度确实有点大，但是没关系后面的文章我们会对每一层讲解，今天只是让大家认识认识！！！希望大家读完文章有很大的收获，也希望大家留言指出我文章中出现的内容，同时也感谢各位看官的三连支持，你们的支持就是我更新的动力！！！