计算机网络概述

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计算机网络

计算机网络主要由一些通用的、可编程的硬件互连而成，通过这些硬件，可以传送不同类型的数据，并且可以支持广泛和日益增长的应用

网络分类

按网络的作用范围：

  • 广域网(WAN)，几十到几千公里，跨省或者跨国
  • 城域网(MAN)，5KM-50KM，城市间
  • 局域网(LAN)，1KM以内，地区间

按使用者分类：

  • 公用网络
  • 专用网络

计算机网络概述

互联网发展史

第一阶段：单个网络(ARPANET)->第二阶段：三级结构互联网->第三阶段：多层次ISP互联网
其中单个网络(ARPANET)阶段，仅通过一个交换机连接有限的计算机设备，三级结构互联网包含主干网、地区网、校园网，第三阶段为ISP(Internet Service Provider)网络服务提供商，在中国的代表为：中国电信、中国移动、中国联通等

层次结构设计的基本原则
  • 各层之间是相互独立的
  • 每一层要有足够的灵活性
  • 各层之间完全解耦
OSI七层模型
  • 应用层，负责为计算机用户提供接口和服务
  • 表示层，负责数据处理（编码解码，加密解密等）
  • 会话层，负责管理（建立、维护、重连）通信会话
  • 传输层，负责管理端到端的通信连接
  • 网络层，数据路由（决定数据在网络的路径）
  • 数据链路层，负责管理相邻节点之间的数据通信
  • 物理层，数据通信的光电物理特性
TCP/IP四层模型
  • 应用层，HTTP/FTP/SMTP/…等
  • 传输层，TCP/UDP
  • 网络层，IP/ICMP
  • 网络接口层，Ethernet/ARP/RARP
计算机网络的性能指标
  1. 速率（bps=bit/s）,100M光纤的峰值速度计算：100M/s = 100Mbps = 100Mbit/s = (100/8)MB/s = 12.5MB/s
  2. 时延，可以分为：发送时延、传播时延、排队时延、处理时延，发送时延=数据长度(bit)/发送速率(bit/s)，传播时延=传输路径距离/传播速率(bit/s)，排队时延为数据包在网络设备中等待被处理的时间，处理时延为数据包到达设备或者目的机器被处理所需要的时间
  3. RTT（Route-Trip Time）表示的是数据报文在端到端通信中的来回一次的时间，常见如Ping命令
物理层概述

物理层对应TCP/IP协议的网络接口层

物理层的作用

物理层主要是为了连接不同的物理设备，连接的介质有双绞线、同轴电缆、光纤除此之外还可以通过红外线、激光等方式无线传播，物理层传递的主要是比特流（高低电平）

信道的基本概念

信道是往一个方向传递信息的媒体，一个通信电路包含一个接收信道喝一个发送信道；通信信道分为：单工通信信道、半双工通信信道、全双工通信信道。

  • 单工通信信道，只能有一个方向通信，没有反方向反馈的信道，比如有线电视，无线电收音机等。
  • 半双工通信信道，双方都可以发送喝接收信息，不能双方同时发送，也不能同时接收。
  • 全双工通信信道，双方都可以同时发送喝接收信息
    分用-复用技术
    复用技术分为频分复用、时分复用、波分复用、码分复用
数据链路层概述

数据链路层和物理层对应TCP/IP协议的网络接口层，数据链路层主要是为了解决封装成帧、透明传输、差错监测这三个问题

封装成帧

帧是数据链路层的基本单位，发送端在网络层的一段数据前后添加特定标记形成”帧”，接收端根据前后特定标记识别出”帧”

透明传输

透明在计算机领域是非常重要的一个术语，一种实际存在的事物却又看起来不存在一样，即控制字符在帧数据中，但是要当作不存在的去处理，如数据帧通常以SOH开头以EOT结尾，但是不排除数据中也有控制字符EOT，这样就造成了错误帧，为了解决错误帧造成的影响，需要对数据中的控制字符进行转义处理，在数据帧中的控制字符EOT前加一个ESC

差错监测

差错校验的方式有两种：

  • 奇偶校验码，把数据流的所有位相加，奇数尾部为1，偶数尾部为0
  • 循环冗余校验码CRC
    一种根据传输或保存的数据而产生固定位数校验码的方法，检测数据传输或者保存后可能出现的错误，生成的数字计算出来并且附加到数据后面
最大传输单元MTU

因为数据链路层传输的数据帧也不是无限大的，而MTU(Maximum Transmission Unit)就是描述其最大能传输的数据帧，而整个链路中路径MTU由链路中MTU的最小值决定

网络层概述

网络层主要是为了解决设备之间跨多网络节点通信，在这中间起到主要作用的设备是路由器，按照IP协议，实现大规模、异构网络的互联互通

IP协议

IP协议使得复杂的实际网络变为一个虚拟互连的网络，IP协议使得网络层可以屏蔽底层细节而专注网络层的数据转发，解决了在虚拟网络中数据报传输路径的问题。IP设一个IP为：192.168.11.11可以表示为：11000000.10101000.00001011.00001011，这种表示方法称为点分十进制，IP地址长度为32位，常分为4个8位，通常用点分十进制来表示，每一位可以表示为0-255之间的数字，最大可以表示2^32(4294961296)个IP地址。IP协议的格式：

4位版本 4位首部长度 8位服务类型(TOS) 16位总长度(字节)
16位标识 3位标志 13位片偏移
8位生存时间(TTL) 8位协议 16位首部校验和
32位源IP地址
32位目的IP地址
选项options(若有)
IP数据

4位版本：占4位，指的是IP协议的版本，通信双方的版本必须一致，当前主流版本是4，即IPv4也有IPv6

首部位长度：占4位，最大数值为15，表示的是IP首部长度，单位是”32位字”（4个字节），也即是IP首部最大长度为60字节

总长度：占16位，最大数值为65535，表示的是IP数据报总长度（IP首部+IP数据）

TTL：占8位，表明IP数据报文在网络中的寿命，每经过一个设备，TTL减1，当TTL=0时，网络设备必须丢弃该报文

协议：占8位，表明IP数据所携带的具体数据是什么协议的（如：TCP、）比如：

| —— | —- | —- | – | — | — | —- |
| 字段值 | 1 | 2 | 4 | 6 | 17 | 89 |

首部校验和：占16位，校验IP首部是否有出错

源IP地址：发送数据报的源机器

目的IP地址：数据报要到达的地址

IP协议的转发流程

路由表：包含目的IP地址、下一跳IP地址