【计算机网络】零基础学计网——总览（超多图+超详解）

文章目录

1. 因特网概述

1.1 网络、互联网和因特网

介绍：

• 网络Network） 是由若干个结点（Node）和连接这些结点的链路（Link）组成
• 链路可以是有线链路，也可以是无线链路
• 多个网络可以通过路由器互连起来，这样就可以构成一个覆盖范围更大的网络，即互联网（或互连网）。因此，互联网是“网络的网络（Network of Networks）“
• 在网络核心部分起特殊作用的是路由器，它是一种专用计算机，但我们不称它为主机。路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组
• 因特网（Internet） 是世界上最大的互联网（用户数以亿计，互连的网络数以百万计）
• 连接在因特网上的计算机称作主机

internet 和 Internet 的区别

• internet（互联网或互连网） 是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议可以是任意的
• Internet（因特网） 是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定计算机网络。它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，其前身是美国的 ARPANET

1.2 因特网发展的三个阶段

1.2.1 发展过程

1.2.2 ISP 介绍

因特网服务提供者 ISP（Internet Service Provider）

• ISP 可以从因特网管理机构申请到成块的 IP 地址，同时拥有通信线路以及路由器等连网设备。任何机构和个人只要向 ISP 交纳规定的费用，就可以从 ISP 得到所需要的 IP 地址。
• 中国主要的 ISP 有：中国电信、中国联通、中国移动

普通用户如何接入因特网？

普通用户通过 ISP 获取所需要的 IP 地址，通过 IP 地址因特网上的主机就可以进行通信

基于 ISP 的三层结构的因特网

• 一个 ISP 可以很方便地在因特网拓扑上增添新的层次和分支
• 一个用户如果接入到因特网，那么他也能成为一个 ISP

1.3 因特网的标准化工作

注意：

并非所有的 RFC 文档都是因特网标准，只有一小部分 RFC 文档最后才能变成因特网标准

1.4 因特网的组成

因特网在功能上可以分为两部分

• 边缘部分： 由所有连接在因特网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享
• 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）

2. 三种交换方式

2.1 电路交换（Circuit Switching）

介绍：

• 电路交换就是使用电话交换机联通电话线的方式
• 电话交换机可以简单的看作是一个有多开关的开关器，可以将需要通信的任意两部电话的电话路线按需接通，从而大大减少了连接的电话线数量
• 从通信资源的分配角度来看，交换（Switching）就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源
• 当电话机的数量增多时，就要使用很多彼此连接起来的电话机来完成全网的交换任务。用这样的方法，就构成了覆盖全世界的电信网
• 用户线归用户电话专用
• 交换机之间拥有的大量话路的中继线则是许多用户共享的
• 电路交换的三个步骤：1. 建立连接（分配通信资源）> 例如：使用电路交换打电话之前，必须先拨号请求建立连接。下图用户A给用户B拨打电话，并且用户B接听后，从主叫端道被叫端就建立了一个连接，这条连接保证了双方通话时所需的通信资源，并且这些资源在双方通信时不会被其他用户占用2. 通话（一直占用通信资源）> 例如：用户A与用户B在通电话，整个电话期间，第一步建立连接所分配的通信资源始终被占用3. 释放连接（归来通信资源）> 例如：当通话完毕挂机后，电话交换机释放刚才使用的这条专用的物理通路，即将刚刚所占用的通信资源归还给电信网

思考题： 如果使用电路交换来传送计算机数据，是否可行？

尽管采用电路交换可以实现计算机之间的数据传送，但是线路的传输效率往往很低。这是因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上的。

例如：当用户正在输入和编辑一份待传输的文件时，用户所占用的通信资源暂时未被利用，该通信资源也不能被其他用户利用，通信线路资源就被浪费了。因此计算机网络通常采用分组交换

2.2 分组交换（Packet Switching）

在因特网中，最重要的分组交换机就是路由器，它负责将各种网络互连起来，并对接受到的分组进行转发，也就是进行分组交换

通常我们把表示该消息的整块数据称为一个报文。在发送报文之前，先把较长的报文划分为一个个更小的等长数据段。在每个数据段前面，加上一些由必要的控制信息组成的首部后，就构成了一个分组，简称为”包“，相应地，首部也可以称为”包头“。

发送过程： 假设主机H6的用户要给主机H2的用户发送一条消息

主机H6先将所构造出的各分组依次发送出去，各分组经过途中各分组交换机的存储转发，最终到达主机H2。主机H2收到这些分组后，去掉它们的首部，将各数据段组合还原出原始报文。

添加首部的作用： 这不是加大了待传输数据的数据量吗？

首部中包含了分组的目的地址，分组交换机收到一个分组后，先将分组暂时存储起来，再检查其首部，按照首部中的目的地址进行查表转发，找到合适的转发接口，通过该接口将分组发给下一个分组交换机。

发送方的任务：构造分组和发送分组

路由器（分组交换机）的任务：缓存分组和转发分组

接收方的任务：接收分组和还原报文

以上只介绍了分组传输过程中的两种情况：

• 情况一：各分组从源站到目的站可以走不同的路径（即不同的路由）
• 情况二：分组乱序，也就是分组到达目的站的顺序不一定与分组在源站的发送顺序相同
• 对于可能出线的分组丢失、无码、重读等问题将在后续具体介绍

2.3 报文交换（Message Switching）

报文交换中的交换结点也采用存储转发方式，但报文交换对报文的大小没有限制， 这就要求交换结点需要有较大的缓存空间。

报文交换主要用于早期的电报通信网，现在较少使用，通常被先进的分组交换方式所取代

2.4 三种交换对比

交换方式优点缺点电路交换1）通信时延小 2）有序传输 3）没有冲突 4）使用范围广 5）实时性强 6）控制简单1）建立连接时间长 2）线路独占，使用效率低 3）灵活性差 4）难以规范化报文交换1）无需建立连接 2）动态分配线路 3）提高线路可靠性 4）提高线路利用率 5）提供多目标服务1）引起了转发时延 2）需要较大的才能出空间 3）需要传输额外的信息量分组交换1）无需建立连接 2）线路利用率高 3）简化了存储管理 4）加速传输 5）减少出错率和重发数据量1）引起了转发时延 2）需要传输额外的信息量 3）对于数据服务，存在失序、丢失或重复分组的问题；对于虚拟电路服务，存在呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程

3. 计算机网络的定义和分类

3.1 计算机网络的定义

• 计算机网络的精确定义并未统一
• 计算机网络的最简单的定义是：一些互相连接的、自治的计算机的集合- 互连：是指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信- 自治：是指独立的计算机，它有自己的硬件和软件，可以单独运行使用- 集合：是指至少需要两台计算机
• 计算机网络的较好的定义是：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门来实现某一特定目的（例如：传输数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用- 计算机网络所连接的硬件，并不限于一般的计算机，而是包括了智能手机等智能硬件- 计算机网络并非专门用来传送数据，而是能够支持很多种的应用（包括今后可能出现的各种应用）

判断下图是否是计算机网络：

图中所示的各终端机只是具有显示和输入设备的终端，而不是自治的计算机。故这只是一个运行分时系统的大型机系统。

3.2 计算机网络的分类

4. 计算机网络的性能指标

• 性能指标可以从不同的方面来度量计算机网络的性能
• 常用的计算机网络的性能指标有以下8个： - 速率：- 带宽：- 吞吐量：- 时延：- 时延带宽积：- 往返时间：- 利用率：- 丢包率：

5. 计算机网络体系结构

5.1 常见的计算机网络体系结构

• 因特网使用的是 TCP/IP 协议族，该协议逐步演变成 TCP/IP 参考模型。该模型是一个四层协议的体系结构，结构示意图如上。其中，由于 TCP/IP 在网络层使用的协议是 IP 协议，IP 协议的中文意思就网际协议。故 TCP/IP 协议的网络层常称为网际层。
• 对于有接入因特网需求的用户，其使用的主机必须使用 TCP/IP 协议。即使用户的网络不需要接入因特网，也可以使用 TCP/IP 协议。
• 在用户主机的系统中，通常都带有符合 TCP/IP 体系结构标准的 TCP/IP 协议族。而用于网络互连的路由器中，也带有符合 TCP/IP 体系结构标准的 TCP/IP 协议族。只不过路由器一般只包含网络接口层和网际层。TCP/IP 体系结构的网络接口层并没有规定什么具体的内容，这样做的目的是可以互连全世界各种不同的网络接口，例如：有线的以太网接口、无线区域网的 WiFi 接口，而不限定仅使用一种或几种网络接口。因此，本质上 TCP/IP 体系结构只有上面的三层。
• IP 协议是 TCP/IP 体系结构网际层的核心协议。- IP 协议可以将不同的网络接口进行互连，并向其上的 TCP 协议和 UDP 协议提供网络互连服务- IP 协议作为 TCP/IP 体系结构中的核心协议，一方面负责互连网不同的网络接口（IP over everything），另一方面为各种网络应用提供服务（Everything over IP）
• TCP 和 UDP 是 TCP/IP 体系结构运输层的两个重要协议。- TCP 协议在享受 IP 协议提供的网络互连服务的基础上，可向应用层的相应协议提供可靠传输的服务。- UDP 协议在享受 IP 协议提供的网络互连服务的基础上，可向应用层的相应协议提供不可靠传输的服务。
• TCP/IP 体系结构的应用层包含了大量的应用协议，例如：HTTP、SMTP、DNS、RTP 等

5.2 分层的必要性

以下从几个实际情况分析来解决一些问题，以得到分层的必要性

• 两台计算机通过一条网线连接，通过解决下面的三个问题，就可以通过信号来传输0和1了，可以将这些问题划归为物理层注意：> > - 传输媒体并不属于物理层，它并不包含在体系结构之中> - 计算机网络中传输的信号，并不是以上举例的方波信号，只是为了便于理解才用其举例
• 多台主机互连。此时已经解决了物理层问题后，需要再解决下面的三个问题，可以将这些问题归纳为数据链路层
• 多路由器、多网络互连。需要解决下面两个问题，并且可将这些问题归纳为网络层
• 一台主机中运行着两个与网络通信相关的应用进程，例如浏览器进程和QQ进程。需要解决下面两个问题，可以将他们归纳为运输层
• 在解决了以上问题的基础上，只需再制定各种应用层协议，并按协议标准编写相应的应用程序，通过应用进程间的交互来完成特定的网络应用综上来看，将计算机网络体系结构分层是必要的。

5.3 分层思想举例

5.4 专用术语

以下术语来源于 OSI 的七层协议体系结构，但也适用于 TCP/IP 的四层体系结构和五层协议原理体系结构

• 实体： 任何可发送或接收信息的硬件或软件进程
• 对等实体： 收发双方相同层次中的实体
• 协议： 控制两个对等实体进行逻辑通信的规则集合
• 协议的三要素： 语法、语义、同步- 语法：定义所交换信息的格式- 语义：定义收发双方所要完成的操作- 同步：定义收发双方的时序关系
• 在协议的控制下，两个对等实体间的逻辑通信使得本层能够向上一层提供服务
• 要实现本层协议，还需要使用下面一层所提供的服务
• 协议是“水平的”，服务是“垂直的”
• 实体看得见相邻下层所提供的服务，但并不知道实现该服务的具体协议。
• 服务访问点： 在同一系统中，相邻两层的实体交换信息的逻辑接口，用于区分不同的服务类型- 数据链路层的服务访问点为帧的“类型”字段- 网络层的服务访问点为 IP 数据报首部中的“协议字段”- 运输层的服务访问点为“端口号”
• 服务原语： 上层使用下层所提供的服务必须通过下层交换一些命令，这些命令称为服务原语
• 协议数据单元 PDU：对等层次之间传送的数据包称为该层次的协议数据单元- 物理层数据包：比特流（bit stream）- 链路层数据包：帧（frame）- 网络层数据包：IP 数据报或分组（packet）- 运输层数据包：TCP 报文段（segment）或 UDP 用户数据报（datagram）- 应用层数据包：报文（message）
• 服务数据单元 SDU： 同一系统内，层与层之间交换的数据包称为服务数据单元
• 多个 SDU 可以合成一个 PDU；一个 SDU 可以划分为几个 PDU