《计算机网络》教程笔记 谢希仁

Posted 2021-05-21 魏晋南北

《计算机网络》教程 谢希仁

文章目录

• 《计算机网络》教程 谢希仁
• • 第一章 概述
  • • 1.1、计算机网络在信息时代中的作用
    • • 1.1.1、三大网络
      • 1.1.2、互联网的基本特点
    • 1.2、互联网概述
    • • 1.2.1、网络的网络
      • 1.2.2、互联网基础结构发展的三个阶段
      • 1.2.3、互联网的标准化工作
    • 1.3、互联网的组成
    • • 1.3.1、互联网的边缘部分
      • 1.3.2、互联网的核心部分
    • 1.6、计算机网络的性能
    • • 1.6.1、计算机网络的性能指标
    • 1.7、计算机网络体系结构
    • • 1.7.1、计算机网络体系结构的形成
      • 1.7.2、协议与划分层次
      • 1.7.3、五层协议的体系结构
  • 第二章 物理层
  • • 2.1、物理层的基本概念
    • 2.2、数据通信的基本知识
    • • 2.2.1、数据通信系统的模型
      • 2.2.2、有关信道的几个基本概念
      • 2.2.3、信道的极限容量
    • 2.3、物理层下的传输媒体
    • • 2.3.1、导引型传输媒体
      • 2.3.2、非导引型传输媒体
    • 2.4、信道复用技术

第一章 概述

1.1、计算机网络在信息时代中的作用

1.1.1、三大网络

• 通信网络

向用户提供电话、电报及传真等服务

• 有线电视网络

向用户传送各种电视节目

• 计算机网络

使用户能够在计算机之间传送数据文件

1.1.2、互联网的基本特点

• 连通性

所谓连通性，就是互联网使用户之间可以交换信息，好像这些用户都彼此直接连通一样

• 共享

共享就是资源共享，可以是信息共享、软件共享也可以是硬件共享

1.2、互联网概述

1.2.1、网络的网络

​ 计算机网络（简称网络）有若干个结点和连接这些结点的链路组成。可能有小伙伴不理解，太抽象了，那么对照下图来看。

​ 互连网：网络之间通过路由器互连起来，构成一个范围更大的计算机网络，这样的网络称为互连网。因此互连网是“网络的网络”

​ 网络把许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络通过路由器连接在一起。

​ 与网络相连的计算机称为主机

互连网与互联网的区别

注意这两个英文是不同的哦，这两个不一样，小伙伴要多加思考

internet(互连网)是一个通用名词，他泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络

Internet（互联网或因特网）是一个专用名词，他指当前全球最大的、开放的、由众多网络互相连接而成的特定互联网

1.2.2、互联网基础结构发展的三个阶段

• 第一阶段

  第一阶段是从单个网络ARPANET向互连网发展的过程

• 第二阶段

  建成了三级结构的互联网。它是一个三级计算机网络，分为主干网、地区网和校园网

• 第三阶段

  逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。

  出现了互联网服务提供者 ISP（ISP又唱翻译为互联网服务提供商，如中国电信、中国移动）

  任何机构和个人只要向某个ISP交纳规定的费用，就可从ISP获取所需的ip地址的使用权，并可通过此ISP接入到互联网

  根据提供的服务的覆盖面积大小以及拥有的ip地址数目的不同，ISP分为三个不同的层次：主干ISP、地区ISP、本地ISP

1.2.3、互联网的标准化工作

成为互联网正式标准经历的三个阶段

• 互联网草案。在这个阶段还不是RFC文档
• 建议标准。从这个阶段开始就成为RFC文档
• 互联网标准。

1.3、互联网的组成

从互联网的工作方式上看，可以划分为两大块

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

2、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）

1.3.1、互联网的边缘部分

处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有的主机，这些主机又称为端系统。

端系统之间通信的含义：

主机A的某个进程和主机B的某个进程上的另一个进程之间的通信，简称为计算机之间的通信

端系统之间的两种通信方式：

• 客户-服务器方式（C/S方式）
• 对等方式（P2P方式）

客户-服务器工作方式方式（C/S方式）

对等连接工作方式

1.3.2、互联网的核心部分

在网络核心部分中起特殊作用的是路由器

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，这是网络核心部分最重要的功能。

1、电路交换的主要特点

交换的含义：

• 交换的含义就是转接——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，交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源

电路交换必定是面向连接的。

电路交换方式分为三个阶段：

• 建立连接
• 通话
• 释放连接

电路交换的一个重要特点就是：

在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源

2、分组交换的主要特点

分组交换采用存储转发技术。

注意：这里的分组是一个对象，存储转发才是传输的方式

• 这里分组交换，就好比运输快递，将一个非常大的包裹拆分成几个小的包裹，然后将这些小包裹，以不同的路径传输，最后在一起拼成大的包裹
• 而报文，我们就可以理解为是这个大的包裹
• 而分组，我们就可以理解为是这个小的包裹
• 首部就是包裹上面的那个写有住址，人名的白色标签

1.6、计算机网络的性能

1.6.1、计算机网络的性能指标

计算机网络的性能一一般是指它的几个重要的性能指标

• 速率
• 带宽
• 吞吐率
• 时延
• 时延带宽积
• 往返时间RTT
• 利用率

1、速率

• 比特（bit）是计算机中的数据量的单位，意思是一个“二进制数字”，即一个比特就是二进制数字中的一个0或1
• 速率指的是数据传送速率，也称为数据率或比特率
• 速率的单位是bit/s,或kbit/s、Mbit/s、Gbit/s。他们三个的换算是1000，即1kb/s=1000b/s 而1kb=1024b,这里不一样小伙伴注意

2、带宽

带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的最高数据率。

也就是说，一条通信链路的带宽越宽，其所能传输的最高数据率也越高。

这里我们打个比方：这个和一段路上所行驶的车辆很像，原来规定每小时10公里，现在提升为20公里，那么单位时间内通过的车辆数则增加了2倍。

3、吞吐量

吞吐量表示在单位时间内通过某个网络（或信道、接口）的实际的数据量

这里也打个比方：这个吞吐量就相当于一个大门，许多车辆量可以通过这个大门，但是能一次通过多少个取决于大门的大小。但是当这些车辆出去之后，又会被车道上的速度限制，所以也会限制出大门的车辆数。

因此，吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。

4、时延

时延是指数据（一个报文或分组，甚至是比特）从网络的端传送到另一端所需的时间。

网络中的时延有以下几个不同的部分组成

• 发送时延
• 传播时延
• 处理时延
• 排队时延

5、时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 x 带宽

6、往返时间RTT

往返时间表示从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间。

7、利用率

时延与网络利用率的关系

信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延

1.7、计算机网络体系结构

1.7.1、计算机网络体系结构的形成

分层将庞大而复杂的问题，转化为若干个较小的问题。

OSI：开放系统互连基本参考模型

两种国际标准：

法律上的国际标准OSI并没有得到市场的认可

非国际标准TCP/IP 却获得了最广泛的应用。TCP/IP常被称为事实上的国际标准

1.7.2、协议与划分层次

网络协议：

为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定称为网络协议

网络协议的三要素：

• 语法，即数据与控制信息的结构或格式
• 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
• 同步，即事件实现顺序的详细说明

划分层次示意图

这里我们举个栗子：比如两个国家的领导人会晤，他们只管表达自己的观点，而这个观点，如何给到通信人手里，如何传送到对面领导人手里，他是不关心的，这就实现里分层

1.7.3、五层协议的体系结构

应用进程的数据在各层之间的传递过程所经历的变化。

注意：我们这里 每一个层次都认为是在和自己同等层次之间进行交互，这里就和上面的分层联系起来了

每一个层次都认为是在和自己同等层次之间进行交互，这里就和上面的分层联系起来了

这里举个栗子：比如说我现在要从主机1的应用进程AP1发送一个包裹（这个包裹就是数据），想把这个包裹给对面的AP2,但是我无法直接给，所以就传给下层，让下层解决，而下层是要传给对面的和他同等的层次，所以就加个标签（也就是首部），然后继续往下层传，往下传时，同理，直到最下层，通过电信号或光信号，传给对面的最下层，然后最下层的，拆开标签，继续网上传，同理，直到AP2收到AP1的数据

第二章 物理层

2.1、物理层的基本概念

• 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
• 物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
• 用于物理层的协议也常称为物理层规程

物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

• 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目、固定和锁定装置等
• 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围
• 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压意义
• 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

2.2、数据通信的基本知识

2.2.1、数据通信系统的模型

一个数据通信系统可划分为三大部分：

• 源系统（或发送端、发送方）
• 传输系统（或传输网络）
• 目的系统（或接收端、接收方）

两个计算机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网。

下图是一些常用术语

• 通信的目的是传送信息。
• 数据是运送消息的实体。数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机或其他机器处理或产生。

注意
模拟信号，就是上面数据通信系统模型图中，用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号。
数字信号，就是上面数据通信系统模型图中，用户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话网中继线上传送的就是数字信号。

2.2.2、有关信道的几个基本概念

信道：一般用来表述向某一个方向传送信息的媒体。

通信的双方信息交互的方式有以下三种：

基带信号：来自信源的信号常称为基带信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号属于基带信号。

调制分为两大类：

2.2.3、信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时都会产生各种失真以及带来多种干扰。

从概念上讲，限制码元在信道的传输速率的因素有一下两个：

1）信道能够通过的频率范围

2）信噪比

香农公式（研究生考点）：

香农公式表明：

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高

注意：

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比也不能提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有什么办法提高信息的传输速率能？

那就是：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

举个栗子：就是在一条已经确定宽度的公路上，每个人都开一个小汽车，汽车速率也确定了，那么如何让人更多的在同一时间内通过一段公路，答案是：原来的是每个人都开一个小汽车，那么就换成一辆公交车，速度一样，同一时间它承载过去的人就多了。

2.3、物理层下的传输媒体

2.3.1、导引型传输媒体

1、双绞线

也许有些小伙伴不理解？双绞线是什么呢？嘿嘿，其实它就是网线

2、同轴电缆

3、光纤

光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。

光纤是光纤通信的传输媒体。

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。

2.3.2、非导引型传输媒体

注意：下图中画得那个红线的，是讲的短波通信方式，黑线是微波通信方式

2.4、信道复用技术