超详细的计算机网络基础知识总结 第一章：概述

Posted 2021-12-23 温文艾尔

本文基于：王道计算机考研-计算机网络

顺便提一嘴，王道计算机网络的小姐姐声音真滴好听

最近准备就业，整理一篇计算机网络的笔记，后续会继续更新

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1、计算机网络概念

1.1 计算机网络的功能

1.数据通信（连通性）| 重点

2.资源共享| 重点

• 硬件：打印机
• 软件：下载
• 数据资源共享：电子文档

3.分布式处理|非重点

• 多台计算机各自承担同一任务的不同部分
• 常见的分布式处理的平台：Hadoop平台

4.提高可靠性

• 一台主机宕机后，另一台可以迅速成为替代机

5.负载均衡

• 各计算机之间更亲密

1.3计算机网络的组成

按照组成部分来分

组成部分：硬件、软件、协议

按工作方式来分

• 边缘部分：主机，用户可以直接使用
  • C/S方式
  • P2P方式
• 核心部分：为边缘部分服务
  • 路由器
  • 大量的网络

按照功能组成来分||重点

• 通信子网：实现数据通信
• 资源子网：实现资源共享/数据处理

1.4计算机网络的分类

- 按分布范围分

• 广域网WAN
  • 使用的技术：交换技术
• 城域网MAN
• 局域网WAN（一个教室或者一个楼）
  • 使用的技术：广播技术
• 个人区域网PAN（每个人自己使用的一些电子设备）

- 按照使用者分

• 公用网
• 专用网

- 按照交换技术分

• 电路交换
• 报文交换
• 分组交换

- 按照拓扑结构分

• 总线型
• 星型
• 环形
• 网状型：常用于广域网，因特网使用的便是网状结构

- 按传输技术分

• 广播式网络：所有的节点主机共享公共通信信道
• 点对点网络：使用分组存储转发和路由选择机制

1.5知识点总结：脑图时刻

2.计算机性能指标

2.1速率

连接在计算机网络上的主机在数字通道上传送数据位数的速率

单位：b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s

存储容量：1Byte（字节）=8bit（比特）

2.2带宽

• 带宽原本指某个信号具有的频带宽度，即最高频率和最低频率之差，单位是赫兹（Hz）

• 计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路传送数据的能力，通常是指单位时间内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”，b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s

带宽和速率不同的是，带宽指的是单位时间内的最高数据率，也可以理解为网络设备所支持的最高速度，是理想状态

举个例子，假如链路带宽=1Mb/s，则代表1s内最多能注入1Mb的数据，假如链路带宽=2Mb/s，则代表1s内最多能注入2Mb的数据

2.3吞吐量

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

吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

举个生活点的例子，假如工厂生产方便面，当火力全开时1s能生产10000包，但是某一天有好多员工请假，只有3个员工在工作，每个员工1s生产100包，那么工厂的速率就是100包/s，带宽就是10000包/s（理论最大值，受各种因素影响），吞吐量则为300包/s（三个员工的总和）

2.4时延

定义：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

2.5时延的分类

名称	定义	公式
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	数据长度/信道带宽（发送速率）
传播时延	电磁波在信道上传输一定距离所需的时间，它取决于电磁波传播速度和链路长度	信道长度/电磁波在信道上的传播速率
排队时延	等待输出或输入电路所需要的时间	无
处理时延	在路由器检错，找出口的时间	无

2.5.1发送时延计算

假如带宽为10b/s，数据为0101010101，则发送时延=10b/10b/s = 1s

2.5.2传播时延计算

假设信道长度为100m，电磁波在信道上的传播速率为10m/s，则传播时延=100m/10m/s=10s

排队时延，处理时延

我们举一个生活上的例子来认识排队时延和处理时延

例如，在机场安检，路由器类似于咱们安检的台子，我们排队等待检查的时间就是排队时延，站在台子上接收安检所需的时间就是处理时延，接收完安检，等待行李从传送上下来的时间也是排队时延

补充：高速链路提高了发送速率，提高了带宽，只能减小发送时延，而对其他三个时延没影响

2.6时延带宽积

时延带宽积=传播时延x带宽
​ bit s b/s

时延带宽积是描述数据量或者信息量的性能属性

时延带宽积又称以比特为单位的链路长度，可以理解为在某一段链路上存在多少比特数据量，或者说此时此刻的数据容量

2.7往返时延RTT

RTT定义：从发送发发送数据开始，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

2.8利用率

利用率分两种

• 信道利用率
• 网络利用率

比如一个很大的停车场，里面只停了几辆车，那么这个停车场的利用率是很低的

如果停车场里面停满了车，停车场的利用率就很高

在计算机网络中也一样，链路=停车场，车=数据，如果链路上一直有数据在传输，那么利用率就很高

信道利用率 = 有数据通过时间/(有+无)数据通过时间

网络利用率 = 信道利用率加权平均值

时延D与利用率U的关系图

可以看到利用率接近于1的时候，时延急剧增大
以停车场为例，停车场中全是车，那么当所有车都想开出来就会出现堵车，每辆车都会移动非常缓慢，所以利用率越高反而速率越低

知识点总结：脑图时刻

3计算机分层结构

3.1发送文件前要完成的工作

• 发起通信的计算机必须将数据通信的通路进行激活
• 要告诉网络如何识别目的主机
• 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
• 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
• 确保差错和意外可以解决

这些问题对计算机来说也有些繁琐，所以为了方便处理，我们将这些问题分解成几个小问题进行处理，于是便出现了分层

协议是水平方向上的，服务是垂直方向上的

3.2分层的基本原则

• 各层之间相互独立，每层只实现一种相对独立的功能

• 每层之间界面自然清晰，易于理解，相互交流尽可能少

• 结构上可分割开，每层都采用最合适的技术来实现

• 保持下层对上层的独立性，上层单向使用下层提供的服务

• 整个分层结构应该能促进标准化工作

3.3概念总结

• 网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构

• 计算机网络体系结构简称网络体系结构是分层结构

• 每层遵循某个/些网络协议以完成本层功能

• 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

• 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

• 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

• 体系结构是抽象的，而实现是指能运行的一些软件和硬件

3.4总结：脑图时刻

4.计算机分层结构模型

我们现在用的就是4层TCP/IP参考模型

4.1 OSI参考模型

7层记忆口诀：物联网淑惠试用（物链网输会示用）

有一个叫淑惠的女人试用互联网

4.2 ISO/OSI参考模型解释通信过程

每一层对数据是如何操作的：

名称	英文	描述	作用
应用层	Application Layer	所有能和用户交互产生网络流量的程序	直接与用户进行交互，典型的应用层服务有文件传输（FTP），电子邮件（SMTP），万维网（HTTP）
表示层	Presentation Layer	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）	1.数据格式变换：将数据转换成能被接受者接收识别的数据（翻译官）2.数据加密解密3.数据的压缩和解压缩
会话层	Session layer	向表示层实体/用户进程提供建立连接并在连接上有序的传输数据	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
传输层	Transport Layer	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	1.负责端到端通信2.负责可靠传输、不可靠传输3.差错控制4.流量控制5.复用分用
网络层	Network Layer	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	1.路由选择2.流量控制3.差错控制4.拥塞控制
数据链路层	Data Link Layer	主要任务是把网络层传下来的数据报组装成帧	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
物理层	Physical Layer	在物理媒体上实现比特流的透明传输	1.定义接口特性2.定义传输模式3.定义传输速率4.比特同步5.比特编码

4.3各层单独介绍

4.3.1 应用层

• 描述：所有能和用户交互产生网络流量的程序
• 作用
  • 直接与用户进行交互
  • 典型的应用层服务有文件传输（FTP），电子邮件（SMTP），万维网（HTTP）

4.3.2 表示层

• 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）

• 作用

  • 1.数据格式变换：将数据转换成能被接受者接收识别的数据（翻译官）
  • 2.数据加密解密
  • 3.数据的压缩和解压缩

4.3.3 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的传输数据

• 这是会话，也是`建立同步（SYN）
• 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

4.3.4 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，是上四层和下三层通讯子网之间的接口

关于端到端通信可以这样记忆，上面四层是大老板，下面三层是打工人，上四层不需要管文件到哪了，他只需要直到文件发给哪个公司，而下三层不仅要知道要去哪，还要知道下一步怎么走，所以下三层是点到点，上四层是端到端的通信

作用

• 1.可靠传输、不可靠传输

• 2.差错控制

• 3.流量控制

• 4.复用分用

上面的四个作用可以这样记忆：可差留用（可差流用），可差的也能留用？

4.3.4.1 可靠传输、不可靠传输

可靠传输：

假如有两台主机进行通信，中间有很多路由器构成一个庞大的网络，我们发送一个很大的文件，我们将它切成报文段，一个一个放在链路中进行传输，传输到接受端，对于每一个接收到的报文段，接受端都会返回一个确认，发送端收到确认信息，才能继续向下发送，如果发送端隔了一段时间没收到确认信息，发送端就将再次发送原信息，直到接受端收到全部信息

不可靠传输：

发送端不需要管接受端的确认信号，只管发就完事儿了

4.3.4.1差错控制

对于传输过程中发生的各个差错进行控制，比如报文段失序了，丢失了，差错控制就负责把这些错误改邪归正

4.3.4.2 流量控制

接收方接受能力有限，发送方发送的数据又很长，流量控制就会控制发送方的速度，告诉发送方接收方吃不下了，慢点发，减缓发送速率

4.3.4.3 复用分用

• 复用：多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务
• 分用：运输层把收到的信息分别交付给上面应用层中相应的进程

传输层的两大协议

> - TCP
> - UDP

4.3.5 网络层

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

网络层传输单位是数据报

4.3.5.1 分组和数据报的关系

他们就像父与子的关系，数据报过长的时候，就把数据报进行切割，切割成一个又一个小的分组，再放到链路上进行传递，这样就可以使我们在传输过程中更加的灵活，损失也会更小

4.3.5.2 网络层四大功能

1.路由选择

顾名思义就是选择合适的路由，发送端要发送数据报给接收端，那么他对路由器就有多种选择，具体选择哪种就要看
我们当时的网络情况，通过相应的路由算法来计算，选出一个最佳路径

2.流量控制

上面已经讲过，其实它就是协调发送端和接收端的速度问题，发送端发的太快，接收端接收能力又有限，他就会告诉
发送端慢点发

3.差错控制

通信两节点直接约定的一些规则，比如之后要学习的奇偶校验码，接收方就会根据这个规则，来检查自己收到的分组
有没有错，如果有错就纠错，不能纠错就扔掉

4.拥塞控制

这个和流量控制有区别，流量控制是限制发送方的速度，但是拥塞控制是针对全局，宏观上的判断，针对整体调整速
度

官方解释：

• 若所有节点都来不及接收分组，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，缓解这种拥阻

4.3.6 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

数据链路层/链路层的传输单位是帧

控制信道访问是专门由数据链路层的特殊子层：介质访问子层来处理

4.3.7 物理层

傻瓜层，因为他的功能相比于其他几个层很简单

在物理媒体上实现比特流的透明传输

物理层传输单位是比特

4.3.7.1 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，比如我们收到了比特流，物理层就是把它们变成电信号的形式进行传送

总结：脑图时刻

4.4 TCP/IP参考模型

OSI参考模型与TCP/IP参考模型相同点

• 都分层，将一个庞大的计算机网络问题拆分成一个一个小的问题

• 都是基于独立的协议栈的概念

• 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

• OSI定义三点：服务、协议、接口

• OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议

• TCP/IP设计之初就考虑到易购网互联问题，将IP作为重要层次

五层参考模型

五层参考模型的数据封装与解封装

第一章总结

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