计算机网络11_概述

Posted 2021-03-12 grooovvve

1、什么是Internet

解释Internet从服务角度，组成细节角度

组成细节角度：

ISP (Internet Service Provider): 计算设备+通信链路+交换网络（分组交换）

         计算设备：主机=端系统

         通信链路：光纤，铜缆，无限电，卫星

         交换网络：路由器，交换机

服务角度：

         为网络应用提供通信服务的通信基础设施

         为网络应用提供应用编程接口（API）

 

光有硬件，链路，路由器是不能正常运行网络，将数据传输和交换的。还需要网络协议。

计算机网络的数据交换必须遵守事先约定好的规则。

 

网络协议（network protocol）：是为网络中的数据交换而建立的规则，标准和约定。

协议规定了通信实体之间所交换的消息的格式、意义、顺序以及针对收到消息或发生的事件所采取的“动作”（Action）

协议的三要素：

         语法（Syntax）

                   信号电平

                   数据与控制信息的结构或格式

         语义（Semantics）

                   需要发出何种控制信息

                   完成何种动作以及做出何种响应

                   差错控制

         时序（Timing）

                   事件顺序

                   速度匹配

协议是计算机网络的重要内容：

         协议规范了网络中所有信息的发送和接收过程。

         学习网络的重要内容之一

         网络创新的形式之一

         Internet协议标准

                   RFC：Request for comment

                   IETF: 互联网工程任务组

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2、计算机网络结构

         网络边缘：主机、网络应用’

         接入网络：物理介质‘

         网络核心：（核心网络）；

 

2.1主机（端系统）：

         位于网络边缘

         运行网络应用程序：Web, Email

客户/服务器应用模型：

         客户发送请求，接受服务器响应

         如Web应用，文件传输FTP应用

对等（Peer-Peer）P2P模型：

         无专用服务器

         通信在对等实体之间直接进行

 

2.2接入网络：

         家庭，住宅网络

         机构接入网络

         移动接入网络

用户关心

         带宽：bps

         共享/独占？

家庭/住宅：

　　DSL数字用户线路

　　HFC电缆网络

机构接入：以太网

端系统通常直接连接以太交换机

 

无线接入：

         通过基站，即接入点

　　无线局域网LANs

　　广域无线接入

 

2.3网络核心

         关键功能：路由+转发

 

核心问题：如何将数据从源主机发到目的主机上。数据交换

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3、网络核心

为什么需要数据交换

　　链路问题 N2

　　引入交换设备：计算机主机和交换设备连接，如果网络规模大，主机距离远。问题也很大。

　　把交换设备连接到一起 ，形成交换网络。

 

动态转接：

动态分配传输资源

 

数据交换类型：

　　电路交换

　　电话网络

 

电路交换：

电路交换的三个阶段：建立连接（呼叫/电路建立），通信，释放连接（拆除电路）

　　独占资源

电路交换网络的链路共享：如何共享中继线，即多路复用技术。

　　报文交换

   　　报文：指的是源（应用）发送信息的整体，例如一个文件。指的是将一个报文作为整体一次性将其发送到下一个相邻节点上去。

 

分组交换：报文拆分出来一系列相对较小的数据包。一般会在原始数据上加上信息，头部信息。才构成一个完整的分组。分组交换需要报文的拆分和重组。产生额外的开销。

   分组交换：统计多路复用，按需共享链路。

   这样的数据交换过程叫做：存储-转发过程（报文交换，分组交换）

 

多路复用（multiplexing）通信技术中的基本概念：

　　把链路/网络资源划分为“资源片”

　　把“资源片”分配给各路“呼叫”

　　每路呼叫独占分配到的资源片进行通信

　　资源片可能“闲置idle” 无共享

 

典型多路复用方法：

频分多路复用FDM：频分多路复用的各用户占用不同的带宽资源（注意这里的“带宽”是指频率带宽Hz，而不是数据的发送速率。）用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。

时分多路复用TDM：则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧，每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙。每用户所占用的时隙是周期性出现（其周期就是TDM帧的长度。）

时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度。

波分多路复用WDM：光调制器，调制到不同的波长

码分多路复用CDM：广泛用于无线链路共享，各用户使用相同频率载波，利用各自码片序列编码数据。

   编码信号=原始数据*码片序列

   码片序列相互正交

 

报文交换和分组交换哪种好？工作方式都是存储-转发方式

         传输延迟：发送第一个比特到最后一个比特为止。

         长度为L bits的分组，带宽是R bps的链路。则传输延迟为：L/R

         分组交换更快，路由器需要的缓存更小。

         分组交换允许更多用户同时使用网络，网络资源充分共享

 

不能简单地说分组交换绝对优于电路交换：

         分组交换适用于突发数据传输网络：资源充分共享，简单无需呼叫建立

         可能产生拥塞：分组延迟和丢失。需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制

 

如何提供电路级性能保障：

 

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4 、计算机网络性能

速率：即数据率（data rate），或称 数据传输速率或比特率(bit rate)

         单位时间（秒）传输的信息（比特）量

         计算机网络中最重要的一个性能指标

         单位：b/s (或bps)

         速率往往是额定速率或标称速率

 

带宽：（bandwidth） 原本指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）。网络的“带宽”通常是数字信道所能传送的“最高数据率”，单位b/s （bps）

 

延迟/时延：（delay）

         分组交换为什么会发生丢包和时延：路由器会存储-转发。正在传输的分组（延迟），排队的分组（delay）。可用缓存满的情况，到达分组被丢弃-丢包（loss）。

         即分组到达速率超出输出链路容量时

 

分组延迟的类型：分组从到达一个结点 至 下一个结点为止

　　结点处理延迟：差错检测，确定输出链路，通常<msec。

　　排队延迟：等待输出链路可用，取决于路由器拥塞程度。不确定

  　　　　 a平均分组到达速率，L:分组长度，R:链路带宽

   　　　　流量强度=La/R:接近1则平均排队延迟很大，大于1则超出服务能力，接近0则平均排队延迟很小。

　　传输延迟：分组长度，链路带宽

　　　　传播延迟：物理链路长度，信号传播速度

 

时延带宽积：传播时延*带宽

         相当于链路上能容纳多少比特，又称为以比特为单位的链路长度。

        

 

分组丢失（丢包）

         队列缓存容量有限

         分组到达已满队列将被丢弃（即丢包）

         丢弃分组可能由前序结点或源重发（也可能不重发）

         丢包率=丢包数/已发分组总数

 

吞吐量/率

         表示在发送端与接收端之间传送数据速率（b/s）

         即时吞吐量：给定时刻的速率

         平均吞吐量：一段时间的平均速率

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5、计算机网络体系结构

主机

路由器

各种链路

应用

协议

硬件 软件

 

一种系统结构有效描述网络：

网络体系结构是从功能上描述计算机网络结构

分层结构

每层遵循某个/些网络协议完成本层功能

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

体系结构是一种计算机网络的功能层次及其关系的定义。

 

为什么采用分层结构：

         结构清晰，有利于识别复杂系统的部件及其关系

         模块化的分层易于系统更新、维护

         有利于标准化

 

分层网络体系结构基本概念

         实体表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程

         协议是控制两个对等实体进行通信的规则的集合，协议是“水平”的

         任一层实体需要使用下层服务，遵循本层协议，实现本层功能，向上层提供服务，服务是“垂直的”。

         下层协议的实现对上层的服务用户是透明的

         同系统的相邻层实体间通过接口进行交互，通过服务访问点SAP，交换原语，指定请求的特定服务。

 

OSI参考模型

         支持异种网络系统的互联互通

         理解网络通信的学习工具：理论成功，市场失败。

         7层，每层完成特定的网络功能。

 

PDU 协议数据单元

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

 

应用层-表示层-会话层-传输层 这四层对应了主机。叫端-端层

下面三层是：链路层

 

最顶层：主机A-用户数据-主机B

各层的数据单元

物理层：比特流

 

层与层之间为什么要进行数据封装：

增加控制信息

构造协议数据单元（PDU）

控制信息主要包括：

地址（Address）:标识发送端、接收端

差错检测编码（Error-detecting code）：用于差错检测或纠正

协议控制（Protocol control）：实现协议功能的附加信息，如：优先级（Priority）、服务质量（QoS）和安全控制等

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6、 OSI参考模型

6.1物理层功能：实现每一个比特流的传输

定义和规范接口特性：机械特性、电气特性、功能特性（接口有多少个引脚，每个引脚有什么功能）、规程特性（定义接口工作过程中遵循的规则）

比特编码：

数据率：

比特同步：时钟同步

传输模式：单工（Simplex） 半双工（half-duplex）（可以双向，但只能交替进行，对讲机就是典型的半双工通信）全双工（full-duplex）

 

6.2数据链路层功能

负责结点到结点（node-to-node）数据传输，以帧作为数据单位传输。

组帧（Framing）或成帧

组帧的目的:成功切分比特流，完成数据数据链路层协议所规定的相关工作。

物理寻址（Physical addressing）物理层是无法寻址的

在帧头中增加发送端和或接收端的物理地址标识数据帧的发送端和或接收端。

广播通信中，数据链路层没有地址信息的话，显然数据无法发送到目的地结点。

帧尾，源物理地址，目的物理地址

流量控制问题（Flow Control）

避免淹没接收端：发送速度和数据接收速度进行匹配。

差错控制（Error Control）

检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧

访问接入控制（Access control）

在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权

 

6.3网络层功能

负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付

可能穿越多个网络，多个链路的数据分组传输

逻辑寻址：

全局唯一的逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如：IP地址

路由（Routing）:

路由器互联网络，并路由分组至最终目的主机

路径选择

分组转发

 

接下来是端到端层次的功能

 

6.4 传输层功能

         负责 源-目的（端-端） （进程间）完整报文传输,是一种逻辑链接

         分段与重组

         SAP寻址：确保将完整报文提交给正确进程，如端口号

         连接控制

         流量控制

         差错控制

 

6.5 会话层功能

         对话控制：建立 维护

         同步：在数据流中插入“同步点”

         最“薄”的一层

 

6.6 表示层功能

         处理两个系统间交换信息的语法与语义问题

         数据表示转化：转换为主机独立的编码

         加密/解密

         压缩/解压缩

 

6.7 应用层功能：最丰富的一层

         支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）

         典型应用层服务：

                   文件传输FTP

                   电子邮件 SMTP

                   Web HTTP

 

TCP/IP 参考模型：四层

         应用层：HTTP SMTP    DNS RTP

         运输层    TCP                    UDP

         网际层    IP

         网络接口层   网络接口， 没有定义相关协议，只要能封装网际层的IP协议即可

 

5层参考模型：理论和实践都应用到

         应用层

         传输层

         网络层

         数据链路层

         物理层

 

综合OSI和TCP/IP优点

         应用层：支持各种网络应用：FTP SMTP HTTP

         传输层：进程-进程的数据传输 TCP UDP

         网络层：源主机到目的主机的数据分组路由与转发：IP协议，路由协议。

         链路层：相邻网络元素（主机，交换机，路由器等）的数据传输：以太网（Ethernet），WiFi, PPP

         物理层：比特传输

 

源与目的主机：实现五层（应用层，传输层，网络层，链路层，物理层）

交换机：链路层，物理层

路由器：网络层，链路层，物理层

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7、计算机网络出现的背景

WAN Wide Area Network 广域网

LAN Local Area Network 局域网

计算机-交换机-路由器

 

最初是特定的几台计算机相连在一起形成计算机网络，总而言之，形成的是私有的网络

私有网络不断发展，多个私有网络相互连接组成更大的私有网络。

网络发展演变成为公众所使用。

连接到互联网后，计算机之间的通信已不再局限在公司和部门内部。而是与互联网中任何一台计算机。

研发各种互联网接入技术，五花八门的通信通信终端都能够连接到互联网。形成现在的综合通信环境。

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8、计算机与网络发展的7个阶段

1 批处理阶段：20世纪50年代，主要用于大规模技术或处理，计算机不是便于普通人使用的工具

2 分时系统：20世纪60年代，多个终端连接一台主机，星型结构出现。

3 计算机之间的通信：20世纪70年代，计算机性能飞速发展，体积趋于小型化，价格下降，开始用于企业日常业务，开始研究计算机之间的通信。

4 计算机网络的产生：分组交换技术，不同厂商的计算机之间相互通信的技术。窗口系统诞生。

5 互联网的普及：建立成本更低的网络环境。连接异构型计算机的通信网络，也就是我们所看到的互联网技术。

6 以互联网技术为中心的时代：发展道路各不相同的网络技术也都在向互联网靠拢。联网设备种类增加。IP网产生

7 从“单纯建立连接”到“安全建立连接”：互联网成为国家社会基础设施。双刃剑，互联网安全问题。

8 手握金刚钻的TCP/IP：互联网是由许多独立发展的网络通信技术融合而成。能够实现这种融合并实现统一的正是TCP/IP技术。TCP/IP是通信协议的统称。理解协议的概念很重要。

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9、 协议

TCP/IP协议是IP，TCP，HTTP等协议的集合，主要用于互联网，局域网。

协议是计算机与计算机之间通过网络实现通信时事先达成的一种“约定”。

协议可以分为很多种，每一种协议都明确地界定了它的行为规范。

遵循相同的协议，才能实现通信。（协议之于通信，好比语言之于沟通）

 

人类之间的沟通并不受限于太多规则。但是对于计算机来说，显然无法实现。

设计计算机程序与硬件时，要充分考虑通信过程中可能会遇到的各种异常以及对异常的处理。所以在计算机通信中，事先达成一种详细的约定，并遵循这一约定进行处理尤为重要。这种约定就是协议。

 

OS 操作系统：是一种软件，集合了CPU管理，内存管理，计算机外围设备以及程序运行管理等重要功能。以及TCP/IP协议的处理很多都内嵌到具体的操作系统中了。

 

分组交换协议：将大数据分割为一个个叫做包（Packet）的较小单位进行传输。每个包都有报文首部，包含了分组是原始数据中的哪一部分，源主机地址，目的主机地址，

 

协议由谁规定

灵活性、可扩展性、兼容性。促进网络的开放性和多供性。

协议的标准化推动了计算机网络的普及

IETF标准化的TCP/IP协议

 

协议分层与OSI参考模型

协议的分层

通过分层，把比较复杂的网络协议更加简单化

每个分层都接收由下一层提供的特定服务，并且负责为自己的上一层提供特定的服务。上下层之间进行交互时所遵循的约定叫做“接口”。同一层之间的交互所遵循的约定叫做“协议”。

协议分层就如同计算机软件中的模块化开发。

当然过于的模块化，会使得处理变得更加沉重，以及每个模块都不得不实现相似的处理逻辑等问题。

通过对话理解分层

 

OSI参考模型

若要了解协议的更多细节，还是有必要参考每个协议本身的具体规范。

在学习每一种协议之前，都需要学习OSI模型。因为对于大致的作用，可以通过OSI模型层找到方向

OSI参考模型中各个分层的作用

物理层：比特流与电子信号之间的切换

数据链路层：将比特流划分为具有意义的数据帧传送给对端。向物理地址MAC地址 发送信号。

网络层：将数据传输到目的地址。目标地址可以是多个网络通过路由器连接而成的某个地址。这一层负责寻址和路由选择。

传输层：可靠传输的作用，在通信节点上进行处理。创建逻辑上的通信连接。数据传输的可靠性是传输层的一个重要作用。

会话层：负责建立和断开通信连接，以及数据的分割等数据处理。何时建立连接，何时发送数据的问题进行管理。

表示层：将设备固有的数据格式转换为网络标准传输格式，不同设备对同一比特流解释的结果可能不同。将应用处理的信息转换为网络传输的格式。使得异构机型之间也能保持数据的一致性。

应用层：为应用程序提供服务，并规定应用程序中通信相关的细节。包括文件传输、电子邮件、远程登录等协议。

 

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9、传输方式的分类

9.1 面向有连接型与面向无连接型

有连接：需要在收发主机之间连接一条通信线路。举例：打电话

无连接：不需要确认对端是否存在。即使接收端不存在或者无法接收数据，发送端也能将数据发送出去。举例：邮局寄信

9.2电路交换与分组交换

电路交换：独占整个电路，并发用户数超过交换机之间的通信线路数时，通信无法实现。

分组交换：将所要发送的数据分成多个数据包，按照一定的顺序排列之后分别发送。实现通信线路的共享。

9.3根据接收端数量分类

单播、广播、多播、任播

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10、地址

发送端和接收端可以被视为通信主体。它们都能由一个所谓的“地址”信息加以标识出来。计算机通信当中，地址的概念要复杂得多。每一层所使用的地址都不尽相同。MAC地址、IP地址、端口号、电子邮件地址、网址等。

10.1地址的唯一性

 

10.2地址的层次性

 

MAC 地址由设备的制造厂商针对每块网卡进行分别指定。确保MAC地址唯一性。在某种程度上有层次性，但是对寻找地址并没有起到任何作用。

IP地址具有层次性：由网络号+主机号 组成。

地址转发表：交换机 MAC地址

路由控制表：路由器 IP地址（集中了的网络号）

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11、网络的构成要素

11.1通信媒介与数据链路

数据链路名：以太网、无线、ATM、FDDI、帧中继、ISDN

通信媒介：同轴电缆、双绞线电缆、光纤电缆、电磁波、

传输速率：又称为带宽、单位是bps。主机之间实际的传输速率称为 吞吐量。单位也是bps。

网络设备连接之间的兼容性问题。

11.2 网卡（NIC）

任何一台计算机连接网络时，必须要使用网卡。网络接口卡、网络适配器、网卡、LAN卡。

11.3中继器

物理层面上延长网络的设备。电缆传过来的电信号或光信号经由中继器的波形调整和放大再传给另一个电缆。

有些中继器可以提供多个端口服务，这种中继器被称作中继集线器。

11.4网桥/2层交换机

数据链路层面上的，连接两个网络的设备。识别数据链路层的数据帧。

交换集线器（Hub）,属于网桥的一种，类似网桥的功能。

11.5路由器/3层交换机

网桥是根据物理地址（MAC地址）进行处理，数据链路层的地址是MAC地址。

路由器/3层交换机则是根据IP地址进行处理的。网络层的地址是IP地址。

11.6 4~7层交换机

负责处理OSI模型中从传输层至应用层的数据。

4~7层交换机的应用场景还有很多。

互联网的电脑与收集之间能够互发电子邮件。

11.7 网关

协议的转换与数据的转发

应用网关：同一类型的协议之间转发数据。例如代理服务器（控制流量，出于安全考虑）

替服务器提供服务的系统。

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12、现代网络实态

12.1 网络的构成

网络骨干核心---高速路由器

边缘网络---多功能路由器和3层交换机

骨干网：专注于如何提高业务传输性能和网络的生存性

边缘网络：叫接入层或汇聚层，业务智能化高速路由器和交换机移到网络边缘。边缘网络的常用设备多为2层交换机或3层交换机。

 

12.2 互联网通信

 

12.3 移动通信

手机一开机，会自动与最近的基站发送无线通信。基站本身也相当于网络的“接入层”。

12.4 从信息发布者的角度看网络

TCP/IP 是网络技术员必须掌握的基础知识

利用数据中心 取代自行管理服务器

 

虚拟化与云：有一些网站有明显的访问高峰点。虚拟化技术，利用软件将物理设备虚拟化。通过软件按量增减的机制，实现按需分配、按比例分配、对外提供可靠的服务。

虚拟化的系统根据需要自动地进行动态管理。将服务器、存储、网络看作一个整体进行管理。有了“云”，网络使用者可实现不论何时何地都可以只获取或只提供需要的信息的机制。