计算机网络

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前言

本博客仅做学习笔记，如有侵权，联系后即刻更改

科普：

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概述

计算机网络

是计算机技术和通信技术紧密结合的产物

• 通信技术
  为计算机之间的数据传输提供了必要的手段
• 计算机技术
  提高数据通信的各种性能

计算机网络的定义

分布各地，具有独立功能的多台计算机连接起来，用协议通信，通过网络操作系统进行管理，实现资源共享的系统

• 独立功能：具有冯氏结构的计算机(输入、输出、运算器、存储器、控制器)
• 网络操作系统：Cisco/IOS、HWOS、RGNOS
  网络综合体（单机OS功能+网络通信协议+网络资源管理+网络服务）

三大功能

• 数据通信和信息服务
• 资源共享
• 其它功能
  集中管理，避免孤岛
  实现协同计算
  实现分布式处理

资源共享的方式

1. 软件
2. 硬件
3. 数据
4. 信道
   电信号的传输介质，通信信道的共享是计算机网络中最重要的共享资源之一

典型特点/要求

应用场景

互联网(Internet)

是世界上最大的互连网，是一个专有名词

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

• 其前身是美国的 ARPANET
• 采用 TCP/IP 协议族作为通信规则
• 任意把几个计算机网络互连起来（不管采用什么协议），并能够相互通信，这样构成的是一个互连网 (internet)，而不是互联网 (Internet)

基础结构发展的三阶段

第一个阶段：单个网络 ARPANET 向互联网发展

• 1983 年，TCP/IP 协议成为 ARPANET 上的标准协议
  因此把1983 年作为互联网的诞生时间
• 1990年，ARPANET 正式宣布关闭

第二个阶段：三级结构

• 分为主干网+地区网+校园网(企业网)
  

第三个阶段：多层次ISP结构

• 出现互联网服务提供者ISP(Internet Service Provider)
  分为主干ISP，地区，本地
  

互联网标准化工作

互联网标准都以 RFC 的形式在互联网上发表

RFC(Request For Comments):请求评论文档
互联网标准建立的阶段：

1. 互联网草案(Internet Draft)
   该阶段已被简化去除
2. 建立标准文档(Proposed Standard)
   这个阶段开始已经成为RFC文档了
3. 互联网标准文档(Internet Standard)
   分到一个编号STD xxxx
   一个标准可以和多个 RFC 文档关联
4. 还有三种RFC文档：历史的、实验的、提供信息的
   

互联网的组成

从工作方式划分

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）
  

互联网边缘部分

由连接在互联网上的所有的主机组成

这些主机又称为端系统 (end system)

端系统之间的通信方式：C/S、P2P

C/S：客户端/服务器(Client/Server)

• 进程之间服务和被服务的关系
  都要使用网络核心部分所提供的服务
  

P2P：对等连接(Peer to Peer)

• 平等的、对等连接通信
  双方都可以下载对方已经存储在硬盘中的共享文档
  

互联网核心

互联网中最复杂的部分

• 要向网络边缘中的大量主机提供连通性，使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信（即传送或接收各种形式的数据）

起特殊作用的是路由器 (router)

• 实现分组交换 (packet switching) 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
  

典型交换技术

包括电路交换，分组交换，报文交换等技术

• 互联网的核心部分采用了分组交换技术

电路交换(Circuit Switching)

终端数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务

• 交换机所采用的交换方式就是电路交换
  
  电路交换必定是面向连接的

三步骤

1. 建立连接
   建立专用的物理通路
   保证双方通话时所需的通信资源在通信时不会被其他用户占用
2. 通话
3. 释放连接
   释放刚才使用的这条专用的物理通路（释放刚才占用的所有通信资源）

特点

• 通话的全部时间里，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源

分组交换

采用存储转发技术

• 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段
  每一个数据段前面添加上首部构成分组 (packet)
• 分组交换网以“分组”作为数据传输单元
  依次把各分组发送到接收端
• 接收端收到分组后剥去首部还原成报文
  在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文
  
  

• 报文：要发送的整块数据
  报文由许多个等长分组构成。分组又称为包
  包：数据段+包头(必要的控制信息)
• 每个分组在互联网中独立地选择传输路径

路由器处理分组的过程

• 存储
  把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
• 查表
  查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
• 转发
  把分组送到适当的端口转发出去
  

分组交换的优点

高效

• 在分组传输的过程中动态分配传输带宽
  对通信链路是逐段占用

灵活

• 为每一个分组独立地选择最合适的转发路由

迅速

• 以分组作为传送单位
  可以不先建立连接就能向其他主机发送分组

可靠

• 保证可靠性的网络协议
  分布式多路由的分组交换网，使网络有很好的生存性

缺陷

造成时延

• 分组在各结点存储转发时需要排队

首部额外开销

• 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）

报文交换(message switching)

在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换 。

• 报文交换的时延较长
  从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用

计算机网络在我国的发展

初步发展

1980 年，铁道部开始进行计算机联网实验。

• 1989 年 11 月，我国第一个公用分组交换网 CNPAC 建成运行。
  1994 年 4 月 20 日，我国用 64 kbit/s 专线正式连入互联网，我国被国际上正式承认为接入互联网的国家。
• 1994 年 5 月，中国科学院高能物理研究所设立了我国的第一个万维网服务器。
  1994 年 9 月，中国公用计算机互联网 CHINANET 正式启动

进一步发展

中国教育和科研计算机网 CERNET (China Education and Research NETwork)

• 始建于 1994 年，是我国第一个 IPv4 互联网主干网。

2004 年 2 月我国的第一个下一代互联网

• CNGI 的主干网 CERNET2 试验网正式开通，并提供服务。

中国互联网络信息中心 CNNIC (ChiNa Network Information Center)

• 每年两次公布我国互联网的发展情况

全国范围的公用计算机网络

基于互联网技术的并能够和互联网互连

• 中国电信互联网 CHINANET（也就是原来的中国公用计算机互联网）
  中国联通互联网 UNINET
  中国移动互联网 CMNET
  中国教育和科研计算机网 CERNET
  中国科学技术网 CSTNET

计算机网络分类

按照网络的作用范围

1. WAN广域网：运营商
2. MAN城域网：作用范围为5-50km
3. LAN局域网：企业
4. PAN个人区域网：无线技术连接，常称无线个人区域网WPAN(Wireless PAN)

• 若中央处理机之间的距离非常近（如仅 1 米的数量级甚至更小些），则一般就称之为多处理机系统，而不称它为计算机网络

按照网络的使用者

1. 公用网
   按规定交纳费用的人都可以使用的网络
2. 专用网
   为特殊业务工作的需要而建造的网络

接入网AN(Access Network)

• 又称本地接入网或居民接入网
• 用户接入互联网的网络
• 从某个用户端系统到互联网中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络

计算机网络的性能

1. 速率

数据的传送速率：比特bit(binary digit)

• 往往是指额定速率或标称速率
  单位是 bit/s

2. 带宽

频域称谓

• 信号具有的频带宽度：其单位是赫

时域称谓

• 表示网络中某通道传送数据的能力
  单位时间内网络中的某信道所能通过的最高数据率：bit/s，比特每秒

两种称谓本质是相同的。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

3. 吞吐量

单位时间内通过网络(或信道、接口)的实际数据量

• 实际上到底有多少数据量能够通过网络

4. 时延

数据(报文、分组、比特)从网络(或链路)的一端传送到另一端所需的时间

• 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

发送时延

• 从发送数据帧的第一个比特算起
  到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间
  

传播时延

• 电磁波在信道中传播一定距离需要花费的时间
  

处理时延

• 收到分组需要时间处理，分析包头、提取数据、进行差错检验、查找合适的路由等

排队时延

• 分组在路由器输入输出队列中排队等待处理所经历的时延
  排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量
  
  
  对于高速网络链路
• 我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率
• 提高链路带宽减小了数据的发送时延
  

5. 时延带宽积

时延带宽积 = 传播时延 * 带宽

• 以比特为单位的链路长度
  

6. 往返时间RTT(round-trip time)

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
• 在互联网中
  往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延

7. 利用率

分为信道利用率和网络利用率

• 信道利用率
  信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过）
• 网络利用率
  全网络的信道利用率的加权平均值
• 信道或网络的利用率过高会产生巨大的时延
  就像公路因为车流量大而发生的堵塞，因此拥有较大主干网的ISP通常会控制信道利用率不超过50%
  

计算机体系结构

形成的原因

计算机网络是个非常复杂的系统

• 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行
  而这种“协调”是相当复杂的
• “分层”可将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题
  而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理

发展历史

1974年美国的 IBM 公司

• 宣布了系统网络体系结构SNA (System Network Architecture)
  这个著名的网络标准就是按照分层的方法制定的
  
  国际标准化组织 ISO 于 1977 年成立了专门机构研究该问题
• 为了使不同体系结构的计算机网络都能互连

OSI七层模型

开放系统互连基本参考模型

• OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)
  
• 法律上的国际标准OSI/RM：开放系统互连基本参考模型
  七层模型：物链网传会表应
• 物理层：传输介质，比特流
• 数据链路层：交换机，帧为单位
• 网络层：路由器，包为单位
• 运输层和物理层是可靠的
  

非国际标准 TCP/IP：传输控制协议/网际协议

• 会表应合为应用层
  物理层链路层合为网络接口层
• 最下面的网络接口层并没有具体内容
  

具体实现过程

PDU (Protocol Data Unit)：协议数据单元

• OSI 参考模型把对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元 PDU

“对等层”(peer layers)之间的通信

• 任何两个同样的层次把数据（即数据单元加上控制信息）通过水平虚线直接传递给对方。

各层协议

• 实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定

实体、协议和服务

实体：发送或接收信息的硬件或者软件进程
协议：水平的，两个对等实体之间的通信

• 控制两个对等实体进行通信的规则的集合

服务：垂直的，向上一层提供服务
服务访问点：SAP (Service Access Point)

• 同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方

服务数据单元 SDU (Service Data Unit)

• 层与层之间交换的数据的单位
  

TCP/IP模型各层主要协议

路由器和交换机

1. 路由器

功能： 存储、查表、转发

2. 交换机

功能：电(光)信号转发

区别

• 路由器自动分配局域网IP，实现虚拟拨号
  交换机只负责分配网络数据
• 路由器在物理层，根据IP地址寻址，可处理TCP/IP协议
  交换机在中继层，根据MAC地址寻址
• 路由器将一个IP分配给很多主机，对外只表现出一个IP
  交换机将主机连接起来，各有各的IP
• 路由器提供防火墙功能，偏软件，实现网间连接
  交换机和集线器(Hub)都是用来做端口扩展的
• 路由器负责网间通信
  交换机连接多台主机通信，限于局域网

网络传输

1. 介质

有线

1. 网线(双绞线)
   铜(电信号)
2. 光纤(缆)
   硅(光)
3. 电缆
   铜(电信号)

无线

• 电磁波
  无线接入点(AP)

2. 设备

1. 终端设备
2. 传输介质
3. 网络设备
4. IDC端设备：ISP

常识

1. 互联网代表公司

• 交换机路由器等
  Cisco：思科
  juniper：詹博
  华为：任正非
  中兴：侯为贵
• 监控设备
  海康
  大华
  华三-宇视
• 网络安全
  启明星辰

2. 运营商SSID

• 移动：CMCC
• 电信：chinanet
• 联通：unicom

总结

小小励志

有些事你现在不做，一辈子都不会做了。
如果你想做一件事，全世界都会为你让路。
《搭车去柏林》