王道考研计算机网络笔记第一章：概述&计算机网络体系结构

ゝ一世哀愁。 2022-12-24 06:55 315阅读 0赞

> 本文基于`2019 王道考研 计算机网络`: [2019 王道考研 计算机网络][2019 _]  
> **个人笔记总结**  
> 后续章节将陆续更新…

### 目录 ###

*  一、概念、功能、组成、分类
 *   *  1. 计算机网络的概念
     *  2. 计算机网络功能
     *  3. 计算机网络的组成
     *   *  1. 组成部分
         *  2. 工作方式
         *  3. 功能组成
     *  4. 计算机网络的分类
 *  二、标准化工作及相关组织
 *   *  1. 标准化工作
     *  2. 标准化工作的相关组织
 *  三、性能指标
 *   *  1. 速率
     *  2. 带宽
     *  3. 吞吐量
     *  4. 时延
     *  5. 时延带宽积
     *  6. 往返时延RTT
     *  7. 利用率
 *  四、分层结构、协议 、接口、服务
 *   *  1. 分层结构
     *  2. OSI参考模型
     *   *  1. OSI参考模型的由来
         *  2. OSI参考模型通信过程
         *  3. 七层简介
         *   *  应用层
             *  表示层
             *  会话层
             *  传输层
             *  网络层
             *  数据链路层
             *  物理层
     *  3. TCP/IP参考模型
     *   *  1. 相同点
         *  2. 不同点
     *  4. 5层参考模型

> **第一章大纲**：
> 
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# 一、概念、功能、组成、分类 #

![image-20201125164750421][]

## 1. 计算机网络的概念 ##

> 首先来区分`网络`与`计算机网络`：
> 
>  *  网络包含着计算机网络，因为除此之外，还有很多其他的网络
>  *  计算机网络是网络的一个分支，他是通信技术与计算机技术相互结合的产物

计算机网络：是一个将分散的、具有独立功能的`计算机系统`，通过`通信设备`与`线路`连接起来，由功能完善的`软件`实现**资源共享**和**信息传递**的系统

![image-20201125162620742][]

*  计算机系统+通信设备+线路组成了网络的拓扑结构，只是搭了一个架子；
 *  在这些端系统上安装软件才能实现**资源共享**和**信息传递**的功能

因此：计算机网络是互联的，自治的计算机集合

*  互联：通过通信线路实现互联互通
 *  自治：端系统之间没有主从关系，相互独立，不能相互控制

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## 2. 计算机网络功能 ##

1.  **数据通信**：数据可以在信道上传输，保证了不同主机间的连通信
2.  **资源共享**：包括三大类：硬件、软件、数据资源共享
3.  **分布式处理**：多台计算机各自承担同一工作任务的不同部分（例如：Hadoop平台）
4.  **提高可靠性**：如果某台主机宕机了，所在链路断开；另外一条链路的主机可以成为替代机，保证正常的工作
5.  **负载均衡**：分布式处理达到的效果，使工作任务均衡的分配给各台计算机，合同工作

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## 3. 计算机网络的组成 ##

### 1. 组成部分 ###

> **硬件、软件、协议**

![image-20201125163801651][]

### 2. 工作方式 ###

*  **边缘部分**：用户可以直接使用的部分，分为`C/S`和`P2P`两种方式
 *  **核心部分**：为边缘部分服务

![image-20201125163944876][]

### 3. 功能组成 ###

> **数据通信+资源共享**，进而将计算机网络分为两大类

*  **通信子网**：实现数据通信
 *  **资源子网**：实现资源共享/数据处理

> **OSI七层参考模型**结构的划分

![image-20201125164314141][]

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## 4. 计算机网络的分类 ##

![image-20201125164616700][]

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# 二、标准化工作及相关组织 #

![image-20201125165244084][]

## 1. 标准化工作 ##

![image-20201125164909813][]  
![image-20201125165040746][]

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## 2. 标准化工作的相关组织 ##

*  国际标准化组织`ISO`：提出了OSI参考模型、HDLC协议
 *  国际电信联盟`ITU`：执行了通信规则
 *  国际电气电子工程师协会`IEEE`：是一个学术机构，提出了IEEE802系列标砖，以及对于5G提出的标准
 *  Internet工程任务则`IETF`：负责因特网相关标准的指定，如上图的 RFC XXXX

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# 三、性能指标 #

![image-20201125175251458][]

## 1. 速率 ##

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## 2. 带宽 ##

![image-20201125170216285][]

**带宽指的是在发送端入口位置发送数据的最高速率，而不是在链路上传播的速率，在链路上是以电磁波的方式传播**

## 3. 吞吐量 ##

![image-20201125171048229][]

## 4. 时延 ##

> 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.

**时延分为四总**：

*  `发送时延(传输时延)`：从发送分组的第一个bit算起，到该分组的最后一个bit发送完毕所需的时间。
    
    ![image-20201125171757061][]
    
    本例中：A将10个bit的数据推送到信道上面的时间为1s，即为发送时延，发生在主机A内部
 *  `传播时延`：电磁波在信道上传播一定距离所花费的时间，取决于电磁波的传输速度和链路长度
    
    注意：在信道上传输的是电磁波不是比特流，比特流经过一定的调制手法，使其以电磁波为载体进行传输
    
    ![image-20201125172452642][]
    
    本例中：将数据以电磁波的形式从A传到B的时间即为传播时延，发生在信道链路上
 *  `排队时延`：等待输入/输入链路可用所需要的等待时间
    
    ![image-20201127112812162][]
    
    本例中：数据已经从A通过信道输入路由器，但是此刻路由器繁忙，需要在路由器的缓存区里等待，数据在路由器内处理完毕后，数据输出的时候也需要等待一定时间，等待链路可用，这些时间即为排队时延，发生在路由器内
 *  `处理时延`：路由器中检错，找出口所需要的时间
    
    ![8ef86282e7c153a017153668654ae237.png][]
    
    本例中：数据在路由器的缓冲区里等待完毕，路由器开始对其进行转发的工作；检查数据是否出错、转发、找出口所需要的时间就是处理时延，发生在路由器内

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对高速链路的理解：

*  高速链路只是将发送速率（带宽）提高，并不会影响电磁波的传输速率
 *  因此高速链路只减小了发送时延，传播时延不变

## 5. 时延带宽积 ##

![image-20201125173843843][]

## 6. 往返时延RTT ##

> 从发送方发送数据开始，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

我们可以通过ping命令测试往返时延

![image-20201125174709831][]

*  RTT越大，在收到确认钱，可以发送的数据越多
 *  RTT = 往返传播时延(传播时延\*2) + 末端处理时间

## 7. 利用率 ##

![image-20201125175224623][]

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# 四、分层结构、协议 、接口、服务 #

## 1. 分层结构 ##

![image-20201125230536088][]

> **为什么要分层**？将大问题–》小问题

![image-20201125183511055][]

> **怎么分层？**

![image-20201125183822006][]

> **正确认识分层结构**

![image-20201125230148008][]

> **概念总结**

![image-20201125230516957][]

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## 2. OSI参考模型 ##

![image-20201125230802306][]

### 1. OSI参考模型的由来 ###

![image-20201125231307396][]

*  为了解决计算机网络复杂的大问题，于事提出了分层结构，划分成一个个的小问题
 *  提出了分层结构以后，各公司分别提出自己的网络体系结构；但是只有采用该公司产品的人才能使用其网络体系结构，不同的网络体系结构被对对应的公司所垄断，因此只能达到公司内部的网络通信，对所有人进行网络的互联互通十分困难
 *  为了实现不同厂家网络的互联互通，将所有人都可以联系在一起，便提出了`OSI`参考模型

![image-20201125232106589][]

### 2. OSI参考模型通信过程 ###

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![image-20201125232511005][]

![image-20201125233743480][]

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### 3. 七层简介 ###

#### 应用层 ####

![image-20201126233743761][]

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#### 表示层 ####

> 三大功能

*  **数据格式交换**：不同主机的编码以及表示方式不同，为了使不同的主机能够进行数据或者信息的交换，就需要表示层实现数据格式变换
 *  **数据加密接密**：比较隐私的话题如密码等，放在链路上传输前需要在发送端对数据进行加密；到了接受端，会对数据进行接密；这样就保证了安全性
 *  **数据压缩和恢复**：比如视频聊天，聊天图像非常大，发送端需要对其进行压缩，再传输到链路上，最后到到接受端解压缩，使图像正常呈现

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#### 会话层 ####

![image-20201126234914255][]

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#### 传输层 ####

![image-20201126235503594][]

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#### 网络层 ####

> **分组和数据报的关系**

*  类似父与子的关系，数据包过长时，就可对其进行分隔成一个个小的分组
 *  再将分组放到链路上传输，可使传输过程更加灵活，也可减小消耗损失

> **四大功能**

1.  **路由选择**：选择一个最佳的路径，使分组从发送端顺利的到达接受端
2.  **流量控制**：协调发送端与接受端的速度，如果发送端发送太快了，接受端来不及接收，就告诉发送端慢点发，就是对发送端发送速度的控制
3.  **差错控制**：通信两节点之间约定的一些特定的规则，如：奇偶校验码。接受发会根据这个规则来检查收到的分组有没有错误，如果能够纠错就纠错；如果不能纠错就将分组丢掉；这样能确保上一层次传输层所提交的数据都是没有错误的
4.  **拥塞控制**：和流量控制有所区别，流量控制是控制发送端的速度，拥塞控制是针对全局，宏观的来看，控制整体的速度

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#### 数据链路层 ####

> 作为网络层的下层，为网络层提供服务，主要任务：
> 
>  *  把网络层传下来的`数据报`组装成`帧`
> 
> 因此数据链路层的传输单位是`帧`

**功能**：

1.  **定义帧的开始和结束**：数据报成帧之后会形成比较长的比特流序列，需要对这个比特流定义哪里是帧的开始哪里是帧的结束；只有这样，在接受端收到帧的时候才能提取出帧的部分，进而上交给网络层，实现下一步的解封装
2.  **差错控制**：分为 `帧错` \+ `位错` ，对于这两种错误，数据链路层都有对应的检错或者纠错的方法；如果发现差错，可能会简单的丢弃差错的帧，以免继续传送错误的帧，浪费资源；如果需要纠错，就会利用一些可靠传输协议来纠错
3.  **流量控制**：对于发送方和接收方速度的协调问题，如果接收方的缓存不够用了，那么发送方再发来的数据就会丢弃掉；就会告诉发送方慢点发，等接收方有缓存空间了，再加快速度
4.  **访问(接入)控制**：控制对信道的访问；当多个主机连接在同一个传播介质上，在广播式网络中，数据链路层就得解决访问接入控制的问题，控制哪台主机可以占用信道，因为在广播式网络当中，同一时间只能有一个主机在发送信息，其他主机都是出去监听的状态；所以数据链路层可以控制大家对于共享信道的访问，这是由它的特殊子层（介质访问子层）来专门处理控制的

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#### 物理层 ####

> 傻瓜层，只需要将比特流转换成电信号的形式，然后放在链路上面进行传输

**主要任务**：在物理媒体上实现比特流的透明传输

*  `物理媒体`可以是任何一种的物理介质，比如同轴电缆，双绞线还有无线电波登等
 *  `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。

**功能**：

1.  **定义接口特性**：比如确定连接电缆的插头需要多少个引脚，每一条引脚需要如何连接
2.  **定义传输模式**：有三种，单工、半双工、全双工
3.  **定义传输速率**：我们常说的十兆网、百兆网，就是指发送端的发送速率/传输速率；这都是物理层可以定义的
4.  **比特同步**：指的就是发送端发送一个1，接受端就可以接收到一个1
5.  **比特编码**： 比如差分曼彻斯特编码，曼特斯特编码；就是规定什么是0什么是1，什么电压表示0什么电压表示1

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## 3. TCP/IP参考模型 ##

![image-20201127003720049][]

**OSI与TCP/IP异同**：

### 1. 相同点 ###

1.  都分层
2.  基于独立的协议栈的概念
3.  可以实现异构网络互连

### 2. 不同点 ###

1.  OSI定义了三点：服务、协议、接口
2.  OSI先出现，参考模型先于协议发明，不偏向特定协议；而TCP/IP先发明了协议，然后根据协议归纳出整个TCP/IP架构
3.  TCP/IP设计之初就考虑到了异构网互联问题，将IP作为重要层次
4.  网络层有IP协议，强调面向无连接，所以两个模型在网络层都有无连接通信
    
    传输层是端到端，进程与进程之间的通信，是为了实现可靠传输而存在，需要建立连接，所以两个模型在传输层都有面向连接![image-20201127004317626][]

## 4. 5层参考模型 ##

> **综合了OSI和TCP/IP的优点**

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> 5层参考模型的**数据封装与解封装图**

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