計算機網絡01-計算機網絡與因特網

計算機網絡01

第一章 計算機網絡與因特網

21-01-05前言：爲了考試開始計算機網絡的複習，恰好系統的梳理一遍計算機網絡的重點。目前先根據老師的考點進行總結，過了期末周再全面地進行梳理。參考博客阮一峯老師yyds

一.協議的概念

協議規定了通訊實體之間所交換的消息的格式、意義、順序以及針對收到信息或發生的事件所採起的「動做」。
它的三要素是：

• 語法 即數據與控制信息的結構或格式
• 語義 須要發出何種控制信息，完成何種動做以及作出何種響應
• 時序 即事件實現順序的詳細說明

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二.因特網的構成

從因特網的工做方式上來看，能夠劃分爲:

• 邊緣部分
  由全部鏈接在因特網的主機組成，這部分用戶能夠直接使用，主要是供用戶主機之間進行通訊和資源共享 (傳送數據、音頻等)
• 核心部分
  由大量網絡與鏈接網絡的路由器組成。做用是供邊緣系統提供服務（提供連通性和交換）
  

1.邊緣部分

將與因特網相連的計算機與其餘設備稱爲端系統，也叫作主機。
在端系統之間的通訊方式有兩種：

• 客戶端/服務器（c/s方式）
  所描述的是進程之間服務和被服務的關係，客戶是服務的請求方，服務器是服務的提供方，客戶發送請求，接收服務器響應。

• P2P
  兩個主機在通訊時並不區分哪個是服務請求方仍是服務提供方，通訊在對等實體之間直接進行（如QQ)

2.核心部分

網絡核心部分是互聯網中最複雜的部分，由於網絡中的核心部分要向網絡邊緣中的大量主機提供連通性，使邊緣部分中的任何一臺主機都能向其餘主機通訊。
核心部分最重要的是路由器，路由器是實現分組交換的關鍵構建，其任務是轉發收到的分組。

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三.數據交換的方式

分爲電路交換、分組交換與報文交換，其中計算機採用的方式是分組交換。本次詳細介紹電路交換與分組交換 由於要考這兩個（老實人）

電路交換

電路交換技術是應用於傳統的電話通信網，在互聯網中被丟棄。該網絡必須在發送方和接收方之間創建一條連接（電路），而且一旦鏈接創建了後，兩個用戶會一直佔用端到端的通訊資源，致使線路利用率很低。
電路交換的三個階段：

• 1.創建鏈接（呼叫/電路創建）
• 2.通訊
• 3.釋放鏈接（拆除電路）
  電路交換適合於數據量很大的實時性傳輸，核心路由器之間可使用電路交換

分組交換

分組交換技術是採用存儲轉發技術，按需分配傳輸線路資源。

一般端系統筆記交換報文，報文能夠執行一種控制功能，也能夠包含數據。爲了從源端系統向目的端系統發送一個報文，源將報分分紅一個個較小的等長數據段，並在美個數據段前面加上必要的控制信息組成的首部（包含源地址和目的地址），稱之爲分組。

分組交換網中路由器收到一個分組，先暫時存儲，根據收到的分組的首部中的地址信息找到合適的接口轉發出去，再把分組交給下一個路由器。交換過程當中每個分組單獨地選擇路徑，這些路徑能夠同時被多個計算機來使用，不佔線，不須要創建鏈接。

優勢
高效	動態分配傳輸帶寬，對通訊鏈路是逐段佔用
靈活	以分組爲傳送單位和查找路由，爲每個分組獨立地選擇最合適的轉發路由
迅速	沒必要先創建鏈接就能向其餘主機發送分組
可靠	保證可靠性的網絡協議；分佈式的路由選擇協議使網絡有很好的生存性
缺點
時延	分組在各結點存儲轉發時須要排隊，這會形成必定的時延或丟失，不適合實時服務，須要協議處理可靠數據傳輸和擁塞控制。
開銷	分組交換須要報文的拆分與重組，必須攜帶首部

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四.網絡性能指標

速率

速率即數據率(data rate)，或稱數據傳輸速率、比特率(bit rate)，是網絡中最重要的性能指標
單位時間（秒）,傳輸信息（比特）量 (b/s（或bps）、kb/s、Mb/s、Gb/s)
當提到網絡的速率時，速率每每是指額定速率或標稱速率，而並不是網絡實際上運行的速率。

帶寬

本來指信號具備的頻帶寬度， 即最高頻率與最低頻率之差，單位是赫茲（Hz）。網絡的「帶寬」一般是數字信道（鏈路）所能傳送的「最高數據率」，單位：b/s (bps)

吞吐量

吞吐量表示在單位時間內經過某個網絡的實際數據量。

時延

• 處理時延
  主機或路由器在收到分組時須要花費必定時間進行處理，例如分析分組的首部，從分組中提取數據部分、進行差錯檢驗或查找合適的輸出鏈路等。
• 排隊時延
  指分組等待在鏈路傳輸中輸入輸出列隊裏的排隊等待轉發的時間。排隊時延的長短取決於網絡當時的通訊量，當網絡的通訊量很大時會發生隊列溢出，使分組丟失。
• 傳輸時延（發送時延）
  指將分組的全部比特推（傳）向鏈路所須要的時間，也就是從發送數據幀的第一個比特算起，到該幀的最後一個比特發送完畢所需的時間。
  計算公式：傳輸時延= L / R【R = 鏈路的傳輸速率 (bps)， L = 分組長度 (比特)】
• 傳播時延
  一個比特從鏈路的起點到下一節點（路由器）傳播所須要的時間。其速度以鏈路的傳播速率傳播。
  傳播時延發生在機器外部的傳輸信道媒體上，而與信道的發送速率無關。信號傳送的距離越遠，傳播時延就越大。

時延帶寬積

鏈路的時延帶寬積又稱爲以比特爲單位的鏈路長度。
計算公式： 時延帶寬積=傳播時延*帶寬 = dprop * R （bits）

丟包率

因爲隊列緩存容量有限，所以分組到達已滿隊列將被丟棄 (即丟包)。丟棄分組可能由前序結點或源重發（也可能不重發）
計算公式：丟包率=丟包數/已發分組總數

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五.網絡體系結構

網絡體系結構是從功能上描述計算機網絡結構,是分層結構,每層遵循某個/些網絡協議完成本層功能。計算機網絡體系結構是計算機網絡的各層及其協議的集合，是一個計算機網絡的功能層次及其關係的定義，是抽象的。

TCP/IP模型、OSI/RM模型、五層原理模型之間的關係：

• 層與協議：每一層都是爲了完成一種功能，爲了完成這些功能，須要遵循一些規則，這些規則就是協議，每一層都定義了一些協議。
• 對等層：在網絡體系結構中，將數據（即數據單元加上控制信息）直接傳遞給對方的任何兩個一樣的層次。（如OSI運輸層與TCP/IP運輸層）
• 服務訪問點SAP：在同一系統中相鄰兩層的實體進行交互（即交換信息）的地方，實際上就是一個邏輯接口

因爲OSI體系結構太複雜，在實際應用中TCP/IP的四層體系結構獲得普遍應用，且在1225日的春招計劃中也介紹過了TCP/IP四層結構，做爲折中這次介紹五層協議體系結構。

應用層

應用層的做用就是規定應用程序的數據格式。

它是網絡應用程序以及他們的應用層協議存留的地方。應用層包括了許多協議（HTTP、SMTP、FTP等），應用層協議分佈在多個端系統上，而一個端系統中的應用程序使用協議與另外一個端系統中的應用程序交換信息分組，並把這種信息分組稱爲報文。

這一層是計算機網絡中的最高層，也是咱們做爲通常用戶常常直接接觸的一層。

傳輸層

因爲一個主機可同時運行多個進程，所以傳輸層有複用和分用的功能。複用就是多個應用進程可同時使用運輸層的服務，分用是運輸層把收到的信息分別交付給上面的應用層的相應進程。

而所謂端口,則表明每個使用網卡的程序的編號。每一個數據包都發到主機的特定端口，所以不一樣的程序就能取到本身所須要的數據。
端口通常是0到65535之間的一個整數，正好16個二進制位。0到1023的端口被系統佔用，用戶只能選用大於1023的端口。實際應用中應用程序會隨機選用一個端口，並與服務器的相應端口聯繫。

傳輸層的功能，就是創建"端口到端口"的通訊，進行「進程-進程」的數據傳輸。
在這一層主要使用兩種運輸協議，即 TCP-面向鏈接的 和 UDP-無鏈接的，將在第三章進行詳細講解。

網絡層

"網絡層"的功能是創建"主機到主機"的通訊。只要肯定主機和端口，咱們就能實現程序之間的交流。
網絡層的做用是引進一套新的地址，使得咱們可以區分不一樣的計算機是否屬於同一個子網絡。這套地址就叫作 "網絡地址" ，簡稱"網址"。它負責源主機到目的主機的數據分組路由與轉發。

網絡層協議一般包括： Internet協議（IP協議）、Internet控制信息協議（ICMP）、地址解析協議（ARP）、反向地址解析協議（RARP）。
規定網絡地址的協議叫IP協議，所定義的地址叫IP地址，由32個二進制位組成，從0.0.0.0一直到255.255.255.255。IP地址分爲兩個部分，前面一部分表明網絡，後一部分表明主機。處於同一個子網的IP地址，其網絡部分與子網掩碼一定是相同的。
同一個子網絡，就採用廣播方式發送，不然就採用」路由」方式發送。IP協議做用主要是爲分配IP地址和判斷那些IP在同一個網絡。
後面咱們將單獨介紹可變長度掩碼的ip子網劃分方法。

數據鏈路層

網絡層必須依靠鏈路層的服務，在鏈路層中，將網絡層傳下來的IP數據報組轉成幀，在連個相鄰節點透明的傳送幀中的數據。每幀中包含必要的控制信息（如同步信息、地址信息、差錯控制等）。其做用是 規定了相鄰節點（主機和路由器之間或兩個路由器之間）數據傳輸

• 以太網協議：
  規定一組電信號組成幀，幀由 標頭（Head）和 數據（Data）組成。"標頭"包含數據包的一些說明項，如發送者與接受者的地址（MAC地址）、數據類型等等；"數據"則是數據包的具體內容。
• MAC地址：
  每塊網卡出廠的時候，都有一個全世界獨一無二的MAC地址，長度是48個二進制位，一般用12個十六進制數表示。前6個十六進制數是廠商編號，後6個是該廠商的網卡流水號。
• 廣播：
  經過ARP協議能夠知道本網絡內的全部機器的MAC地址，以太網經過廣播的方式把數據發送到本網絡內的全部機器上，讓其根據MAC地址本身判斷是否接受數據。
  而不在同一個子網絡，便把數據包傳送到兩個子網絡鏈接處的網關（gateway），讓網關去處理。

物理層

物理層的主要任務就是規定各類傳輸介質和接口與傳輸信號相關的一些特性（網絡的一些電氣特性），將幀的一個個比特從一個節點移動到下一個節點（負責傳送0和1的電信號）。

在這一層，數據尚未組織，僅做爲原始的比特流提交給上層——數據鏈路層。這一層的協議仍然是鏈路相關的，而且進一步地與該鏈路（雙絞銅線、光纖）的實際傳輸媒體相關。