《计算机网络微课堂》一、计算机网络概述（你确定不点进来看看？）
本文自學計算機網絡時所寫筆記，網課為B站湖科大教書匠的 計算機網絡微課堂。（強烈安利這個課程，講課思路條理清晰，PPT美輪美奐、通俗易懂）
本文為第一章筆記，陸續會更新余下內容
因特網概述
1. 網絡、互連網（互連網）和 因特網
- 網絡（Network）由若干結點（Node）和連接這些結點的鏈路（Link）組成
- 多個網絡還可以通過路由器互連起來，這樣就構成了一個覆蓋范圍更大的網絡，即互聯網（互連網）
- 因特網（Internet）是世界上最大的互連網絡（用戶數以億計，互連的網絡數以百萬計）
注意：internet 和 Internet 的區別
2. 因特網發展三階段
因特網服務提供者 ISP (Internet Service Provider)
- 普通用戶可以通過 ISP 接入因特網
- ISP可以從因特網管理機構申請成塊的IP地址，同時擁有通信線路以及路由器等連網設備
- 因特網上的主機必須有IP地址才可以通信
- 我國主要的ISP是：中國電信、中國移動、中國聯通 這三大電信運行商
基于ISP三層結構的因特網
Internet分為三個層次：底層網、中間層網、主干網
- 底層網為大學校園網或企業網，
- 中間層網為地區網絡和商用網絡，
- 最高層為主干網，一般由國家或大型公司投資組建，目前美國高級網絡服務（Advanced Network Services,ANS）公司所建設的ANSNET為因特網的主干網
- 第一層ISP通常被稱為因特網主干網，一般都能覆蓋國際性區域范圍，并擁有高速鏈路和交換設備。第一層 ISP之間直接互聯
- 第二層ISP和一些大公司都是第一層ISP的用戶，通常具有區域性或國家性覆蓋規模，與少數第一層ISP相連接
- 第三層ISP又稱為本地ISP，它們是第二層ISP的用戶，且只擁有本地范圍內的網絡。比如一般的校園網或企業網，以及住宅用戶和無線移動用戶，都是第三層ISP的用戶
由此可以看出，因特網逐漸演變成基于ISP的多層次網絡
3. 因特網的標準化工作
因特網的標準化工作對因特網的發展起到了非常重要的作用
因特網在制定其標準上的一個很大的特點是面向公眾
- 因特網所有的RFC(Request For Comments)技術文檔都可從因特網上免費下載;
(http://www.ietf.org/rfc.html) - 任何人都可以隨時用電子郵件發表對某個文檔的意見或建議
因特網協會ISOC 是一個國際性組織，它負責對因特網進行全面管理，以及在世界范圍內促進其發展和使用
- 因特網體系結構委員會IAB，負責管理因特網有關協議的開發
- 因特網工程部IETF，負責研究中短期工程問題，主要針對協議的開發和標準化
- 因特網研究部IRTF，從事理論方面的研究和開發一些需要長期考慮的問題
制訂因特網的正式標準要經過以下4個階段：
- 因特網草案（在這個階段還不是RFC文檔)
- 建議標準（從這個階段開始就成為RFC文檔)
- 草案標準
- 因特網標準
4. 因特網的組成
從功能上看，因特網可以被劃分為兩部分：
- 邊緣部分：由所有連接在因特網上的主機組成。這部分是用戶直接使用的，用來進行通信（傳送數據、音頻或視頻）和資源共享
- 核心部分：由 大量網絡 和連接這些網絡的 路由器 組成。這部分是 為邊緣部分提供服務的（提供連通性和交換）
- 在網絡核心部分起特殊作用的是路由器，它是一種專用計算器，但我們不稱它為主機。路由器是實現分組交換的關鍵構件，其任務是轉發收到的分組
三種交換方式
1. 電路交換（Circuit Switching）
- 如果有很多部電話機需要兩兩相連，那么一共需要多少對電線呢？
?
這個數量是非常巨大的。于是人們意識到，要使得電話間很方便的通信，就應到使用一個中間設備將這些電話連接，這個中間設備就是電話交換機。電話增多時依靠彼此連接的電話交換機來完成全網的交換任務，用這種方法構成了覆蓋全世界的電信網。
- 電話交換機接通電話線的方式稱為 電路交換
- 從通信資源的分配角度來看，交換（Switching）就是按照某種方式動態地分配傳輸線路的資源
- 電路交換的三個步驟:
- 建立連接（分配通信資源）
- 通話（一直占用通信資源）
- 釋放連接（歸還通信資源)
但是，當電路交換用來傳送計算機數據時，其線路的傳輸效率往往很低。計算機網絡通常采用分組交換，而不是電路交換
2. 分組交換 (Packet Switching) ★
這里我們通過一個示例來講解分組交換：主機H6 向 主機H2 發送消息
- 通常我們將表示消息的整塊稱為一個報文
步驟講解
分組交換過程中，發送方、分組交換機（路由器）、接收方的任務如下：
3. 報文交換（Message Switching）
與分組交換類似，報文交換中的交換結點也采用存儲轉發方式。但報文交換對報文的大小沒有限制，這就要求交換結點需要有較大的緩存空間
- 報文交換主要用于早期的電報通信網，現在較少使用，通常被較先進的分組交換方式所取代
4. 電路交換、報文交換、分組交換的對比
計算機網絡的定義和分類
1. 計算機網絡的定義
計算機網絡的精確定義并未統一
計算機網絡的最簡單的定義是：一些 互相連接 的、自治 的計算機的 集合
- 互連：是指計算機之間可以通過有線或無線的方式進行數據通信
- 自治：是指獨立的計算機，它有自己的硬件和軟件，可以單獨運行使用
- 集合：是指至少兩臺計算機
計算機網絡的較好的定義是：計算機網絡主要是由一些 通用的、可編程的硬件互連 而成的，而這些硬件并非專門用來實現某一特定目的（例如，傳送數據或視頻信號)。這些可編程的硬件能夠用來 傳送多種不同類型的數據，并能 支持廣泛的和日益增長的應用
- 計算機網絡所連接的硬件，并不限于一般的計算機，而是包括了智能手機等智能硬件
- 計算機網絡并非專門用來傳送數據，而是能夠支持很多種的應用（包括今后可能出現的各種應用)
2. 計算機網絡的分類
1. 按交換技術分類
2. 按使用者分類
- 公用網是指電信公司出資建造的大型網絡，也可稱公眾網
- “公用” 的意思是指所有按電信公司的規定交納費用的人都可以使用此網絡
- 專用網是指某個部門為單位的特殊業務需要所建立的網絡，例如軍隊、鐵路、電力系統均有本系統的專用網
3. 按傳輸介質分類
- 有線網絡包括雙絞線網絡、光纖網絡等
- 無線局域網所使用的WIFI技術目前比較普遍
4. 按覆蓋范圍分類
廣域網
- 廣域網的覆蓋范圍通常為 幾十公里到幾千公里，可以覆蓋一個國家、地區、甚至橫跨幾個洲，因而也稱為遠程網
- 廣域網是因特網的核心部分，其任務是為核心路由器提供遠距離（如跨不同國家）高速連接，互連分布在不同地區的城域網和局域網
城域網
- 城域網的覆蓋范圍一般為一個城市，可跨越幾個街區甚至整個城市，其作用距離為 5至50公里
- 城域網通常作為城市骨干網，互連大量企業、機構和校園局域網
局域網
- 局域網一般用微型計算機或工作站通過高速通信線路相連，速率通常在100Mbit/s以上。但地理上局限在較小的范圍內，如一個實驗室、一棟樓或一個校園內，距離一般在 1公里左右
- 局域網通常由某個單位單獨擁有、使用和維護
個域網
- 個域網是個人區域網絡的簡稱，不是用來連接普通計算機的，而是在個人工作的地方把屬于個人使用的電子設備（便攜式計算機、打印機、鼠標、鍵盤等）用無線技術連接起來的網絡，覆蓋范圍大概為 10米
- 個域網也常稱為無限個人區域網WPAN
5. 按拓撲結構分類
總線型網絡
- 總線型網絡使用單根傳輸線把計算機連接起來
- 它的優點是建網容易、增減結點方便、節省線路；缺點是重負載時通信效率不高，總線任意一處出故障，則全網癱瘓
星型網絡
- 星型網絡是將每個計算機都以單獨的線路與中央設備相連。中央設備現在一般是交換機或路由器
- 這種網絡拓撲便于網絡的集中控制和管理，因為端用戶之間的通信必須經過中央設備；缺點是成本高，中央設備對故障敏感
環型網絡
- 環型網絡是將所有計算機設備的網絡接口連接成一個環
- 環可以是單環，也可以是雙環，環中信號是單向傳輸的
網狀型網絡
- 一般情況下，每個結點至少由兩條路徑與其他結點相連，多用在廣域網中
- 其優點是可靠性高，缺點是控制復雜、線路成本高
以上四種基本的網絡拓撲還可以互連為更復雜的網絡
計算機網絡的性能指標
性能指標可以從不同的方面來度量計算機網絡的性能
常用的計算機網絡的性能指標有以下8個:
- 速率
- 帶寬
- 吞吐量
- 時延
- 時延帶寬積
- 往返時間
- 利用率
- 丟包率
1. 速率
講述速率之前，先要了解比特（bit）的概念
順便提一下平時常見的一個問題
問題：購買硬盤時，操作系統給出的容量與廠家標稱的容量不同
- 例如：上述固態硬盤，標稱容量為 250GB，但操作系統給出的容量為 232.8GB，這是什么原因呢 ？
原因：廠家給出的單位 GB 中的 G 為10的9次方；而操作系統中的 G 為2的30次方
下面正式介紹一下速率
例題 ：
2. 帶寬
- 例如，在傳統線路上傳送電話的標準帶寬為3.1kHz，范圍從300Hz 到 3.4kHz，這是話音的主要成分的頻率范圍
其實，“帶寬” 的這兩種表述之間有著密切的聯系。一條通信線路的 “頻帶寬度” 越寬，其所傳輸數據的 “最高數據率” 也越高
3. 吞吐量
- 吞吐量表示在單位時間內通過某個網絡（或信道、接口）的數據量
- 吞吐量被經常用于對現實世界中網絡的一種測量，以便知道實際上到底有多少數據量能夠通過網絡
- 吞吐量受網絡帶寬和額定速率的限制，如下圖
- 1 Gb/s的以太網，其吞吐量受帶寬限制，最高為 1Gb/s，通常只能達到 700Mb/s
- 1 Gb/s的以太網，其吞吐量受帶寬限制，最高為 1Gb/s，通常只能達到 700Mb/s
4. 時延 ★
- 網絡時延分為三部分： 發送時延、傳播時延、處理時延
1. 發送時延
-
計算公式
-
網卡的發送速率，信道帶寬，交換機的接口速率，它們共同決定主機的發送速率
在構建網絡時，應該做到各設備間以及傳輸介質間的速率匹配，這樣才能發揮出本應具有的傳輸性能
2. 傳播時延
- 計算公式
3. 處理時延
- 一般不方便計算。因為網絡中的數據流量是動態變化的，進而路由器的繁忙程度也在動態變化；而且不同路由器的軟硬件性能也可能有所不同
問題：在處理時延忽略不計的情況下，發送時延和傳播時延究竟誰占主導 ？
- 因此，不能想當然的以為兩者誰會占主導，而是具體問題具體分析
下面更深入的探討一下發送時延和傳播時延
題目拓展
- 無論有多少個比特，在總時延中只包含一個傳播時延。增加比特數量，只是增大了發送時延，而傳播時延數量不變
下面是分組在分組交換網（也就是多段鏈路）上的傳輸情況
5. 時延帶寬積
- 時延帶寬積分 = 傳播時延 × 帶寬
- 若發送端連續發送數據，則在所發送的第一個比特即將到達終點時，發送端就已經發送了時延帶寬積個比特
- 鏈路的時延帶寬積又稱 以比特為單位的鏈路長度
6. 往返時間
在許多情況下，因特網上的信息不僅僅單方向傳輸，而是雙向交互，我們有時很需要知道雙向交互一次所需的時間。因此，往返時間 RTT (Round-Trip Time) 也是一個重要的性能指標
- 往返時間：從源主機發送發送開始，直到源主機收到來自目的主機的確認分組為止，所需要的時間
- 時延分析：相比于以太網和無線局域網，分組在衛星鏈路上耗時較多。原因是，衛星鏈路距離比較遠，傳播時延比較大
7. 利用率 ★
- 利用率有兩種：信道利用率、網絡利用率
根據排隊論，當某信道的利用率增大時，該信道的時延也會迅速增加。因此，信道利用率并非越高越好
當然，也不能使信道利用率太低，這會使寶貴的通信資源白白被浪費。應使用一些機制，可以根據情況動態調整輸入到網絡中的通信量，使網絡利用率保持在一個合理的范圍內
8. 丟包率
- 丟包率即分組丟失率，是指在一定的時間范圍內，傳輸過程中 丟失的分組數量與總分組數量的比率
- 丟包率具體可分為 接口丟包率、結點丟包率、鏈路丟包率、路徑丟包率、網絡丟包率等
分組丟失主要有兩種情況：
- 分組在傳輸過程中出現 誤碼，被結點丟棄
- 分組到達一臺隊列已滿的分組交換機時被丟棄；在通信量較大時就可能造成 網絡擁塞
丟包率反映了網絡的擁塞情況：
- 無擁塞時路徑丟包率為 0
- 輕度擁塞時路徑丟包率為 1% ~ 4%
- 嚴重擁塞時路徑丟包率為 5% ~ 15%
- 當丟包率較高時，通常無法使網絡應用正常工作
計算機網絡體系結構
1. 常見的計算機網絡體系結構
1. OSI 體系結構
OSI 體系結構，意為開放式系統互聯。國際標準組織（國際標準化組織）制定了 OSI 模型。這個模型把網絡通信的工作分為 7 層，分別是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。1至4層 被認為是低層，這些層與數據移動密切相關。5至7層 是高層，包含應用程序級的數據。每一層負責一項具體的工作，然后把數據傳送到下一層。
各層的分工及主要任務
- 這里說一下OSI標準失敗的幾個原因：OSI的專家們缺乏實際經驗；沒有商業推動力；OSI的協議過分復雜，執行效率低；指定周期太長，導致此標準設備無法及時進入市場
2. TCP/IP 體系結構
TCP/IP 是一組用于實現網絡互連的通信協議。Internet網絡體系結構以 TCP/IP 為核心?；?TCP/IP 的參考模型將協議分成四個層次，它們分別是：網絡訪問層、網際互聯層（主機到主機）、傳輸層、和 應用層。
- TCP/IP 體系結構相當于將 OSI 體系結構中的 物理層 和 數據鏈路層 合并成了網絡接口層，并去掉了 會話層 和 表示層
- 用于網絡互連的路由器中，也帶有符合 TCP/IP 體系結構標準的 TCP/IP 協議族 ： 一般只包含 網際層 和 網絡接口層
- TCP/IP 體系結構的網絡接口層并沒有規定什么具體的內容，目的是可以互連全世界各種不同的網絡接口，例如有線的以太網接口、無線局域網的WIFI接口等。因此，本質上 TCP/IP 體系結構只有上面三層
- IP協議作為TCP/IP體系結構中的核心協議，一方面負責互連不同的網絡接口（IP over everything）
- 另一方面，為各種網絡應用提供服務（Everything over IP）
3. 原理體系結構
在學習計算機網絡原理時往往采用折中的辦法，綜合 OSI 和 TCP/IP 的優點，采用一種五層協議的原理體系結構
2. 計算機網絡分層的必要性
- 計算機網絡是個非常復雜的系統。早在最初的 ARPANET設計時就提出了分層的設計理念。
- “分層” 可將龐大而復雜的問題，轉化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理。
3. 計算機網絡體系結構中的專用術語
這些術語來自于 OSI 的七層協議體系結構，但也適用于 TCP/IP 的四層體系結構和五層原理體系結構
分為實體、協議、服務三部分來講述
1. 實體
- 實體：任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程
- 對等實體：收發雙方相同層次中的實體
2. 協議
- 協議：控制兩個對等實體進行邏輯通信的規則的集合
協議的三要素：語法、語義、同步
- 語法：定義所交換信息的格式
- 語義：定義收發雙方所要完成的操作
- 同步：定義收發雙方的時序關系
3. 同步
在協議的控制下，兩個對等實體間的邏輯通信使得本層能夠向上一層提供服務；要實現本層協議，還需要使用下面一層所提供的服務
- 協議是 “水平的”， 服務是 “垂直的”
- 實體看得見相鄰下層所提供的服務，但并不知道實現該服務的具體協議。也就是說，下面的協議對上面的實體是"透明"的
服務訪問點：在同一系統中相鄰兩層的實體交換信息的邏輯接口，用于區分不同的服務類型
- 數據鏈路層的服務訪問點為幀的 “類型” 字段
- 網絡層的服務訪問點為IP數據報首部中的 “協議字段”
- 運輸層的服務訪問點為 “端口號”
服務原語：上層使用下層所提供的服務必須通過與下層交換一些命令，這些命令稱為服務原語。
協議數據單元PDU：對等層次之間傳送的數據包稱為該層的協議數據單元
服務數據單元SDU：同一系統內，層與層之間交換的數據包稱為服務數據單元
- 多個SDU可以合成為一個PDU;一個SDU也可劃分為幾個PDU。
第一章計算機網絡概述部分內容到此結束，后續部分在余下文章，陸續更新…
總結
以上是生活随笔為你收集整理的《计算机网络微课堂》一、计算机网络概述（你确定不点进来看看？）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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