【计算机网络】计算机网络——概述篇
本章知识概要
什么是计算机网络
计算机网络主要由一些通用的，可编程的硬件互连而成，通过这些硬件，可以传输不同类型的数据并且可以支持广泛和日益增长的应用。
- 计算机网路的不是软件概念，还包含硬件设备
- 计算机网络不仅仅是信息通信，还可以支持广泛的应用
计算机网络的分类
按网络的作用范围分类
|
分类 |
英文 |
范围 |
区域 |
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广域网 |
WAN(Wide Area Network) |
几十到几千公里 |
跨省、跨国 |
|
城域网 |
MAN(Metro Area Network) |
5KM-50KM |
城市间 |
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局域网 |
LAN(Local Area Network) |
1KM以内 |
地区内 |
按网络的使用者分类
公用网络：公开允许任何人使用的网络
专用网络：机构或企业的内部为了特殊业务需求搭建的网络
计算机网络发展简史
互联网的发展历史
- 第一个阶段：单个网络APRANE。 1969年美国国防部创建的小网络，当时连接仅有的计算机
- 第二个阶段：三级结构的互联网。主要还是有美国使用互联网的
- 第三个阶段：多层次ISP互联网。
- ISP（Internet Service Provider）：网络服务提供商
- 中国电信,中国联通,中国移动
- 中国的主干isp 可以连接美国isp及其他国家
- 地区isp 可以连接服务公司 校园 家庭
- isp通过海底电缆将全球的网络连接起来
- 到这个阶段才能让全球的互联网连接起来形成巨大无比的网络
现代国际互联网的主要线路The world’s largest network and datacenter infrastructure atlas (infrapedia.com)
中国互联网的发展历史
- 第一个阶段：1980年互联网实验
- 第二个阶段：1989年第一个公共网络运行
- 第三个阶段：1994年接入国际互联网
中国最大的五个公共的计算机网络
- 中国电信互联网CHINANET
- 中国联通互联网UNINET
- 中国移动互联网CMNET
- 中国教育与科研计算机网CERNET
- 中国科学技术网CSTNET
中国企业家互联网公司
- 1996年，张朝阳创建搜狐
- 1997年，丁磊创建网易
- 1998年，王志东创建新浪
- 1998年，马化腾、张志东创建腾讯
- 1999年，马云创建阿里巴巴
- 2000年，李彦宏创建百度
计算机网络层次结构
层次结构设计的基本原则
计算机A与计算机B进行数据通路考虑的问题？
- 保证数据通路顺畅
- 目的计算机状态
- 识别目的计算机
- 数据是否错误
解决方案：分层实现不同的功能
基本原则：
- 各层之间是相互独立的
- 每一层要有足够的灵活性
- 每层之间完全解耦
OSI七层模型
- 应用层：为计算机用户提供接口和服务
- 表示层：数据处理（编码解码，加密解密等）
- 会话层：管理（建立，维护，重连）通信会话
- 传输层：管理端到端的通信连接
- 网络层：数据路由（决定数据在网络的路劲）
- 数据链路层：管理相邻节点之间的数据通信
- 物理层：数据通信的光电物理特性
- OSI欲成为全球计算机都遵循的标准
- OSI在市场化过程中困难重重，TCP/IP在全球范围成功运行
- OSI最终并没有成为广为使用的标准
OSI为什么没有成为全球计算机都遵循的标准？
- OSI的专家缺乏实际经验
- OSI标准制定周期过长，按OSI标准生产的设备无法及时进入市场
- OSI模型设计的并不合理，一些功能在多层中重复出现
TCP/IP四层模型
层次结构与协议
- 网络层：HTTP/FTP/DNS/telnet/SMTP/POP3/SNMP
- 传输层：TCP/UDP
- 网络层：IP/ICMP
- 网络接口层：Ethernet/ARP/RARP
TCP/IP四层模型与OSI七层模型映射
计算机A->计算机B
现代互联网的网络拓扑
边缘部分
边缘部分：家庭
边缘部分：企业
核心部分
整个网络拓扑结构
树状结构
客服-服务器（C/S模式）
对等连接（P2P）模式
计算机网络的性能指标
计算机组成原理回顾
第一个性能指标也就是：bps
时延：
- 发送时延：。发送速率受限于计算机网卡
- 传播时延：。传播速率受限于传输介质
- 排队时延：数据包在网络设备中等待被处理的时间
- 处理时延：数据包到达设备或者目的机器被处理所需要的时间
- 总时延：发送时延+传播时延+排队时延+处理时延
往返时间RTT：
- RTT（Route-Trip Time）是评估网络质量的一项重要指标
- RTT表示的是数据报文在端到端通信中的来回一次的时间
- 通常使用ping命令查看RTT
物理层概述
物理层处于哪个位置？
ISO七层模型处于第一层对应的物理层
TCP/IP四层模型处于网络接口层
物理层作用
- 连接不同的物理设备
- 传输比特流
连接不同设备的物理介质：
双绞线：平时使用的网线也是一种双绞线
同轴电缆：以前比较常见的一种传输介质（网线），现在用的比较少了
光纤：随着科技的发展现在很多家庭互联网都是使用的光纤
传输的无线的一些介质：
- 红外线
- 无线
- 激光
比特流：使用的高低电平进行传输的
信道的基本概念
- 信道是往一个方向发送信息的媒体
- 一条通道电路包含一个接收信道和一个发送信道
- 单工通信信道
- 只有一个方向通信，没有反方向反馈的信道
- 有线电视，无线电收音机等等
- 半双工通信信道
- 双方都可以发送和接收信息
- 不能双方同时发送，也不能同时接收
- 全双工通信信道
- 双方都可以同时发送和接收信息
分用-复用技术
数据链路层概述
数据链路层处于哪个位置？
处于ISO七层模型的第二层
处于TCP/IP四层模型的网络接口层
主要解决三个问题
- 封装成帧
- “帧”是数据链路层数据的基本单位
- 发送端在网络层的一段数据前后添加特定标记形成“帧”
- 接收端根据前后特定标记识别出“帧”
物理层才部管你“帧”不“帧”
- 帧首部和尾部是特定的控制字符（特定比特流）正在上传…重新上传取消
- 有同学就要问了如果我们传输的字符也有控制字符怎么办？问题解决在下一个知识点
- 透明传输
- “透明”在计算机领域是非常重要的一个术语
- “一种实际存在的事物却又看起来不存在一样”
- “即是控制字符在帧数据中，但是要当做不存在的去处理”
问题：数据链路层传输的字符也有控制字符怎么办？
解决：
如果说数据中也出现转移字符那该怎么办呢？
- 差错检测
- 物理层只管传输比特流，无法控制是否出错
- 数据链路层负责起“差错检测”的工作
- 下一节进行详细的学习
数据链路层的差错检测
- 奇偶校验码
下面在传输过程中假设传输错误用奇偶校验码进行判断（只错一位）
下面在传输过程中假设传输错误用奇偶校验码进行判断（错2的偶数倍位）
如图，出错两位，奇偶校验码校测不到错误
- 循环冗余校验码CRC
- 一种根据传输或保存的数据而产生固定位数校验码的方法
- 检测数据传输或者保存后可能出现的错误
- 生成的数字计算出来并且附加到数据后面
前提基础知识：模“2”除法
- 模“2”除法是二进制下的除法
- 与算术除法类似，但除法不借位，实际是“异或”操作
0 xor 0=0
1 xor 0=1
0 xor 1=1
1 xor 1=0
- 选定一个用于校验的多项式G（x），并在数据尾部添加r个0
- 将添加r个0后的数据，使用模“2”除法除以多项式的位串
- 得到的余数填充在原数据r个0的位置得到可校验的位串
例子1：使用CRC计算101001的可校验位串
第一步：
G（x）=+
+1
二进制位串：1101，最高阶为3（最高阶就是r）
位串1101是怎么得到的？展开得到，如下：
G（x）=1*+1*
+0*
+1*
101001101001000
第二步：将添加r个0后的数据，使用模“2”除法除以多项式的位串
第三步：得到的余数填充在原数据r个0的位置得到可校验的位串
接收端接收的数据除以G（x）的位串，根据余数判断出错
余数为0就表示数据没有错
例子2：使用CRC计算10110011的可校验位串
第一步：
选取G(x)，G(x)=+
+1
二进制位串：11001，最高阶为4
第二步：
- CRC的错误检测能力与位穿的阶数r有关
- 数据链路层只进行数据的检测，不进行矫正
- 常见的G(x)如下
MTU
MTU
- 最大传输单元MTU（Maximun Transmission Unit）
- 数据链路层的数据帧也不是无限大的
- 数据帧过大或过小都会影响传输的效率
总时延=发送时延+排队时延+传输时延+处理时延
正在上传…重新上传取消
路径MTU
以太网协议详解
MAC地址
- MAC地址（物理地址、硬件地址）
- 每一个设备都拥有唯一的MAC地址
- MAC地址共48位，使用十六进制表示
Windows查看MAC地址命令：ipconfig /all
例：30-B4-9E-ED-85-CA
以太网协议（重点）
- 以太网（Ethernet）是一种使用广泛的局域网技术
- 以太网是一种应用于数据链路层的协议
- 使用以太网可以完成相邻设备的数据帧传输
以太网协议数据格式：
下面的数字单位（byte字节）
MAC地址表：MAC地址与硬件接口的映射表
问题1：A需要跟C发数据的时候，需要通过E的路由器，但是E是怎么知道A所发送的数据是发送到C的呢？通过MAC地址表。我们来了解一下整个过程。
问题2：如果MAC地址表不知道C的硬件接口怎么办呢？使用广播技术。我们来了解一下整个过程。
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