計算機網絡基礎概述


1 因特網概述

1.1 網絡、互聯網、因特網

網絡:

  • 網絡是由若干結點和連接這些結點的鏈路所組成

結點:計算機、打印機等聯網設備
鏈路:光纖、雙絞線等

互聯網:

  • 多個網絡通過路由器互連起來,構成覆蓋范圍很廣的網絡,即互聯網

因特網:

  • 因特網是世界上最大的互連網絡

internet:互聯網,是一個通用名詞,泛指多個網絡互連形成的網絡
Internet:因特網,采用TCP/IP協議族的一個互聯網,因特網是互聯網的一種。

普通用戶如何接入互聯網:

1.2 因特網服務提供者(ISP)

  • ISP從因特網管理機構申請成塊的IP地址,同時ISP擁有通信線路和路由器等設備。
  • 普通用戶向ISP繳納費用,就能從ISP得到聯網所需的IP地址。
  • 我國主要的ISP有移動、聯通、電信三大運營商

基於ISP的三層結構的因特網
第一層
主干網,能覆蓋國際性區域,擁有高速鏈路和交互設備,第一層ISP之間直接互連。

第二層
第二層ISP和一些大公司都是第一層ISP的用戶,通常具有區域性和國家性的覆蓋規模,與少數第一層ISP相連。

第三層
第三層ISP又稱為本地ISP,是第二層ISP的用戶,且只擁有本地范圍的網絡,一般的校園網、企業網、個人用戶等。

1.3 因特網的組成

因特網由邊緣部分核心部分組成。

邊緣部分

  • 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,用來進行通信資源共享
  • 如:台式電腦、服務器、筆記本電腦、手機、物聯網智能設備、空氣檢測儀等。

核心部分

  • 核心部分由大量網絡和連接這些網絡所需要的路由器組成,這部分是為邊緣部分提供服務的
  • 在核心部分起主要作用的是路由器,路由器是實現分組交換的構件,任務是轉發收到的分組

1.4 計算機數據的三種交換方式

交換方式有電路交換、分組交換和報文交換。
電路交換

  • 過去使用的撥號電話采用的就是電路交換
  • 可以使用電路交換的方式發送計算機數據,但是效率很低

在這里插入圖片描述

分組交換

  • 是目前計算機數據主要采用的交換方式
  • TCP協議將較大的計算機數據(報文)分割成多個較小的數據包(分組),然后進行傳輸。

分組交換步驟

  1. 先把較長的報文分割成等長的較小的數據段
  2. 在每個數據段前面,加上由一些必要的控制信息組成的首部后,就構成了一個分組,簡稱為
  3. 首部包含分組的目的地址
  4. 分組交換機(路由器)收到分組后,將其存儲起來,檢查其首部,根據首部的目的地址進行查表轉發,通過接口將分組交給下一個交換機。
  5. 分組到達目的地后,接收方使用TCP協議去掉分組的首部,然后將各數據段進行組合,組合成一個完整的原始報文

分組交換中各角色的作用

發送方

  • 構造分組(將數據報文切割成多個小數據段組成分組)和發送分組

路由器

  • 緩存分組、轉發分組

接收方

  • 接收分組、還原報文

報文交換

  • 與分組交換類似,報文交換中的交換結點(路由器)也采用存儲轉發的方式
  • 但是報文交換對報文大小沒有限制,當傳輸較大的報文數據時,就需要路由器有較大的存儲空間。
  • 報文交換通常用於早期的電報數據發送。

三種交互方式的優缺點
在這里插入圖片描述

1.5 計算機網絡的分類

按交換技術分類

  • 電路交換網絡
  • 分組交換網絡
  • 報文交換網絡

按使用者分類

  • 公用網
  • 專用網

按傳輸介質分類

  • 有線網絡
  • 無限網絡

按覆蓋范圍分類

  • 廣域網WAN
  • 城域網MAN
  • 局域網LAN
  • 個域網PAN

按拓撲結構分類

  • 總線型網絡
  • 星型網絡
  • 環形網絡
  • 網狀型網絡
    在這里插入圖片描述

1.6 計算機網絡的性能指標

性能指標可以從不同的方面度量計算機網絡的性能

主要有:速率帶寬吞吐量時延時延帶寬積往返時間利用率

速率

為什么我們買的硬盤或內存往往達不到實際的空間大小。

  • 廠家使用的單位:1GB=10的9次方
  • 計算機中的單位:1GB=2的30次方
  • 相除結果約為計算機單位中的0.93132GB

速率的定義:

  • 連接在計算機網絡上的主機在數字信道上傳輸比特(bit)的速率,也稱為比特率數據率
  • 速率單位:bit/s 速率使用的單位是 1kb/s=10的3次方b/s
  • 數據量單位:1KB=2的10次方B

帶寬

帶寬在計算機網絡中的意義:

  • 用來表示網絡的通信線路所能傳送數據的能力
  • 表示單位時間內從網絡的某一點到另一點 所能通過的最高速率
  • 單位:b/s
  • 家庭帶寬:200M(表示出口帶寬最高數據率為200Mb/s)

吞吐量

吞吐量表示單位時間內通過某個網絡的數據量

注意:

  • 吞吐量表示的是單位時間內通過網絡的數據量
  • 帶寬表示的是單位時間內通過網絡的最高速率

時延
網絡時延包括:發送時延傳播時延處理時延

發送時延在發送方發送數據時產生,與數據大小和帶寬有關系。
傳播時延和傳播介質(銅線還是光纖)有一定的關系。
處理時延和路由器有關。

丟包率
丟包率即分組丟失率,是指在一定時間范圍內,傳輸過程中丟失的分組數量和總分組數量的比率

丟包產生的兩種情況

  • 分組在傳輸過程中出現誤碼,被結點丟棄。
  • 分組在到達一台隊列已滿的交換機(路由器)時被丟棄。

1.7 計算機網絡體系結構

常見的計算機網絡體系結構

OSI體系結構

  • 法律上的國際標准

在這里插入圖片描述
TCP/IP體系結構

  • 事實中的國際標准

在這里插入圖片描述

路由器一般只包含網際層網絡接口層

網絡接口層

  • 該層並沒有規定實際的內容
  • 目的是能夠連接各種網絡接口,如以太網接口WiFi接口
  • 因此,本質上TCP/IP協議只包含上面的三層結構

IP協議

  • IP協議是網際層的核心協議
  • IP協議可以將不同的網絡接口進行互連,並向上TCP/UDP協議提供服務。

計算機網絡體系結構分層的必要性

IP地址:如192.168.1.1,前三個數字用來表示網絡(互聯網是由多個網絡連接而成)。
最后一個數字表示主機。
在這里插入圖片描述

每一層用來解決的問題

  • 為了便於理解體系結構,將計算機網絡體系結構分為5層來看

在這里插入圖片描述

計算機網絡體系結構分層思想

應用進程間基於網絡的通信步驟
通過瀏覽器輸入url訪問web服務器上到的資源步驟

主機端

  1. 應用層按HTTP協議的規定,構建一個HTTP請求報文(請求方式GET,能夠接收的文件種類,連接狀態等信息)
  2. 應用層將HTTP報文交付給運輸層,TCP協議將報文分成多個適當長度的報文段,在每個報文段前面都加上一個TCP首部,形成分組,該首部的作用是為了區分應用進程和實現可靠傳輸
  3. 運輸層將分組交給網絡層處理,網絡層在分組前面加上IP首部,該首部的作用是為了使該數據報可以被路由器存儲轉發
  4. 網絡層將IP報文交給數據鏈路層處理,數據鏈路層給IP報文加一個首部ETH和一個尾部ETH,使其成為一個,首部的作用是為了使幀能夠在一個網絡上傳輸,被相應的主機接收。尾部的作用是為了讓目的主機檢查所收到的幀是否有誤碼
  5. 數據鏈路層將幀交互給物理層,物理層將幀看做比特流,物理層在幀首部添加前導碼,作用是讓目的主機做好接收幀的准備。
  6. 物理層將添加前導碼的比特率,變換成相應的信號發送到傳輸媒體(雙絞線,光纖等)

路由器端

  1. 信號到達路由器的物理層,物理層將信號轉換為為比特流,去掉前導碼后交付給數據鏈路層,實際上交互的是幀。
  2. 數據鏈路層將幀的首部和尾部去掉后交給網絡層,實際上交互的是IP數據報。
  3. 網絡層解析數據報的首部,從中提取出目的網絡地址,然后查找自身的路由表,確定轉發接口。
  4. 然后將IP數據報交給數據鏈路層,數據鏈路層給IP數據報添加一個首部變為,然后依次傳輸給接收端

計算機網絡體系結構專業術語

實體

  • 任何可發送或接收信息的硬件軟件進程
  • 對等實體:收發雙方相同層次中的實體,如發送方應用層對應接收方應用層

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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(定義交換信息的格式),語義(定義收發雙方要完成的操作),同步(定義收發雙方的時序關系)。

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服務

  • 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

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