Geekerstar

《计算机网络》重点知识总结(一)概述
课本知识以下知识点总结对应教材《计算机网络(第七版)》谢希仁著,个人整理,难免有错,请酌情参考。由于本书是考研教材...
扫描右侧二维码阅读全文
11
2018/03

《计算机网络》重点知识总结(一)概述

课本知识

以下知识点总结对应教材《计算机网络(第七版)》谢希仁著,个人整理,难免有错,请酌情参考。由于本书是考研教材,本人不是考研党,对书中知识理解有限,如果有错误的地方恳请指出,谢谢!
另外欢迎参考本人所总结整理的《计算机网络》课后答案(一)概述

1 互联网概述

1.1 现在最主要的三种网络

  • 电信网络(电话网)
  • 有线电视网络
  • 计算机网络 (发展最快,信息时代的核心技术)

计算机网络(简称为“网络”)由若干结点(node)和连接这些结点的链路(link)组成。网络中的结点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。定义:计算机网络是一些相互连接的、自治的计算机的集合

  • 自治:无主从关系
  • 互连:互联互通

网络把许多计算机连接在一起,而互联网则把许多网络通过路由器连接在一起。与网络相连的计算机常称为主机

通过交换网络互连主机

1.2 internet 和 Internet

  • internet是通用名词,它泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。
  • Internet是专有名词,标准翻译是“因特网”,现在一般译为“互联网”,它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成特定互连网,它采用TCP/IP协议族作为通信的规则,且其前身是美国的ARPANET。

    • 世界范围的互连网(互联网)
    • 使用 TCP/IP 协议族
    • 前身是美国的阿帕网 ARPANET

互联网

  • 互联网两大特性:连通性共享
  • 互联网发展的三个阶段:

    • 单个网络ARPANET
    • 三级结构的互联网
    • 多层次ISP结构的互联网。
  • 互联网的组成:(从工作方式分为两部分)

    • 核心部分:由所有连接在互联网上的主机(端系统)组成。主要是路由器,转发收到的分组,实现分组交换。

      • 电路交换:建立连接——>通话——>释放占用资源。质量高,效率低。
      • 分组交换:把大的报文切割成长度固定的较短的数据段,每个数据段加上一个首部,构成一个分组。
      • 报文交换:基于存储转发原理(时延较长)
      • 路由器处理分组的过程:缓存->查找转发表->找到合适端口
    • 边缘部分:由大量网络和连接这些网络的路由器组成。

      • 客户和服务器方式: 客户是服务的请求方,服务器是服务的提供方。客户程序:一对多,必须知道服务器程序的地址。服务程序:可同时处理多个远地或本地客户的请求,被动等待。
      • P2P(对等方式):平等的、对等连接通信。即是客户端又是服务器。

1.3 计算机网络的带宽

计算机网络的带宽是指网络可通过的最高数据率,即每秒多少比特。

描述带宽也常常把“比特/秒”省略。

例如:带宽是 10 M,实际上是 10 Mb/s。注意:这里的 M 是 10^6

1.4 对宽带传输的错误概念

在网络中有两种不同的速率:

  • 信号:(即电磁波)在传输媒体上的传播速率(米/秒,或公里/秒)
  • 计算机向网络发送比特的速率(比特/秒),也叫传输速率。

这两种速率的意义和单位完全不同。

宽带传输:计算机向网络发送比特的速率较高。
宽带线路:每秒有更多比特从计算机注入到线路。
宽带线路和窄带线路上比特的传播速率是一样的。

早期的计算机网络采用电路交换,新型的计算机网络采用分组交换的、基于存储转发的方式。

分组交换:

  • 在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块
  • 每个块增加带有控制信息的首部构成分组(包)
  • 依次把各分组发送到接收端
  • 接收端剥去首部,抽出数据部分,还原成报文

IP 网络的重要特点

  • 每一个分组独立选择路由。
  • 发往同一个目的地的分组,后发送的有可能先收到(即可能不按顺序接收)。
  • 当网络中的通信量过大时,路由器就来不及处理分组,于是要丢弃一些分组。
  • 因此,IP 网络不保证分组的可靠地交付
  • IP 网络提供的服务被称为尽最大努力服务(best effort service)

1.5 最重要的两个协议:IP 和 TCP

TCP 协议保证了应用程序之间的可靠通信,IP 协议控制分组在因特网的传输,但因特网不保证可靠交付,在 TCP/IP 的应用层协议使用的是客户服务器方式。

  • 客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程
  • 客户服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。
  • 当 A 进程需要 B 进程的服务时就主动呼叫 B 进程,在这种情况下,A 是客户而 B 是服务器。
  • 可能在下一次通信中,B 需要 A 的服务,此时,B 是客户而 A 是服务器。


注意:

  • 使用计算机的人是“用户”(user)而不是“客户”(client)。
  • 客户和服务器都指的是进程,即计算机软件。
  • 由于运行服务器进程的机器往往有许多特殊的要求,因此人们经常将主要运行服务器进程的机器(硬件)不严格地称为服务器。
  • 例如,“这台机器是服务器。” 意思是:“这台机器(硬件)主要是用来运行服务器进程(软件)。”
  • 因此,服务器(server)一词有时指的是软件,但也有时指的是硬件。

1.6 Internet结构:网络之网络

6.jpg
在网络中心:少数互连的大型网络

  • “一级”(tier-1)商业ISPs (如:网通、电信Sprint、 AT&T),提供国家或国际范围的覆盖
  • 内容提供商网络(content provider network,如:Google):私有网络,连接其数据中心与Internet,通常绕过一级ISP和区域ISPs

1.7 总结

  • 因特网(Internet)是世界范围的、互连起来的计算机网络,它使用 TCP/IP 协议族,并且它的前身是美国阿帕网 ARPANET。
  • 计算机网络的带宽是网络可通过的最高数据率。
  • 因特网使用基于存储转发的分组交换,并使用 IP 协议传送 IP 分组。
  • 路由器把许多网络互连起来,构成了互连网。路由器收到分组后,根据路由表查找出下一跳路由器的地址,然后转发分组。
  • 路由器根据与其他路由器交换的路由信息构造出自己的路由表。
  • IP 网络提供尽最大努力服务,不保证可靠交付。
  • TCP 协议保证计算机程序之间的、端到端的可靠交付。
  • 在 TCP/IP 的应用层协议使用的是客户服务器方式。
  • 客户和服务器都是进程(即软件)。客户是服务请求方,服务器是服务提供方。
  • 服务器有时也指“运行服务器软件”的机器

2 IP与域名

2.1 IP 网络是虚拟网络

  • IP 网络是虚拟的。在 IP 网络上传送的是 IP 数据报(IP 分组)。
  • 实际上在网络链路上传送的是“帧”,使用的是帧的硬件地址(MAC 地址)。
  • 地址解析协议 ARP 用来把 IP 地址(虚拟地址)转换为硬件地址(物理地址)。

2.2 IP 地址的表示方法

IP 地址的表示方法有两种:二进制点分十进制

IP 地址是 32 位二进制数字,为方便阅读和从键盘上输入,可把每 8 位二进制数字转换成一个十进制数字,并
用小数点隔开,这就是点分十进制。

2.3 因特网的域名

因特网的域名分为:

  • 顶级域名
  • 二级域名
  • 三级域名
  • 四级域名

2.4 域名服务器 DNS (Domain Name Server)

因特网中设有很多的域名服务器 DNS,用来把域名转换为 IP 地址。

2.5 电子邮件

发送邮件使用的协议——简单邮件传送协议 SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)
接收邮件使用的协议——邮局协议版本 3 POP3 (Post Office Protocol version 3)

注:邮件的传送仍然要使用 IP 和 TCP 协议

2.6 统一资源定位符 URL (Uniform Resource Locator)

  • URL 用来标识万维网上的各种文档。
  • 因特网上的每一个文档�在整个因特网的范围内具有惟一的标识符 URL。
  • URL 实际上就是文档在因特网中的地址。

2.7 超文本传送协议 HTTP (HyperText Transfer Protocol)

万维网客户程序与服务器程序之间的交互遵守超文本传送协议 HTTP。

2.8 结束语

  • IP 地址是 32 位二进制数字。为便于阅读和键入,也常使用点分十进制记法。
  • 个人用户上网可向本地租用临时的 IP 地址。
  • 域名服务器 DNS 把计算机域名转换为计算机使用的 32 位二进制 IP 地址。
  • 发送电子邮件使用 SMTP 协议,接收电子邮件使用 POP3 协议。
  • 统一资源定位符 URL 惟一地确定了万维网上文档的地址。
  • 超文本传送协议 HTTP 用于万维网浏览器程序和服务器程序的信息交互。
  • 超文本标记语言 HTML 使万维网文档有了统一的格式。
  • IP 电话不使用 TCP 协议。利用 IP 电话网关使得在普通电话之间可以打 IP 电话。

3 计算机网络体系结构

3.1 因特网服务提供者 ISP (Internet Service Provider)

根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的 IP 地址数目的不同,ISP 也分成为不同的层次。

3.2 两种通信方式

在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类:C/S 方式 P2P 方式(Peer-to-Peer,对等方式)

网络边缘

3.3 因特网的核心部分

  • 网络核心部分是因特网中最复杂的部分。
  • 网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性,使边缘部分中的任何一个主机都能够向其他主机通信(即传送或接收各种形式的数据)。
  • 因特网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成,而主机处在因特网的边缘部分
  • 在因特网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接,而在网络边缘的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。
  • 主机的用途是为用户进行信息处理的,并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器的用途则是用来转发分组的,即进行分组交换的。
  • 在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router)
  • 路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件,其任务是转发收到的分组,这是网络核心部分最重要的功能。
  • 网络核心的关键功能:路由+转发

5.jpg

3.4 电路交换

电路交换必定是面向连接的。
电路交换的三个阶段:建立连接通信释放连接

3.5 网络的分类

  • 不同作用范围的网络

    • 广域网 WAN (Wide Area Network)
    • 局域网 LAN (Local Area Network)
    • 城域网 MAN (Metropolitan Area Network)
    • 个人区域网 PAN (Personal Area Network)
  • 从网络的使用者进行分类

    • 公用网 (public network)
    • 专用网 (private network)
  • 用来把用户接入到因特网的网络

    • 接入网 AN (Access Network):它又称为本地接入网或居民接入网。

注:由 ISP 提供的接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。

3.6 计算机网络的性能指标

性能指标有:速率 带宽 时延 吞吐量 时延带宽积 往返时间RTT 利用率
非性能指标有:费用 质量 标准化 可靠性 可扩展性和可升级性 易于管理和维护

  • 速率
  • 带宽
  • 吞吐量
  • 时延(delay 或 latency)

    • 传输时延(发送时延) —— 从发送数据帧的第一个比特算起,到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间。
    • 传播时延 —— 电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间。[注:信号传输速率(即发送速率)和信号在信道上的传播速率是完全不同的概]
    • 处理时延 —— 交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。
    • 排队时延 —— 结点缓存队列中分组排队所经历的时延。
      总时延 = 发送时延+传播时延+处理时延+处理时延
  • 时延带宽积
  • 利用率 —— 分为信道利用率和网络利用率。

    • 信道利用率——某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)。
    • 网络利用率——全网络的信道利用率的加权平均值。

注:信道利用率并非越高越好。

3.7 网络协议(network protocol)

协议,是为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定。其组成要素有以下三点:

  • 语法(Syntax):数据与控制信息的结构或格式 。
  • 语义(Semantics):需要发出何种控制信息,完成何种动作以及做出何种响应。
  • 时序(Timing):事件实现顺序的详细说明。

(1)OSI/RM七层协议

  • 物理层 数据链路层 网络层 运输层 会话层 表示层 应用层

(2)TCP/IP 四层协议

  • 网络接口层 网际层IP 运输层 应用层

(3)五层协议

  • 物理层 数据链路层 网络层 运输层 应用层

(4)分层的好处

  • 1.各层之间是独立的;2.灵活性好;3.结构上可分割开;4.易于实现和维护;5.能促进标准化工作。

3.8 实体、协议、服务和服务访问点

实体(entity)——表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。
协议——是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

  • 在协议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。
  • 要实现本层协议,还需要使用下层所提供的服务。
  • 本层的服务用户只能看见服务而无法看见下面的协议。
  • 下面的协议对上面的服务用户是透明的。
  • 协议是“水平的”,即协议是控制对等实体之间通信的规则。
  • 服务是“垂直的”,即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

同一系统相邻两层的实体进行交互的地方,称为服务访问点 SAP (Service Access Point)。

3.9 TCP/IP 的体系结构

TCP/IP 的体系结构

补充知识

1 数据交换之电路交换

1.1 互联的路由器网络

Q:如何实现数据通过网络核心从源主机到达目的主机?
A:数据交换

1.2 为什么要数据交换?

7.jpg

  • N^2 链路问题
  • 连通性
  • 网络规模

1.3 电路交换的特点

最典型的电路交换网络:电话网络
电路交换的三个阶段:

  • 建立连接(呼叫/电路建立)
  • 通信
  • 释放连接(拆除电路)

独占资源

电路交换

1.4 电路交换网络如何共享中继线?

多路复用(Multiplexing)

9.jpg

2 数据交换之多路复用

2.1 基本概念

多路复用(multiplexing),简称复用,是通信技术
中的基本概念。

10.jpg

多路复用(Multiplexing):链路/网络资源(如带宽)划分为“资源片”,将资源片分配给各路“呼叫”(calls),每路呼叫独占分配到的资源片进行通信, 资源片可能“闲置”(idle)(无共享)

典型多路复用方法:

  • 频分多路复用( frequencydivision multiplexing-FDM )
  • 时分多路复用( time divisionmultiplexing-TDM )
  • 波分多路复用(Wavelengthdivision multiplexing-WDM)
  • 码分多路复用( Codedivision multiplexing-CDM )

2.2 频分多路复用FDM

频分多路复用FDM

频分多路复用的各用户占用不同的带宽资源(请注意,这里的“带宽”是频率带宽(单位:Hz)而不是数据的发送速率)。用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带。

频分多路复用FDM1

频分多路复用FDM2

2.3 时分多路复用TDM

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM 帧),每个用户在每个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。每用户所占用的时隙是周期性出现(其周期就是TDM 帧的长度)。时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的
频带宽度。

时分多路复用TDM

时分多路复用TDM2

2.4 波分多路复用WDM

波分复用就是光的频分复用

波分多路复用WDM

波分多路复用WDM2

2.5 码分多路复用CDM

广泛应用于无线链路共享 (如蜂窝网,卫星通信等)。每个用户分配一个唯一的mbit 码片序列(chipping sequence),其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表
示,例如:

  • S站的码片序列:(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

各用户使用相同频率载波,利用各自码片序列编码数据
编码信号 = (原始数据) × (码片序列)

  • 如发送比特 1(+1),则发送自己的 m bit 码片序列
  • 如发送比特 0(-1),则发送该码片序列的m bit 码片序列的反码

各用户码片序列相互正交(orthogonal)

码分多路复用CDM

令{d(下标i)}为原始数据序列,各用户的叠加向量为

码分多路复用CDM2

解码 : 码片序列与编码信号的内积

码分多路复用CDM3

2.6 码分多路复用编/解码举例

码分多路复用编/解码举例

码分多路复用编/解码举例2

3 数据交换之报文、分组交换

3.1 报文交换

报文:源(应用)发送信息整体

  • 比如:一个文件

报文交换

报文交换2

3.2 分组交换(package switching)

分组:报文分拆出来的一系列相对较小的数据包
分组交换需要报文的拆分重组
产生额外开销

分组交换

分组交换2

3.3 分组交换: 统计多路复用(Statistical Multiplexing )

分组交换: 统计多路复用

A & B分组序列不确定,按需共享链路--->(statistical multiplexing)

3.4 存储转发(store-and-forward )

报文交换与分组交换均采用存储-转发交换方式
区别:

  • 报文交换以完整报文进行“存储-转发”
  • 分组交换以较小的分组进行“存储-转发”

存储转发

3.5 分组交换: 传输延迟

发送主机:
接收应用报文(消息)
拆分为较小长度为 Lbits的分组(packets)
在传输速率为R的链路上传输分组

分组交换: 传输延迟

3.6 报文交换vs分组交换?

报文交换vs分组交换

报文交换vs分组交换2

报文交换vs分组交换3

3.7 分组交换的报文交付时间

分组交换的报文交付时间

3.8 分组交换vs电路交换?

适用于突发数据传输网络

  • 资源充分共享
  • 简单、无需呼叫建立

可能产生拥塞(congestion):分组延迟和丢失

  • 需要协议处理可靠数据传输和拥塞控制

说明

本系列笔记为本人总结或整理,另外参考了网络上的一些资料并在显要位置注明了作者或来源。整理过程中难免有所疏漏,如有错误,欢迎指出!


如果您发现了文章有任何错误欢迎指正,有任何意见或建议,或者有疑问需要我提供帮助,也欢迎在下面留言,只需输入昵称+邮箱即可,网站或博客可选填。对于所有留言内容我会及时回复,非常期待与大家的交流![/scode]

版权声明:本文(除特殊标注外)为原创文章,版权归 Geekerstar 所有。

本文链接:http://www.geekerstar.com/technology/418.html

除了有特殊标注文章外欢迎转载,但请务必标明出处,格式如上,谢谢合作。

最后修改:2018 年 03 月 11 日 05 : 34 PM
如果觉得我的文章对你有用,请随意赞赏

发表评论