2021研面准备 -- 计算机网络知识点整理（一）概述

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第一章 概述

本章最重要的内容：
（1）互联网边缘部分和核心部分的作用，包含分组交换的概念；
（2）计算机网络的性能指标；
（3）计算机网络的分层体系结构，包含协议和服务的概念。
需要说明，这一章作为全书的概述，后面的章节均是由本章所提到的 5 层计算机网络体系结构，按照 应用层 -> 运输层 -> 网络层 -> 数据链路层 -> 物理层 的顺序进行展开。

一、计算机网络的概念和发展

• 三类网络
  ?电信网络、有线电视网络、计算机网络

• 计算机网络（简称网络）基本组成
  ?由若干结点（计算机(主机Host)、集线器、交换机、路由器等）和连接这些结点的链路组成，是一些相互连接的、自治的计算机的集合。

• 互连网（interconnection network 或 internet）
  ?由若干网络经路由器连接构成，是“网络的网络”，一般适用于局部范围内连接起来的计算机网络

• 互联网（Internet）
  ?最大的计算机网络，覆盖全球范围。

• 互联网两大基本特点
  ?连通性：互联网使上网用户之间，不管距离多远，都可以非常便捷、经济的交换彼此信息，就好像互相连通一样。
  ?共享性：就是指多方面的资源共享，包括信息共享，软件共享，硬件共享等。

二、计算机网络的组成

• 互联网组成（按工作方式区分）
  ?边缘部分：由所有连接在互联网上的主机组成，用户直接使用，用于主机之间的通信和资源共享。
  ?核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成，为边缘部分提供服务，提供连通性和交换。

• 互联网的边缘部分

  • 计算机通信（主机通信）
    ??指处于互连网边缘部分的主机间的进程之间的通信。两类主机（或称端系统）通信方式：客户-服务器方式（Client/Sever，C/S方式）和对等方式（Peer-to-Peer，P2P方式）。

  • 客户-服务器方式（Client/Sever，C/S方式）
    ?主机A如果运行客户端程序，而主机B运行服务端程序，客户A向服务端B发送请求服务，服务器B向客户A接收服务，这种情况下，就是以C/S的方式进行通信。我们所指的客户和服务器都是值通信中涉及的两个应用进程，而不是具体的主机。
    ?客户程序必须知道服务器程序的地址。
    ?常见应用有发送电子邮件、上网查阅找资料、QQ登录及维持登录状态。

• • 对等方式（Peer-to-Peer，P2P方式）
    ??以对等方式进行通信，并不区分客户端和服务端，而是平等关系进行通信。在对等方式下，可以把每个相连的主机当成既是主机又是客户，可以互相下载对方的共享文件。
    ??一般需要强大的硬件和复杂的操作系统。
    ??常见应用有迅雷下载、uTorrent、酷狗音乐、QQ用户之间的信息传递。

• 互联网的核心部分
  • 实现方式（也是核心功能）：通过路由器（一种专用计算机，Router），实现分组交换（Packet switching）功能，转发收到的分组。
  • 交换的概念：按照某种方式动态地分配传输线路的资源。
  • 三种交换方式及其特点：
    ?? - 电路交换（Circuit switching）：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送，电话。
    ?? - 报文交换（Message switching）：报文交换一—整个报文先传送到相邻结点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点，电报。
    ?? - 分组交换（Packet switching）：分组交换一—单个分组（这只是整个报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一个结点，因特网。

???其中，报文交换和分组交换为存储转发方式（Store-forward）。

• 电路交换
  • 工作方式：直接利用可切换的物理通信线路，连接通信双方
  • 三个步骤：建立连接 (占用通信资源，即拨号等待时间) -> 通话 (一直占用通信资源) -> 释放连接 (归还痛惜资源)
  • 优缺点：
    ??- 建立专用连接，可靠性高
    ??- 数据传输延迟较短
    ??- 一旦建立连接，整个通道将被独占
    ??- 线路的传输效率往往非常低

• 报文交换
  ?工作原理：信息以报文（逻辑上完整的信息段）为单位进行存储转发，报文长度固定，不进行分组操作。无需建立连接，一站站往下传，只要下一站不忙即发送。数据中必须包含目的地址，采用存储转发机制。
  ?优缺点：
  ??- 线路利用率高
  ??- 要求中间结点（网络通信设备）缓冲大
  ??- 延迟时间长
  
  
• 分组交换
  • 工作原理：信息以分组为单位进行存储转发。源结点把报文分为分组，在中间结点存储转发，目的结点把分组合成报文。
  • 报文（Message）：要发送的整块数据
  • 分组（Packet）：又称包，比报文还小的信息段，可定长，也可变长
  • 首部（Header）：含有地址等控制信息
  • 存储转发（Store-forward）：交换机（路由器）接收分组并存储，然后根据接收到的分组首部中的地址信息，通过查询自身的转发表，从而把分组转发到下一个结点交换机，继续此过程直到最终目的地
  • 实现存储转发的关键构件：路由器（一种专用计算机，Router）
  • 路由器处理分组的过程：
    ?? - 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；
    ?? - 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；
    ?? - 把分组送到适当的端口转发出去
  • 优点：
    ?? - 高效：在分组传输过程动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用
    ?? - 灵活：为每个分组独立选择最合适的转发路由
    ?? - 迅速：以分组为单位传输，不用建立和释放连接
    ?? - 可靠：保证可靠性的网络协议；分布式多路由器的分组交换网，有很好的生存性
  • 缺点：
    ?? - 分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延
    ?? - 非面向连接，无法保证通信时端到端的带宽
    ?? - 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销

  

• 三种交换方式的比较
  • 电路交换适用于需要传送大量数据，且传送时间远大于连接建立时间的情形，在线路带宽较低的情况下使用比较经济，如实时信息和模拟信号传送（例如视频、音频）；
  • 报文交换和分组交换无需预先分配带宽，在传送突发性数据时信道的利用率较高；但报文交换延迟大，一般不用于网络通信；
  • 分组交换缩短了延迟，也能满足一般的实时信息传送。在高带宽的通信中更为经济、合理、可靠。

三、计算机网络的类别

• 按网络尺度分类
  • 个人局域网（PAN）：如 WPAN(蓝牙/ZigBee)
  • 局域网（LAN）：如校园网，WiFi
  • 城域网（MAN）：如有限电视网，WiMAX
  • 广域网（WAN）：如通信子网（ISP提供), 4G，5G...

• 按拓扑结构分类

• 按网络使用者进行分类
  • 公用网 (Public Network) ：公众网，对外开放。例如电信的中国公用计算机互联网CHINANET
  • 专用网 (Private Network)：不对外开放，例如教育网、科技网或军队、铁路、电力等部门的专用网络
    
    
• 接入网 AN (Access Network)
  ?又称为本地接入网或居民接入网。是从某个用户端系统到互连网中的第一个路由器（也称为边缘路由器）之间的一种网络。从覆盖范围类看，很多接入网还属于局域网。从作用上来看，接入网只是起到让用户能够与因特网连接的“桥梁”作用。例如宽带接入网。

四、计算机网络的性能

• 计算机网络的 7 个性能指标
  • ① 速率（Rate）
    ? 【定义】：单位时间内传送数据的比特数。又称数据率或者比特率。
    ? 【单位】：bit/s、kb/s、Mb/s、Gb/s等。
    ? 【注意事项】：区别于计算机领域的 B、KB、MB、GB，此处的 1B = 8 bits 。
  • ② 带宽（Bandwidth）
    ? 【定义】：单位时间内某个网络中某信道（或接口）理论上能通过的最高数据率。用于表征网络中某信道传送数据的能力。
    ? 【单位】：bit/s等。
    ? 【注意事项 1】：区别于信号的频带宽度。
    ? 【注意事项 2】：带宽、宽带和网速有什么区别？
    ? ? 答：带宽用于表征网络速率的大小，而宽带是用于说明网络速率较高，除此之外还有窄带、超宽带等。网速常见的计量单位为 kb/s，是带宽的 1/8，即理论上 1M 带宽网速应该为 128kb/s。
  • ③ 吞吐量（Throughput）
    ? 【定义】：单位时间内某个网络中某信道（或接口）实际上通过的数据量。
    ? 【单位】：bit/s等。
    ? 【注意事项】：吞吐量还可用每秒传送的字节数或帧数来表示。
  • ④ 时延（Delay 或 Latency）
    ? 【定义】：数据（一个报文或分组，甚至比特）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。
    ? 【计算公式】：$$\small{总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延}$$
    • 发送时延（Transmission Delay）
      【定义】：主机或路由器发送数据帧所需的时间，也就是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。
      【计算公式】：$$\small{发送时延 = \frac{数据块长度（bit）}{发送速率（bit/s）}}$$
      【注意事项】：带宽越高，发送时延越小。
    • 传播时延（Propagation Delay）
      【定义】：指电磁波在信道中传播所需的时间。
      【计算公式】：$$\small{传播时延 = \frac{信道长度（m）}{传播速率（m/s）}}$$
      【注意事项】：“光纤的传输速率高”，实际上指光纤的发送速率高，其传播速率（\(2.0*10^5 km/s\) ）实际上低于铜线（\(2.3*10^5 km/s\)），而真空传播速率为光速（\(3*10^5 km/s\)）。
    • 处理时延（Processing Delay）
      【定义】：指交换结点（如主机、路由器等）为存储转发而进行一些必要的处理（如分析首部、提取数据、差错检验、转发路由查找等）所花费的时间。
    • 排队时延（Queuing Delay）
      【定义】：分组经过路由器时，在路由器中经历输入和输出的排队等待时间。
      【注意事项】：排队时延往往取决于网络中当时的通信量，例如当通信量大导致分组丢失时排队时延为无穷大。

• • ⑤ 时延带宽积（Bandwidth-Delay Product）
    ? 【计算公式】：$$时延带宽积 = 传播时延 \times 带宽$$
    ? 【注意事项】：时延带宽积以比特为单位表征链路长度。如：某链路时延带宽积为20万 bit，表示当发送的第一个 bit 到达终点时，发送端已经发送了20万 bit，这20万 bit 都在链路上移动。
  • ⑥ **往返时间 **（Round-Trip Time，RTT）
    ? 【定义】：从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认（假设接收方收到数据后便立即发送确认），总共经历的时间。
  • ⑦ 利用率
    • 信道利用率：指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：网络的信道利用率的加权平均数。
      ? 【计算公式】：$$D = \frac{D_0}{1-U}\ \scriptsize{D_0：网络空闲时的时延；D：当前网络时延；U：信道利用率}$$
      ? 【注意事项】：信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，引起的时延也就迅速增加（排队堵塞）。一般主干网控制为低于50%。

五、计算机网络的体系结构

这一部分读起来像是教科书式的论调，光看概念不好理解，建议阅读《计算机网络》的 P27 - P37。

• 计算机网络的体系结构定义

  • 计算机网络的各层及其协议的集合。
  • 计算机网络及其构建所应完成的功能的精确定义 [GREE82]

• 计算机网络体系结构的诞生历史

  • 法律上的国际标准 -- OSI 协议 （7层） <=> 事实上的国际标准 -- TCP/IP 协议（4层）

• 网络协议（Network Protocol）
  ?为进行网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定，可简称协议。

• 网络协议三要素

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

• 分层结构实例 1 -- 通信网络传送文件
  ?【1】最高层：文件传送模块。处理文件格式转换等工作。
  ?【2】中间层：通信服务模块。保证文件和文件传送命令可靠地交换。
  ?【3】最低层：网络接入模块。负责网络接口细节等工作。

• 分层结构实例 2 -- 收发邮件

• 分层结构的优缺点
  • 优点：各层之间是独立的、灵活性好、结构上可分割开、易于实现和维护、能促进标准化工作。
  • 缺点：功能划分可能有重叠，造成额外开销。
    
    
• 具有五层协议的体系结构

??需要注意五层协议的体系结果只是本书为介绍计算机网络原理而设计的，实际应用时采取的则是 TCP/IP 四层体系结构。

【注意事项】：任意层传送的数据单元，都可笼统地用“分组”来表示。

• 协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）
  【定义】指对等层次之间传递的数据单位。
  【PDU 举例】

  • 应用层：报文（message）
  • 运输层：数据段（segment）
  • 网络层：数据包（packet）
  • 数据链路层：数据帧（frame）
  • 物理层：数据位（bit）
    
    

• [1] 应用层（Application Layer）
  【任务】：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。该层协议需要定义应用进程间通信和交互的规则。
  【常见协议】：域名系统 DNS 协议，支持万维网应用的 HTTP 协议，支持电子邮件的 SMTP 协议等。
  【报文】：应用层交互的数据单元。
  
  

• [2] 运输层（Transport Layer）
  【任务】：为两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。
  【复用功能】：多个应用层进程可同时使用运输层的服务。
  【分用功能】：运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。
  【常见协议】：

  • 传输控制协议 TCP（Transmission Control Protocol）—— 提供面向连接的、可靠的数据传输服务，其数据传输的单位是报文段（Segment）。
  • 用户数据报协议 UDP（User Datagram Protocol）—— 提供无连接的、尽最大努力（Best-effort）的数据传输服务（不保证数据传输的可靠性），其数据传输的单位是用户数据报。
    
    

• [3] 网络层（Network Layer）
  【任务】：

  • 为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时，网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。
  • 选择合适的路由。使运输层传下来的分组能够通过网络中的路由器找到目的主机。
    【常见协议】：无连接的网络协议（Internet Protocol, IP） + 多种路由选择协议。
    
    

• [4] 数据链路层（Data Link Layer）
  【任务】：

  • 传输时：将网络层交付的IP数据报添加控制信息（如同步信息、地址信息、差错控制等）后封装成帧，在相邻节点间的连路上传送帧。
  • 交付时：接收数据后提取出数据部分交付给网络层
    
    

• [5] 物理层（Physical Layer）
  【任务】：定义物理接口特性，诸如机械、电气、功能、过程等。比确定用多大的电压代表“1”或“0”、接收方如何识别出发送方所发送的比特、连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各引脚应如何连接。
  【注意事项】：传递信息所利用的一些具体的物理媒体，如双绞线、同轴电缆、光缆、无线信道等，并不在物理层协议之内而是在物理层协议的下面。

• 数据传递实例

• 几个概念说明
  • 对等层（Peer layers）通信
    【定义】对于每一层而言，在理解上可以屏蔽复杂的下层操作，将两个相同的层次之间看作是
    好像直接通信一样对等层实现的是虚拟的逻辑通信，实际通信时通过物理链路实现的。
  • 实体（Entity）
    【定义】表示任何可发送或接收信息的硬件或软
    件进程。
  • 服务（Service）
    【定义】：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。
  • 服务原语（Primitives）：服务在形式上是由一组接口原语（或操作）来描述的。
  • 接口（Interface）：定义了下层向上层提供了哪些原语操作和服务。

• 协议和服务的区别
  • 下层协议对上层服务用户是透明的。即本层的服务用户只能看见服务而无法看见下层的协议。
  • 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。
    
    

六、参考资料

【1】《计算机网络》（第7版）-- 谢希仁，电子版 pdf 下载链接：点击下载，提取码：s4jp
【2】计算机网络知识点总结 - 第一章：概述

2021研面准备 -- 计算机网络知识点整理（一）概述

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