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计算机网络概述

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By 何翌闻
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计算机网络概述

1.计算机网络＝节点＋链路，节点可以是计算机、集线器、交换机、路由器等

2.互联网是网络的网络。互联网把许多网络通过一些路由器连接在一起。

3.网络互连需要计算机上的适当软件

4.ISP IXP

5.互联网的拓扑结构从工作方式上可以分为边缘部分（用户直接使用）和核心部分（为边缘服务提供服务【连通性和交换】）

6.网络边缘的端系统之间的通信方式可以分为C/S方式和P2P方式

7.路由器—分组交换

8.五层体系结构

1.什么是计算机网络？

2.计算机网络、互连网、互联网的区别

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一、什么是计算机网络？

定义：计算机网络是由多个计算机或其他设备通过通信链路（有线或无线）连接起来，实现资源共享和信息传递的系统。

王道考研：def：将众多分散的、自治的的计算机系统通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件实现资源贡献和信息传递的系统

关键元素：

  • 节点（Node）：网络中的设备，如电脑、手机、服务器等。
  • 链路（Link）：连接节点的物理或逻辑通道（有线或无线）。

其他概念：

集线器（Hub）：把多个节点连接起来，组成一个计算机网络—但是如果多个设备向集线器发送信号，就会出现故障，所以被弃用了

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因此，我们使用交换机（switch），除了集线器的功能，交换机还可以连接另一台交换机，家庭、学校也常用交换机组建内部网络。

有关于交换机的知识会在数据链路层介绍

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路由器（router）：可以把两个或多个计算机网络互相连接起来

小巧思！计算机网络竟然让我想到了递归了数学归纳法…

二、网络的分类

1. 局域网（LAN, Local Area Network）

  • 覆盖范围小（如一栋楼、一个校园）
  • 高速传输（可达 Gbps）
  • 错误率低，易于管理
  • 常见技术：Ethernet（以太网）

2. 广域网（WAN, Wide Area Network）

  • 覆盖范围大（如城市、国家、全球）
  • 传输速度较低，错误率较高
  • 常见技术：光纤、卫星、DSL、Frame Relay 等

三、互联网（Internet）与互连网（internet）

  • internet（小写i）：指由多个网络互连而成的网络。
  • Internet（大写I）：全球最大的、开放的互连网网络，使用 TCP/IP 协议族。

互联网的多层ISP结构：

  • ISP（Internet Service Provider）：互联网服务提供商
  • 分层结构：
    • 第一层ISP（国际级）
    • 第二层ISP（国家级/区域级）
    • 本地ISP（城市级/公司级）
  • 数据通过 NAP（Network Access Point） 在不同ISP之间交换

例题：

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计算机网络的组成和功能

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四、数据传输的基本概念

1. 数据（Data）

  • 信息的编码形式（0和1的序列）
  • 通过电信号或光信号传输

2. 数据包（Packet）

  • 将大数据分割成小单元进行传输
  • 优点：
    • 多设备轮流发送
    • 丢失后重传效率高
    • 可走不同路径

3. 协议（Protocol）

  • 通信双方必须遵守的规则集合
  • 如：TCP/IP、HTTP、FTP 等

4. 带宽（Bandwidth）与吞吐量（Throughput）

  • 带宽：理论上最大传输速率（bps）
  • 吞吐量：实际测得的传输速率

五、网络参考模型

1. OSI 七层模型

由国际标准化组织（ISO）提出，分为七层，每层功能明确：

层数名称功能关键词
7应用层提供用户接口和服务浏览器、HTTP
6表示层数据格式转换、加密压缩通用格式
5会话层建立、管理、终止会话对话
4传输层端到端通信、可靠性保障可靠性、流量控制
3网络层寻址和路由选择路由、IP地址
2数据链路层帧传输、错误检测帧、MAC地址
1物理层传输比特流、物理介质信号、电缆

2. TCP/IP 四层模型

由美国国防部开发，是互联网的实际标准：

层数名称对应OSI层协议示例
4应用层5–7HTTP, FTP, DNS
3传输层4TCP, UDP
2互联网层3IP, ICMP
1网络接入层1–2Ethernet, WiFi

[!IMPORTANT]

本书的五层协议体系结构

它将庞大而复杂的网络通信过程分解为五个逻辑层，每一层都建立在下一层的基础上，并为其上一层提供服务。

这种分层思想的精髓在于：每一层只关心自己层内的功能，并使用下一层提供的服务，而无需关心下层是如何实现的。这极大地简化了设计和排查过程。

一个生动的比喻：公司文件传递

想象一下，你们公司（应用层）的北京分部要向上海分部寄送一份重要的合同（数据）。

  1. 应用层：北京的总经理起草了合同内容（原始数据），并写上“致上海王总”（应用层头）。
  2. 运输层：秘书拿到合同，她不管内容是什么，只负责可靠寄送。她把合同放进一个专用信封，写上发件人和收件人的具体部门和人名（端口号），并登记在快递单上，确保如果丢失可以重发（TCP协议）。
  3. 网络层：快递公司收到信封。他们不关心部门和人名，只关心城市地址。他们在信封外再套一个大信封，写上北京的源IP地址和上海的目标IP地址（IP协议），并规划最佳的运输路线（路由）。
  4. 数据链路层：快递车负责把包裹从一个中转站运到下一个中转站（比如从北京集散中心运到天津集散中心）。司机不关心最终地址，只关心下一个中转站地址。他把大信封放进一个运输箱，写上“下一站：天津集散中心”的MAC地址。
  5. 物理层：最后，运输箱被装上卡车，通过高速公路、铁路或航空（网线、光纤、无线电波）真实地、以比特流的形式从北京运到了天津。卡车和路不关心箱子里是什么，只负责运输信号。

到了上海后，这个过程反过来，一层一层地拆开信封，最终将合同内容送达给上海的王总。

五层协议详解

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应用层
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传输层：进程到进程【相较于网络层，颗粒度更细，加强了网络层的服务】
//主机---路由器交换机---路由器交换机---路由器交换机---...---主机
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网络层：提供源主机到目标主机之间的数据交互（端到端）；尽力而为 best effort（没有保障）
E2E(end to end)包含若干个P2P（点到点 point to point）
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链路层（以帧为单位）（相邻两点）
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物理层：在发送时把数字信号变成物理信号，借助物理介质传送给另一个网卡（比如网线、光纤，media处于第零层，在物理层之上）

1. 物理层

  • 功能：在物理介质上传输原始的比特流（就是0和1）。它定义了接口的物理特性（如网线水晶头的形状）、电气特性（如电压大小代表0或1）、功能特性等。
  • 关键概念：比特流、信号同步、调制解调器、中继器、集线器。
  • 数据单位：比特。
  • 协议示例：RS-232, V.35, 1000BASE-T（千兆以太网物理标准）。
  • 好比：负责把文字变成摩斯电码（0和1）并通过电线传输出去。

2. 数据链路层

  • 功能：负责在同一个局域网内，通过MAC地址识别设备，进行可靠的数据帧传输。它将物理层传来的可能出错的比特流组装成“帧”，并进行差错检测（如CRC校验），但不纠错。
  • 关键概念：帧、MAC地址、交换机、差错检测。
  • 数据单位：帧。
  • 协议示例：以太网协议、PPP、HDLC。
  • 好比：给摩斯电码加上开始和结束标记，组成一封信，并检查这封信在传输过程中有没有被干扰出错。负责“一跳”的传输（比如从你的电脑到家里的路由器）。

3. 网络层

  • 功能：负责在不同的网络之间（即从源主机到目标主机）进行逻辑寻址和路径选择。这是整个体系结构的核心，它使得互联网成为可能。
  • 关键概念：IP协议、IP地址、路由器、路由选择、分组交换。
  • 数据单位：数据包（或分组）。
  • 协议示例：IP、ICMP、ARP、OSPF、BGP。
  • 好比：根据最终收件人的IP地址（相当于城市名和街道名），规划信件从北京到上海的整个路线，并决定在每个路口（路由器）该往哪个方向走。负责“端到端”的传输。

4. 运输层（传输层）

  • 功能：负责为两台主机进程之间的通信提供通用的数据传输服务。它管理数据的流量控制、差错恢复（重传）和确保可靠性。
  • 关键概念：端口号（用于标识具体应用程序）、TCP、UDP、流量控制、拥塞控制。
  • 数据单位：报文段（TCP）或用户数据报（UDP）。
  • 协议示例：TCP（可靠的、面向连接的）、UDP（不可靠的、无连接的）。
  • 好比：总经理把信交给秘书（TCP），秘书负责确保信能可靠地送到对方秘书手中。如果信丢了，秘书会再寄一份。端口号则指定这封信是给总经理的还是给财务部的。

5. 应用层

  • 功能：最靠近用户的一层，为应用程序提供网络服务接口。它定义了应用程序如何交换信息。
  • 关键概念：各种应用协议、用户接口。
  • 数据单位：报文。
  • 协议示例：HTTP（网页）、HTTPS、DNS（域名解析）、FTP（文件传输）、SMTP/POP3（电子邮件）、WebSocket。
  • 好比：公司的总经理起草合同内容（应用数据），并指定这封信是商业合同（HTTP协议）而不是私人信件。

数据封装与解封装过程

当您发送数据时，数据会从应用层开始，自上而下地打包（封装），每经过一层都会加上该层的头部信息（和尾部）。 当接收方收到数据时，会自下而上地拆包（解封装），每经过一层都会去掉相应的头部，并执行该层的操作，最终将原始数据送达给目标应用程序。

发送端（封装）：原始数据 -> +应用层头 -> +运输层头 -> +网络层头 -> +数据链路层头尾 -> 比特流 接收端（解封装）：比特流 -> 去掉数据链路层头尾 -> 去掉网络层头 -> 去掉运输层头 -> 去掉应用层头 -> 原始数据

总结

这个五层模型是一个完美的学习工具，它清晰地勾勒出了网络通信的全貌：

  • 物理层管“信号”
  • 数据链路层管“帧”和“MAC地址”
  • 网络层管“包”和“IP地址与路由”
  • 运输层管“段”和“端口与连接”
  • 应用层管“报文”和“具体应用内容”

六、OSI 与 TCP/IP 对比

对比项OSI 模型TCP/IP 模型
层数7层4层
适用范围理论指导实际应用
协议支持较少实际协议互联网标准协议
普及度教学和设计参考广泛使用

七、关键术语总结

  • 数据封装：数据在发送时每层添加头部信息，接收时逐层解封装
  • 对等通信（Peer-to-Peer）：同一层之间的逻辑通信
  • MAC地址：数据链路层使用的物理地址
  • IP地址：网络层使用的逻辑地址
互联网计算
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