计算机网络-概述

光之优雅

概览

计算机网络定义
计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成，通过这些硬件，可以传送不同类型的数据，并且可以支持广泛和日益增长的应用。
需要注意的点

• 计算机网络不是软件概念，还包括硬件设备
  
• 计算机网络不仅仅是信息通信，还可以支持广泛的应用
  

根据网络的作用范围，可以将计算机网络分为广域网（WAN）、城域网(MAN)、局域网(LAN)。如图：各个计算机网络的介绍


根据网络的使用者划分，分为公用网络、专用网络。
计算机网络的发展历史

如图：互联网历史发展的阶段


第一阶段


第二阶段


第三阶段
ISP：网络服务提供商


如图：中国互联网的发展阶段


中国当前最大的共用计算机网络


计算机网络层次结构

计算机网络为什么使用层次结构的设计？
第一，需要保障数据通信顺畅；第二，能识别目的计算机；第三，通过计算机网络，计算机可以查询到目的计算机的状态；第四，计算机网络可以保障数据不会出错。因此，计算机网络采用分层设计，分层实现不同的功能。
如图：计算机网络层次结构的例子


计算机网络层次设计的基本原则

• 各层是相互独立的
  
• 每一层有足够的灵活性
  
• 各层之间完全解耦：也就是说某一层变化，不影响其他层次的稳定
  

OSI七层模型


OSI制定标准时，想成为全球计算机都遵循的标准，但是困难重重，TCP/IP在全球成功地运行了。
为什么OSI没有成为全球计算机市场的标准呢？

• OSI的专家缺乏实际经验
  
• OSI的标准制定的周期过长，按照OSI标准生产的设备无法及时进入市场
  
• OSI模型设计不合理，一些功能在多层中重复出现
  

如图：TCP/IP四层模型


如图：TCP/IP四层模型与OSI模型的对应关系


如图：TCP/IP四层模型各层的协议，中间窄、两端大的形状


如图：计算机A通过路由器传输到计算机B的例子


现代计算机的网络拓扑

网络拓扑分为边缘部分、核心部分。
如图：边缘部分-家庭


如图：边缘部分-企业


如图：网络核心部分结构


如图：现代互联网的网络拓扑树状图，也就是将边缘部分和核心部分连接起来


计算机网络性能指标

网络速率指标单位是bps=bit/s，评测计算机网络性能的两个指标：时延、往返时间RTT。
时延分为发送时延、传播时延、处理时延、排队时延。
发送时延
数据长度由用户决定，发送速率由计算机网卡决定


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机器被处理所花费的时间。
总时延
总时延=发送时延+排队时延+传播时延+处理时延
关于时间的另一个指标——往返时间RTT，评估网络质量的重要指标。RTT表示数据报文在端到端通信中的往返一次的时间。通常使用ping命令查看RTT。
物理层的概述

连接不同物理设备的介质

• 双绞线：分为无屏蔽双绞线、有屏蔽双绞线
  
• 同轴电缆
  
• 光纤
  
• 红外线
  
• 无线信号
  
• 激光
  

物理层作用

• 连接不同的物理设备
  
• 传输比特流
  

物理层特性

• 机械特性
  
• 电气特性
  
• 功能特性
  
• 过程特性
  

信道的定义
往一个方向传送信息的媒体，一个通信电路往往包括一个接收信道和一个发送信道。
根据信道的不同，通信电路分为

• 单工通信信道：只能一个方向通信，没有反方向反馈的信道。
  
• 半双工通信信道：双方都可以发送以及接收信息，但是双方不同同时发送或者接受。
  
• 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
作用
有很多计算机之间需要连接，很多时候计算机处于关机状态，这会导致信道的利用率不高，可以通过分用-复用技术提高信道的利用率。
如图：分用-复用技术原理


分用-复用技术用到了哪些技术

• 频分复用
  
• 时分复用
  
• 波分复用
  
• 码分复用
  

数据链路层

数据链路层的三个基本功能：封装成帧、透明传输、差错检测。
帧：数据链路层中，数据的基本单位。
封装成帧的定义
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的标记，识别出“帧”。
封装成帧的过程
网络层把一些IP的数据报传送到数据链路层，数据链路层接收到数据之后，就会把它看成是“帧”的数据，然后会在数据帧的前后分别添加标记，从帧首部到帧尾部的长度就是数据帧的长度。帧的首部和尾部实际上是特定的控制字符（特定的比特流）。如图：封装成帧的过程


如果数据里面恰好有帧首部和帧尾部的比特流，怎么办？如图：


可以通过透明传输解决。
什么是透明？
控制字符在帧数据中，但是要当做不存在处理
透明传输的处理方法
在数据包里的控制字符前面加上转义字符。如图：ESC表示转义字符


差错检测
由于物理层只负责传输比特流，无法控制是否出错，数据链路层负责“差错检测”的工作
数据链路层的差错检测

奇偶校验码
是一种简单的检测差错的方法，在比特流的尾部添加一位比特位来检测比特流。
过程
将比特流相加，如果得到奇数，就在比特流后面+1；如果得到偶数，就在比特流后面+0。通过奇偶校验码可以得到传输过程中比特流是否错误




奇偶校验码的局限性
如果比特流发生了两位的错误，将比特流相加，就会发现奇偶没变化，从而无法检测出比特流错误。
铺垫知识：模“2”除法
与算数除法类似，但是模“2”除法不借位，实际上是异或的操作。如图：异或运算，两个比特位不一样，结果为1，反之为0。


循环冗余校验码（CRC）
定义
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。
过程
生成的数字计算出来，并且附加到数据后面。
步骤

• 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的数据，使用模“2”除法，除以多项式的位串
  
• 得到的余数填充到原数据r个0的位置，得到可验证的位串
  

例子：使用CRC计算101001的可校验位串，如图






小结

• CRC的错误检测能力与位串的阶数r有关
  
• 数据链路层只进行检测，不进行纠正
  

常用的CRC多项式


最大传输单元MTU

MTU的作用
数据链路层所传输的数据帧也不是无限大的，MTU用来描述所能传输的最大数据帧。如图：


数据帧过大或者过小，都会影响传输的效率，MTU受限于物理硬件的特性，以太网的MTU一般是1500字节。
路径MTU
如图：从计算机A传输到计算机B的MTU，整个路径的MTU是1492


以太网协议

MAC地址
也称之为物理地址、硬件地址，每一个设备都拥有唯一的MAC地址。MAC地址有48位，使用十六进制表示。
以太网地址
是广泛使用的局域网技术，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。如图：以太网数据的格式，单位都是字节


MAC地址表：记录MAC地址和相应的硬件接口的映射关系，MAC地址表会放到路由器上，如图：


如图：计算机A发送数据给计算机C的过程






如果路由器的MAC地址表不知道C的硬件接口，计算机怎么传输数据呢？




新的问题
如图：


通过MAC地址表（数据链路层），只能进行相邻物理节点的传输，如果想跨设备传输，比如从A传到B，或者从A传到C，应该怎么做呢？
通过网络层可以解决

信你个鬼

报告！别开枪，我就是路过来看看的。。。