408笔记📚

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一、计算机网络概述 ​

1. 基本概念 ​

1.1. 组成：边缘部分，核心部分 ​

  • 边缘部分：直接连接在因特网上的主机（用户）；

  • 核心部分：大量网络和连接这些网络的路由器（提供连通性，数据交换功能）；

  • 图示：

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1.2. 分类 ​

  • 按作用范围分类：

    • 广域网（WAN，Wide Area Network）

    • 局域网（LAN，Local ...）

    • 城域网（MAN，Metropolitan ...）

    • 个人区域网（PAN，Personal ...）

  • 按使用者分类：

    • 公用网

    • 专用网

  • 按拓扑结构分类：

    • 星形

    • 总线

    • 环形

    • 树形

    • 网形

1.3. 主要性能指标 ​

  • 速率：比特 bit，b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s；

  • 带宽：数字信道所能传送的最高数据率，单位 bit/s，bps；

  • 时延：数据块从节点进入到传输媒体所需要的时间；

    • 发送时延：从发送数据帧的第一个bit算起到该帧最后一个bit发送完毕所需时间；

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    • 传播时延：电磁波在信道中传播花费的时间

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      • 区分：信号的发送速率和信号在信道上的传输速率

    • 处理时延：交换节点进行数据处理花费的时间（了解）；

    • 排队时延：节点缓存队列中分组排队产生的时延（了解）；

    • 总时延：

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    • 案例：从节点 A 向节点 B 发送数据：

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  • 往返时间 RTT：发送方发送数据开始，到发送方收到接收方确认所经历的时间；

  • 信道利用率：信道有数据通过时间的占比；

2. 体系结构 ​

2.1. 计算机网络的分层结构 ​

  • 划分层次的必要性

    • 数据交换必须遵守事先约定好的规则；

    • 明确规定数据交换的格式和同步问题（时序）；

    • 网络协议（Network Protocol，简称协议）是网络中数据交换的规则，标准或约定；

  • 计算机网络的体系结构定义

    • 体系结构（architecture）是计算机网络的各层及其协议的集合；

    • 体系结构是计算机网络及其部件所应完成功能的精确定义；

    • 实现（implementation）是遵循上述体系结构的前提下用硬件和软件来实现各项功能；

    • 体系结构为抽象概念，实现为具体方案，是具体运行的计算机软硬件；

2.2. 计算机网络的协议，接口和服务 ​

  • 协议（Protocol）

    • 协议总是指某一层的协议，是对某层同等实体之间的通信规则集合；

    • 三个要素：语法（Syntax），语义（Semantics），同步（Timing）；

      • 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；

  • 接口（Interface）：又称服务访问点，是同一系统相邻两层的实体进行交互的地方；

  • 服务（Service）：为保证上层实体间的通信，由下层实体向上层提供的功能；

  • 实体（Entity）：表示可以发送或接受信息的硬件或软件；

  • 协议和服务图示

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2.3. ISO/OSI 参考模型和 TCP/IP 模型 ​

  • ISO/OSI 参考模型

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    • 分层概览

      • 底部三层（物理，数据链路，网络）：依赖网络，需要相关通信协议；

      • 中间传输层：为顶部三层提供相关接口，方便使用底部层的服务（也起到遮蔽作用）；

      • 顶部三层（应用，表示，会话）：面向用户和应用，需要终端交互协议；

    • 逐层分析

      • 物理层：在信道上传输的原始比特流；

        • 实现电压到 0/1 的转换，一个 bit 对应电压的持续时间，在两个方向上同时传输等；

        • 处理机械和电气过程的结构，以及物理传输介质等问题；

        • 关键技术：信号与接口；

      • 数据链路层：沿着网络在相邻节点间传输数据的技术规范；

        • 负责产生和识别数据帧之间的边界；

        • 帧（Frame）是信息单位，每一帧包含数据和必要的控制信息；

        • 控制信息包括：同步信息（开始和结束），地址信息，错误控制信息和流量控制信息等；

      • 网络层：确定分组从源端到达目的端的路由；

        • 是通信子网的最高层，任务是：选择合适的路由和交换节点，以透明地向目的站传输所发送的分组信息，路由选择是网络层主要工作之一；

        • 网络层传输数据的单位是分组，即将报文分割成等长的组；

      • 传输层：负责从会话层接收数据，必要时将数据分成较小的单位，传递给网络层，同时确保发送给对方的各段信息无误；

        • 传输层是真正的源到目标的“端到端”层；

        • 源端的某程序，利用报文头和控制报文和目标端的类似程序进行对话；

      • 会话层：允许不同机器上的用户建立对应关系，同时提供某些应用相关的增强服务会话；

        • 用途：远程登录，远程传递文件等；

        • 同时还负责管理同步对话。使得网络崩溃后仅需要重传最后一个校验点后的数据；

      • 表示层：管理面向应用的信息语法和语义；

        • 网络交换中使用的数据结构以抽象的方式来定义，并采用标准的编码方式；

        • 表示层管理这些抽象的数据结构，并在计算机内部的表示法和网络标准表示法间转换；

        • 例：微信中的表情包编码和显示；

      • 应用层：直接为用户服务的程序所执行的功能；

        • 应用层包括的功能最多，协议也很多（如虚拟终端协议 VTP）；

        • 例：文件传输，电子邮件，远程事务处理等；

  • TCP/IP 模型（广泛应用，已成为事实上的国际标准）

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    • 网络（网际）层：负责把分组发往任何网络，并使分组独立地传向目的地（中间可经过不同物理网络）

      • 到达的顺序和发送顺序可能不同，因此有时需要排序；

      • 定义了标准的分组格式和协议（即 IP 协议）；

      • 主要问题：选择分组路由，避免阻塞；

    • 传输层：使源端和目标端主机上的对等实体可以进行通信，类似于 OSI 的传输层；

      • 传输控制协议 TCP：面向连接的协议，允许从一台机器发送的字节流无差错地发送给网上的其他机器；

      • 用户数据报协议 UDP：不可靠地无连接协议，应用于单次的 User-Server 模式的请求—应答式查询；

        • 可以快速传输一些对速度要求更高（相对于准确性）的数据，如语音和图像；

    • 应用层：包含所有高层软件的协议

      • 文件传输协议 FTP；

      • 电子邮件协议 SMTP；

      • 邮局协议 POP；

      • 域名服务 DNS：用于将主机名称映射到 IP 地址；

      • HTTP 协议；

    • 五层结构的体系结构—事实模型：把 OSI 的低两层和 TCP 的高三层结合作为 TCP 协议的结构

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      • 实际应用中采用的模型，也是教学大纲考点；

  • 案例分析：数据在五层结构之间的传输

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    • H5：应用层首部，用于应用内部解析消息内容；

    • H4：传输层首部，用于指示传输层应该把数据给哪个应用（一般是端口号）；

    • H3：网络层首部：核心内容为 IP 地址；

    • H2,T2：链路层：标志链路的起点和终点；

  • OSI 参考模型 vs. TCP/IP 模型（了解）

    • OSI 参考模型

      • 层次的数量和内容选择不是很好；

      • 寻址，流程控制，差错控制在每一层里重复出现，降低系统效率；

      • 数据安全性在设计初期被忽略；

      • 用通信的思想来设计模型，不适合计算机和软件的工作方式，使得严格按照此模型编排的软件效率低；

    • TCP/IP 模型

      • 在服务、接口与协议的区别上不很清楚，一个好的软件工程应该将功能与实现方法区分开，参考模型不适合于其它非TCP/IP协议族；

      • TCPP/IP 参考模型的主机-网络层本身并不是实际的一层；

      • 物理层与数据链路层的划分是必要和合理的，而TCP/IP参考模型却没有做到这点。

  • TCP/IP 中的主要协议结构（重点）

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