计算机网络学习笔记_网络的定义和特征cdsn

一、计算机网络的定义及其特点

大众熟悉的三种网络：电信网络，有线电视网络，计算机网络

发展最快的并起到核心作用的是计算机网络，前两者逐渐都融入到了计算机网络当中，称作“三网合一”。

互联网（专用名词）：特指使用TCP/IP标准，利用路由器将各种计算机网络互连起来而形成的一个覆盖全球的、特定的互联网
互连网（通用名词）：泛指多个不同类型计算机网络互连而成的网络，除TCP/IP协议外，还可以使用其他协议

互联网基础结构发展的三个阶段：
第一阶段：从单个网络ARPANET向互联网发展的过程
第二阶段：建成三级结构的互联网
第三阶段：形成了多层次ISP（Internet Service Provider）结构的互联网


IXP：互联网交换中心（Internet Exchange Point）

二、互联网的组成

1.互联网边缘部分
端系统之间通信的含义：“主机A和主机B进行通信”，实际上是指：“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。即主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信，简称为“计算机之间通信”

端系统之间的通信方式：

• 客户/服务器(C/S)方式
  
  客户软件特点：

  • 被用户调用后运行，在打算通信时主动地向远地服务器发起请求（请 求服务），因此，客户程序必须知道服务器地址
  • 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统，因为它可以不需要进行复杂的处理，把一些相关的处理交个服务器来完成

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  服务器软件特点：

  • 

• 对等方式(P2P)方式
  

2.互联网核心部分

在网络核心部分中，如何将数据从一台主机传输到另一台主机可以采用不同的交换技术，典型的交换技术有：

• 电路交换
• 分组交换（将报文划分成数据段）
• 报文交换
  互联网核心部分采用了分组交换技术

路由器：

• 在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线
• 路由器处理分组的过程是：
  1.把收到的分组先放入缓存(暂时存储)
  2.查找转发表，找到某个目的地址应从哪个端口转发
  3.把分组送到适当的端口转发出去

主机和路由器的作用不同：

• 主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组
• 路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付主机

分组交换优点：
分组交换缺点：

计算机网络类型：

1.按照网络作用范围分类：

• 广域网
• 城域网
• 局域网
• 个人区域网
  2.按照网络的使用者进行分类
• 公用网
• 专用网
  
  3，用来把用户接入到互联网的网络

* 从覆盖的范围来看，很多接入网还是属于局域网

• 从作用上看，接入网只是起到让用户能够与互联网连接的“桥梁”的作用

计算机网络的性能指标

• 速率
• 带宽
• 吞吐率
• 时延
• 时延带宽积
• 往返时间RTT
• 利用率
  *

具有五层协议的体系结构

OSI的七层体系结构概念清楚，理论也比较完整，但他既复杂又不实用
TCP/IP是四层体系结构：应用层，运输层、网际层和网络接口层，但最下边的网络接口层没有具体内容

五层协议体系结构：

• 应用层：通过应用进程间的交互来完成特定网络应用，应用层协议定义的是应用程序之间通信交互的规则

• 运输层：负责两台主机中进程之间的通信，提供通用的数据传输服务，运输层主要使用以下两种协议：

  1. 传输控制协议TCP，是提供面向连接的，可靠的数据传输服务，数据传输单位是报文段
  2. 用户数据报协议UDP提供无连接的，尽最大努力的数据传输服务，不保证数据传输的可靠性，数据传输单位是用户数据报

• 网络层：为分组交换网上的不同主机提供通讯服务，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；由于网络层使用IP协议，因此分组也叫做IP数据报或简称为数据报。
  网络层的另一个任务就是选择合适的路由使原主机运输层所传输下来的分组能够通过网络中的路由器找到目的主机。 网络层也叫做网际层或IP层

• 数据链路层：数据链路层将网络层传输下来的IP数据报组装成帧，在两个相邻节点的链路上传输帧

• 物理层：物理层上传输的数据单位是比特，因此物理层要考虑用多大的电压代表1或0以及接收方如何识别出发送方所发送的比特，物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少引脚以及各引脚如何连接。解释比特的含义并不是物理层的任务

路由器在转发分组是只需要网络层、数据链路层、物理层三层协议

数据链路层：

点对点信道采用ppp协议(点对点协议)

协议字段：2个字节，用于表示信息部分所包含信息的类型

广播信道采用：

局域网的数据链路层
局域网拓扑结构：星型，环型，总线型

局域网传输媒体：双绞线，光纤，无线电波
为了解决如何使用户合理而方便的共享通信媒体资源，因此有以下两种媒体划分方法：

静态划分信道：划分代价较高，
信道利用率较低，不适合局域网使用
随机接入：所有用户都可以随机的发送信息，如果恰巧有两个或者更多的用户在同一时刻或者同一时间间隔内发送信息，那么在共享媒体上就会产生碰撞，即发生冲突，是的这些用户的发送都失败，因此，必须要有解决碰撞的协议
受控接入：用户不能随机的发送信息
目前，随机接入在局域网中使用的较为普遍，受控接入使用的较少




适配器所实现的功能包含了数据链路层和物理层两个层次的功能

CSMA/CD协议

CSMA/CD协议是一个媒体接入控制协议（MAC协议），是一种随机接入方法，允许站点以征用的方式随机的获得共享信道的使用权

重新发送时间确定算法：

其中：争用期为51.2us表示，单次端到端传播时延为25.6us，争用期内传播数据量为： 51.2us × 10Mbit/s = 512bit = (512 / 8)byte = 64 byte

由于以太网的覆盖范围实际上只有1km，所以所有的以太网都能在争用期51.2us内检测草可能发生的碰撞

以太网的MAC层

MAC层的硬件地址

• 在局域网中硬件地址 又称为物理地址，或MAC地址
• 该地址唯一的标识了局域网中的一个网络接口，这个48位地址是固化在网络适配器（即网卡，或者网络接口卡或者NIC）上的，如果更换了网卡，那么MAC地址也会发生变化。
• 但是如果地理位置变了，但是适配器没有变，那么该计算机局域网的地址就是不变的，显然MAC地址并不能告诉我们这台主机位于什么地方
• 如果连接在局域网上的主机或者路由器安装有多个适配器，那么这样的主机或路由器就有多个“地址”，因此更准确的说，这种48位地址应当是某个接口的标识符

由于6字节的MAC地址可以有更多的地址，所以大多数厂家使用的都是6字节的MAC地址

* 单播帧：收到帧的MAC地址与本站的硬件地址相同

• 广播帧：发送给局域网上所有站点的帧
• 多播帧：发送给局域网上一部分站点的帧

MAC帧的格式：
1.DIX Ethernet V2标准
2.IEEE的802.3标准
最常用的MAC帧是以太网V2的格式，这两种帧格式只有细微的差别，可以在局域网上共存

以太网V2的MAC帧格式：

类型字段：是用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据交给上一层的这个协议
数据字段：数据字段的正式名称是MAC客户数据字段，最小长度64字节 - 18字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度（46字节）， （以太网最短有效帧为64字节，上边计算过）
当数据字段的长度小于46字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网MAC帧长不小于64字节
FCS：帧校验序列，使用CRC校验

为了表示一帧的开始，发送方的网络适配器(NIC,即网卡)在帧的前边通过硬件插入8个字节，前7个字节称为前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步，最后1个字节是帧开始定界符，表示之后就是真正的MAC帧了

在物理层扩展以太网

数字信号通过实际的信道时会产生失真现象，随着距离的增加，有效的数据信号强度不断衰减，因此信号的传播距离是有限的，对以太网来说就是其覆盖的地理范围是有限的
光纤调制解调器作用：实现光信号和电信号的相互转换

在数据链路层扩展以太网

扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行
早期使用网桥将多个以太网互联在一起，现在使用以太网交换机

以太网交换机特点：

主机与主机之间有回路会产生兜圈子现象，即广播风暴，会白白消耗网络资源
生成树协议STP要点是：不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除兜圈子现象

虚拟局域网

局域网存在的问题：扩展性，安全性，可管理性
在总线以太网和利用集线器在物理层扩展的以太网中，所有计算机都处于同一个碰撞域和同一个广播域中，一台计算机发送会与其它计算机发送产生碰撞，争用同一个带宽
广播域：指的是这样一部分网络，其中任何一台设备发出的广播通信都能被该部分网络中的其他设备所接收

划分虚拟局域网（VLAN）的5种方法

1.基于交换机端口
是最简单也是最常用的方法，划分方法是将交换的的端口划分到不同的虚拟局域网
从网络体系结构上看，这种方法属于在第一层划分虚拟局域网的方法
缺点是：不允许用户移动
假如客户端连接到了另一台交换机的某个端口上，则需要管理员重新配置VLAN

2.基于计算机网卡的MAC地址
交换机记录哪个MAC地址属于哪个VLAN，当计算机连接到交换机的某个端口时，交换机可以获得该计算机的MAC地址，然后将其分配到指定的VLAN中，由于MAC地址是固化在网卡上的，不会随着用户的移动而改变，因此这种方法允许用户移动
从网络体系结构上看，这种方法属于在第二层划分虚拟局域网的方法
缺点：当用户较多时，需要输入和管理大量的MAC地址，如果用户的MAC地址改变了，则需要用户重新配置VLAN

3.基于协议类型
它根据以太网帧的第三字段“类型”字段确定该类型的协议属于哪一个VLAN
从网络体系结构上看
这种方法属于在第二层划分虚拟局域网的方法

4.基于IP子网地址
根据以太网帧的第三个字段“类型”字段和IP分组首部中的源IP地址字段确定该IP分组属于哪一个VLAN
这种方法属于在第三层划分虚拟局域网的方法

5.基于高层应用或服务

以太网交换机是如何区分不同虚拟局域网通信的呢？

这样，当以太网交换机收到一个以太网MAC帧时，该帧要么已经有了4个字节的VLAN标记字段，要么是一个标准的以太网帧，需要交换机插入4个字节的VLAN标记字段；如果收到的帧来自其他交换机，则那个交换机已经插入了4个字节的VLAN标记字段；如果收到的帧来自某台计算机，则该帧是一个标准的以太网帧

扩展：

争用期是5.12us，是10Mbit/s以太网的十分之一

网络层

网络层的两种服务策略：
虚电路服务：让网络来负责可靠交付，通讯之前先建立虚电路，以保证通讯双方所需要的一切通讯资源，如果再使用可靠传输的网络协议，就可以使发送的分组无差错、按序的到达终点，不丢失，不重复。
虚电路表示这只是一条逻辑上的连接，分组都按照逻辑连接进行存储转发发送，而并不是真正建立了一条物理连接
数据报服务：网络应该提供数据报服务，网络层向上只提供简单灵活的无连接、尽最大努力交付的数据报服务，网络在发送分组时不需要先建立连接，每一个分组，即IP数据报独立发送，与其前后分组无关，网络层不提供服务质量的承诺，即传送的分组可能出错、丢失，重复和失序。运输层负责可靠交付

网际协议IP是TCP/IP中两个最重要的协议之一，与IP协议配套使用的还包括：地址解析协议arp（完成主机的IP地址到硬件地址的映射过程），网际报文控制协议ICMP， 网际组管理协议IGMP




IP地址及其表现方法：IP地址就是给每个连接在互联网上的主机（或者路由器）分配一个在全世界范围是唯一的32位标识符



A类、B类、C类都是单播地址
注：网络号全0的IP地址是个保留地址，意思是本网络。
网络号为127(A类网络)保留作为本地软件环回测试本主机进程之间的通信。
网络号为127的IP地址根本不是一个网络地址

A类中网络号为0或者127
B类中网络号为128.0
C类中网络号为192.0.0
这些网络号都是不指派的

当IP地址中的主机号为全0或全1时，该IP地址也保留作为内部网络之用，其不是一个有效的网络地址
全0的主机号字段表示该IP地址是本主机所连接到的单个网络地址，如一主机的IP为4.2.1.7，则该主机所在的网络地址就是4.0.0.0
全1的主机号字段表示该网络上的所有主机。

IP地址和硬件地址

IP地址和硬件地址是不同的地址
从层次的角度看：
1.硬件地址(或者物理地址)是数据链路层和物理层使用的地址
2.IP地址是网络层和以上各层使用的地址，是一种逻辑地址(称IP地址是逻辑地址是因为IP地址是用软件实现的)

地址解析协议ARP

超过地址映射有效时间的项就从高速缓存中删除，防止高速缓存过大，查找时间过慢

ARP请求分组是采用广播式发送的，路由器不转发ARP请求，也就是说ARP请求分组只在本网络内有效，因为它是本地的MAC广播

当主机A要向本局域网上的某台主机B发送IP数据报时，A运行ARP协议，解析B的硬件地址
ARP响应分组是以单播的方式发送给请求主机A