计算机网络从0到1系列 | 总述

梦里梦外; 2023-05-31 10:14 3阅读 0赞

整个世界都变得安静了。。。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDI5NzMwMw_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
今天我们要讲的是，计算机网络的一个概述，我决定将计算机网络按每个层次来划分，每个层次写一篇博客，带大家认识计算机网络，弥补非计算专业人群的网络知识短板，预计会在一个月以内完结整个计算机网络系列的分享，敬请期待！

# **1、计算机网络为用户提供了什么？** #

首先，我们得知道计算机网络为用户提供了什么？  
我们想想，在日常生活中，我们通常用电脑干啥呢？  
无非就是查资料、写文档、听歌、微信或QQ聊天之类的。  
就微信聊天而言，我们是不是要发送消息，接收消息呀，而且还是瞬间就能够完成的，所以计算机网络为你**提供了迅速传送数据文件的服务**，**以及从网络上查找获取各种资料，图像，视频文件，音频文件等服务**，你看你现在看我写的博客，是不是正在享受计算机网络给你提供的服务呢？

# 2、什么是ISP? #

ISP 的英文全称为 Internet Server Provider ，翻译过来就是**因特网服务提供商**。  
那么ISP在计算机网络中又充当一个什么角色呢？  
ISP可以从英特网管理机构申请到成块的IP地址，同时得拥有通信电路以及路由器等联网设备。简单来说，ISP要有很多IP地址，拥有通信电路和路由器等支持联网的设备，给用户提供能够上网的服务。 所以，任何机构或个人只要向ISP支付规定的费用，就能从ISP那里获得IP地址，并且通过该ISP接入到英特网。 如果不信你现在就可用浏览器百度搜索‘IP地址查询’，你就能看到ISP给你分配的IP了。  
我们通常说的上网就是指的“通过某个ISP接入互联网”。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDI5NzMwMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

# 3、英特网的组成 #

英特网由边缘部分和核心部分组成！

## 3.1 边缘部分 ##

什么是英特网的边缘部分？  
所有的计算机都位于因特网的边缘部分，换句话说就是因特网的边缘部分就是连接因特网的所有主机。这些主机称为端系统，端是末端的意思。

边缘部分的端系统的进程间有两种通信方式：客户-服务器方式和对等连接方式。  
可能会有读者不清楚进程的概念，这里简单说一下：**进程就是计算机中正在运行的程序**。**主机A和主机B之间的通信也就是主机A上的某个进程和主机B上的某个进程进行通信**。

### 3.1.1 客户-服务器方式 ###

客户-服务器方式（C/S 方式）在因特网上是最为常见的一种通信方式，客户端和服务端相互独立，当然通信的时候，客户端和服务端都是正在运行的应用程序，前面也说了，计算机通信的本质是计算机中的某个进程之间的相互通信。  
在这，可以简单理解为：**客户是服务请求方，服务器是服务提供方**。

对于**客户程序**而言，它**需要知道服务端的地址**，才能向服务端发起通讯请求。

对于**服务器程序**而言，它**在系统开机后就一直运行着，等待来自客户程序的通讯请求**，不需要知道客户端的地址，但是由于客户端数量多，请求多，所以服务器程序**需要强大的操作系统和硬件支持**。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDI5NzMwMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

### 3.1.2 对等连接方式 ###

对等连接就是**P2P**，只要两台主机都安装了P2P软件，他们就可以进行平等的、对等的连接通信，这个时候，双方都可以下载对方存储在硬盘中的共享文件，这种方式也叫P2P文件共享。还是简单一句话概括吧：**P2P文件共享方式的主机，它既是客户端也是服务器，在下载资源的同时也在上传资源。**

## 3.2 核心部分 ##

核心部分主要是**向边缘部分的主机提供连通性，使边缘部分的主机能够互相通信！**  
核心部分**由许多网络和将他们连接起来的路由器组成**。  
在核心部分其特殊作用的就是路由器，路由器是一种专用计算机，不是主机。**路由器**是实现**分组交换**的一种关键构件，任务也很简单，**转发收到的分组**。

要弄清楚分组交换，我认为很有必要先弄清楚什么是电路交换！

### 3.2.1 电路交换的主要特点 ###

两部电话通信只需要一根电线就OK了，而三部电话互相通信需要三根电线，这样依次下去，电话数量越多需要的电线数量就会大大增加，所以这是行不通的，所以人们就发明了交换机，如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDI5NzMwMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
这样每个电话只需要一根线连接交换机就可以相互通信了。当电话急剧增多后，用同样的方式将所有运用的交换机连接起来，这样利用很多彼此连接起来的交换机就构成了覆盖全世界的电信网。

从**通信资源分配**来分析，**交换就是按照某种方式动态的分配传输线路的资源**。使用电路交换打电话拨号之前，你需要用手机拨号，请求连接，当被呼叫方接到交换机送来的拨号音并接通后，从主叫端到被呼叫端建立起一条专用的物理通路，这条专用的物理通路会一直保持，直到通话结束，在此期间保证了双方通话所需要的资源，这些资源不会被其他用户占用。通话结束后，这条通道所占用的资源释放，归还给电信网，其他用户可用！  
以上总共有三个步骤：**建立连接（占用通信资源）----通话（一直占用通信资源）-----释放连接（归还通信资源）**  
这三个步骤就是**电路交换**！

**在通话过程中，两个用户始终占用着端到端的通信资源，这是不适合用来传输计算机数据的！** 计算机传输数据往往是一瞬间就完成了的，根本就不需要一直连接着，把通信资源一直占用着，这样极大的浪费掉了通信资源。比如说我现在在写博客，一直在编辑文档，如果我和csdn的服务器一直保持连接，将通信线路一直占用着，那岂不是一直在浪费资源么，我提交数据也就那么一下，瞬间就能完成。

### 3.2.2 分组交换的主要特点 ###

分组交换采用的是**储存转发技术**，如下图所示，**如何将一个数据报文划分成一个个的分组：**

通常我们将要发送的一整块数据成为一个报文。在发送之前，先把较长的报文划分成多个较小的等长的数据段，然后在每一个数据段上加上首部。这时，首部+数据段就叫做一个分组或者包。首部也可以叫做包头，包含了目的地址、源地址等重要的控制信息，正是因为包头包含了这些重要的控制信息，每一个分组才得以在因特网中被正确的交付给目的主机。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDI5NzMwMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
**路由器的缓存转发分组过程**：  
如下图所示：

*  主机A向主机B发送数据，那么主机A会先逐个将分组发给路由器A
 *  路由器A会将接收到的分组放入缓存，然后在自己的路由表中查询，假设查询结果是应该把分组转发给路由器B，那么就将分组转发给路由器B
 *  路由器B接收到分组后，将分组加入缓存，然后查询自己的路由表，得知要转发给路由器C，那么将分组转发给路由器C。此时占用路由器B发送分组给路由器C的链路，并不占用网络其他部分的链路。
 *  路由器C将分组加入缓存，查询自己的路由表，发现是给主机B的，就发给主机B。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDI5NzMwMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
有几点需要说明一下：  
分组交换仅仅只是逐段地占用链路资源，就是说在哪传，就占哪的资源，并不像电路交换那样，将一整条链路都给占用了。

路由器暂时缓存的是一个个短小的分组，而不是一整个长长的报文，而且是缓存与路由器的内存中。

为了保证分组交换网的可靠性，因特网的核心部分采用的是网状拓朴结构，如果有少量的路由器、链路出现故障，那么其他路由器也能灵活的改变转发电路而不引起网络瘫痪。  
比如如图路由器B挂了，那么路由器A可以通过路由器E绕过路由器B，将分组发达主机B！

英特网的主干线路往往是由一些高速链路构成，可以快速的转发分组。

# 4、网络的分类 #

## 4.1 按作用范围分类 ##

### 4.1.1 广域网 WAN ###

广域网是因特网的核心部分，长距离运输主机所发送的数据。  
连接广域网的各节点之间的链路一般是高速链路，具有较大的通信容量。  
这一部分，我在后面不会着重来讲！

### 4.1.2 城域网 MAN ###

城域网的作用范围一般是一个城市，采用的是以太网的技术

### 4.1.3 局域网 LAN ###

局域网局限在一个非常小的范围（ 比如说校园网，企业内部的内网 ）但一般通过高速通信线路来连接，数据传输很快，后面会着重来讲！

### 4.1.4 个人区域网 PAN ###

个人区域网就是把个人工作的地方，把属于个人使用的设备用无线网络连接起来的网络。

## 4.2 从网络的使用者来进行分类 ##

### 4.21 公用网 ###

公网指的是由电信公司出资建造的大型网络，公用是指所有愿意按照电信公司的收费标准付费的用户可以使用这个网络。

### 4.22 专用网（私有网络） ###

专用网不向外界提供服务，只能内部使用的网络。

# 5、计算机网络的主要性能指标 #

## 5.1 速率 ##

速率就是**数据的传送速率**，也成为**数据率**或者**比特率**  
单位是**bit/s** 或 **b/s** 或 **bps**  
**一个比特（bit）就是二进制中的一个0或1** ，一个字节（byte 或 B）等于八个比特，也就是**1B=8bit**  
单位换算中，1024 B = 2的十次方 B = 1 K ， 1024 K = 1 M  
生活中常说的100M以太网就是速率为100M bit/s的以太网

## 5.2 带宽 ##

在计算机网络中，带宽用来表示**网络的通信线路传输数据的能力**。  
就是单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的最高数据率。  
单位： 比特每秒 （ bit/s ）  
所以**一条通信链路的带宽越宽，传输的最高速率就越高。**

## 5.3 吞吐量 ##

吞吐量是单位时间内通过某个网络（信道或接口）的数据量  
有时候也可以用每秒传送的字节数或者帧数来表示

## 5.4 时延 ##

时延是**指数据从网络的一段到另一端所需要的时间**。  
**时延也可以称为延迟或迟延**。

**总时延 = 发送时延 + 排队时延 + 处理时延 + 传播时延**

### 5.4.1 发送时延 ###

**发送时延是主机或路由器发送数据帧所需要的时间**。  
可以这样理解，从发送数据帧的第一个比特开始，到发送完数据帧最后一个比特所需的时间！

计算公式：

![在这里插入图片描述][2019102420332628.png]

### 5.4.2 处理时延 ###

**主机或路由器收到分组时要花费一定的时间进行处理**，比如分析分组的头部、从分组中提取数据部分、进行差错检验、查看路由表之类的，由此产生处理时延！

### 5.4.3 排队时延 ###

分组在进行网络传输时，要经过许多的路由器。但是**分组在进入路由器之后，要先在输入队列中排队，等待处理**。**在路由器确定了转发接口后，分组得再输出队列中排队等待转发**，从而产生排队时延！

当**网络的通信量很大时，会发生队列溢出，使分组丢失，那么相当于排队时延无穷大**！

### 5.4.4 传播时延 ###

传播时延是**电磁波在信道中传播一定距离所需要的时间。**

计算公式：  
![在这里插入图片描述][20191024204510387.png]  
电磁波:  
在自由空间中的传播速率是光速，3 x 10^5 km/s  
在铜线电缆中传播速率为 2.3 x 10^5 km/s  
在光纤中的传播速率为 2 x 10^5 km/s

### 5.4.5 时延模型简单记 ###

本博客中所有截图均是博主所绘，用于帮助各位读者理解！  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDI5NzMwMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

## 5.5 利用率 ##

### 5.51 网络利用率 ###

网络利用率是全网络所有信道利用率的加权平均值

### 5.52 信道利用率 ###

信道利用率是指信道是有百分之几的时间是被利用了的，也就是说**信道是有百分之几的时间有数据通过**。  
值得一提的是，**信道利用率并不是越大越好**，如果信道利用率达到了百分之百，那么整个信道就瘫痪了，时延无限大！  
我觉得读者肯定会疑惑，为啥呀？利用率不都是越大越好吗？还有，为啥利用率达到了百分之百，信道会瘫痪？  
这样吧，我举个例子，来打消你的疑虑！  
信道就好比高速公路，高速公路平时的车流量一般都不会太多，除非遇到了车祸，给堵了。高速公路之所以称之为高速公路，那就是快，高速！试想如果高速公路上有密密麻麻的车，你觉得你能高速跑起来吗？高速路上有密密麻麻得车和在市中心堵车有啥区别，根本跑不起来呀，你说是不？信道也如此！

假设：  
D 为网络当前时延  
D0 为网络空闲时的时延  
U 为利用率

可以用一个简单的公式来表示D、D0、U 的关系

D=D0/(1-U)  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDI5NzMwMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

# 6、协议的定义和类型 #

计算机网络中，想要做到有条不紊的交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则。这些规则明确的规定了所要交换的数据的格式，以及需要发出何种控制信息和响应等等。  
**这些为了网络中的数据交换而建立的规则、标准或约定，称为网络协议，简称协议。**

协议有两种不同的形式，**一种是使用便于人来阅读和理解的文字描述**；**另一种则是使用计算机能够理解的程序代码。**

# 7、OSI 七层协议和TCP/IP协议体系结构的对比 #

在下图中，**颜色相同的部分，对应的是同一层** ！  
记住 **TCP/IP 是四层**，有些人说TCP/IP五层协议，这是错的！  
虽然TCP/IP 是四层协议，但是我们要将的计算机网络系列仍然是以五层来讲，这样比较方便，更利于学习！  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDI5NzMwMw_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

# 8、简单介绍五层体系结构 #

## 8.1 应用层 ##

应用层的任务就是如何**通过应用进程间的交互来完成特定的应用**。  
应用层协议定义的是**应用进程间通信和交互的规则**。  
比如支持万维网的HTTP协议，支持电子邮件的SMTP协议等。  
**进程就是正在运行的程序**。  
我们将**应用层交互的数据单元称为报文**。  
应用层先简述到这里，明白应用层有什么用就行了，后面我们会详细的讲解！

## 8.2 运输层 ##

运输层的任务是负责**向两台主机中的进程之间提供通用的数据传输服务**

运输层有复用和分用的功能：  
**复用**就是**多个应用进程可以同时使用下面的运输层的服务**  
**分用**就是**运输层把收到的信息分别交付给上层中对应的进程**

运输层主要有以下两种协议：  
1、传输控制协议 TCP-----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。  
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**，其数据传输的单位是用户数据包。

## 8.3 网络层 ##

网络层负责为 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**。

**分组也叫做IP数据包、或者数据包。**

网络层的另一个任务就是要**使源主机运输层所传下来的分组，能够通过网络中的路由器找到合适的路由，最后到达目的主机**。

网络层也叫做**网际层或者IP层**。

## 8.4 数据链路层 ##

**在两个相邻节点之间传送数据时，数据链路层将网络层交下来的IP数据包组装成帧，每个帧包括数据和必要的控制信息。**

## 8.5 物理层 ##

在物理层上**传输的数据单位是比特**，发送方发送0，1 ，接收方接收也应该为0，1 。物理层要考虑用多大的电压表示0、1，以及接收方如何去识别。还要考虑所采用的传输媒体的类型，比如双绞线、光缆等。

总结一下，物理层就是规定用啥啥，啥啥的要求是啥，说白了就是对硬件的标准之类的。就是对硬件的一些标准，规定

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