计算机网络和网络协议

mzmm403
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计算机网络😨

最底层最难懂最复杂的

一.发展

阶段1：以单个计算机为中心的远程联机系统，构成面向终端的计算机网络，称为第一代计算机网络。

阶段2：20世纪60年代中期开始进行主机互联，多个独立的主计算机通过线路互联构成计算机网络，无网络操作系统，只是通信网。60年代后期，ARPANET网出现，称为第二代计算机网络。

阶段3：20世纪70年代至80年代中期，以太网产生，ISO制定了网络互连标准OSI，世界上具有统一的网络体系结构，遵循国际标准化协议的计算机网络迅猛发展，这阶段的计算机网络称为第三代计算机网络。

阶段4：从20世纪90年代中期开始，计算机网络向综合化高速化发展，同时出现了多媒体智能化网络，发展到现在，已经是第四代了。局域网技术发展成熟。第四代计算机网络就是以千兆位传输速率为主的多媒体智能化网络。

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总结：

  • 第一代计算机网络---远程终端联机阶段；
  • 第二代计算机网络---计算机网络阶段；
  • 第三代计算机网络---计算机网络互联阶段；
  • 第四代计算机网络---国际互联网与信息高速公路阶段。

二.Internet(因特网)和通讯模型

在因特网诞生之前还有一种叫阿帕网，因为范围较小，且仅用于军队和学校因此诞生了因特网。

Internet是全球最大的互联网，是数以百万计的互联计算设备集合。为网络应用提供通信服务的通信基础设施。为网络应用提供应用编程接口（API）

计算机——>发送设备——>信道——>接收设备——>计算机

注：我们一般将发出信息的计算机叫信源，把接收信息的计算机叫信宿

三.应用模型

客户/服务器(C/S)应用模型

客户/服务器模型是所有网络应用的基础。客户/服务器分别指参与一次通信的两个应用实体，客户方主动地发起通信请求，服务器方被动地等待通信的建立

  • 客户发送请求，接收服务器响应。

  • 比如：Web应用，文件传输FTP应用

对等应用模型(P2P)

是一种在对等者（Peer）之间分配任务和工作负载的分布式应用架构，是对等计算模型在应用层形成的一种组网或网络形式。

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  • 无（或不仅依赖）专用服务器
  • 通信在对等实体之间进行
  • 比如：Gnutella（文件共享系统），BT，Skype，QQ

上述两种模型的本质区别在于整个网络结构中不存在中心节点（或中心服务器）

四.多路复用

数据通信系统或计算机网络系统中，传输媒体传输媒体的带宽或容量容量往往会大于传输单一信号的需求，为了有效地利用通信线路通信线路,希望一个信道同时传输多路信号，这就是所谓的多路复用技术(Multiplexing)。

举个例子:把信息资源比作乘客，从甲地到乙地坐公交车2元做出租车20元，这就是为什么要使用多路复用，这样可以用一条电缆承载多条信息

概念

  • 链路/网络资源（如带宽）划分为“资源片”
  • 将资源片分配给各路呼叫（calls）
  • 每路呼叫独占分配到的资源片进行通信
  • 资源片可能闲置（idle）（无共享）

多用复路的种类

  • 频分多路复用(frequency division multiplexing-FDM)：各用户占用不同的带宽（频率带宽）进行通信，分配完成之后用户始终占用这个频段。
  • 时分多路复用(time division multiplexing-TDM)：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每个用户在每个TDM帧中占用固序号的时隙，每用户所占的时隙是周期性出现。
  • 波分多路复用(Wavelength division multiplexing-WDM)：又称为光的频分多路复用
  • 码分多路复用(Code division multiplexing-CDM)：广泛用于无线链路共享（如蜂窝网，卫星通信等），每个用户分配唯一一个的m bit码片序列（chipping sequence），其中“0”用“-1”表示，“1”用“+1”表示。各用户使用相同频率载波，利用各自码片序列编码数据。编码型号=（原始数据）*（码片序列）。
  • 空分多址(SDMA)也称为多光束频率复用。它通过标记不同方位的相同频率的天线光束来进行频率的复用。SDMA系统可使系统容量成倍增加，使得系统在有限的频谱内可以支持更多的用户，从而成倍的提高频谱使用效率。

五.传输延迟

分组创数延迟的公式

分组传输延迟（时延）（delay）= L（bits）/R（bits/sec）

L：分组长度 R：传输速率

分组交换的报文交付时间

  • 报文：M bits
  • 链路带宽（数据传输速率）：R bps
  • 分组长度（大小）：L bits
  • 跳步数：h
  • 路由器数：n

T=M/R+(h-1)L/R 或 T=M/R+n*L/R

六.计算机网络性能

速率

速率即数据率（data rate）或称数据传输速率或者比特率（bit rate）

  • 单位时间（秒）传输信息（比特）量
  • 计算机网络中最重要的一个性能指标
  • 单位：b/s （或bps） 、kb/s 、Gb/s
  • k=10^3，M=10^6，G=10^9

速率往往指的是额定速率或者标称速率。

带宽

可以用来标识信号传输的数据传输能力、标识单位时间内通过链路的数据量、标识显示器的显示能力。

  • 在模拟信号系统叫频宽，是指在固定的时间可传输的资料数量，亦即在传输管道中可以传递数据的能力。通常以每秒传送周期或赫兹(Hz)来表示

  • 在数字设备中，带宽指单位时间能通过链路的数据量。通常以bps来表示，即每秒可传输之位数

  • 10^3bit/s=1Kbit/s

    10^6bit/s=1Mbit/s

    10^9bit/s=1Gbit/s

    描述带宽时常常把“比特/秒”省略。例如，带宽是1M，实际上是1Mbps，这里的Mbps是指兆位/s

    实际带宽=显示数据/8

四种分组延迟

1.节点处理延迟（nodal processing delay）

  • 差错检测
  • 确定输出链路

2.排队延迟（queueing delay）

  • 等待输出链路可用
  • 取决于路由器的拥塞程度

3.传输延迟（transmission delay）

  • L：分组长度（bits）
  • R：链路宽度（bps）
  • d=L/R

4.传播延迟（propagation delay）

d：物理链路长度

s：信号传播速度（~2*10^8m/sec）

时延带宽积

  • 时延带宽积=传播时延*带宽
  • 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

丢包

  • 队列缓存容量有限
  • 分组达到已满队列将被丢弃（即丢包）
  • 丢弃分组可能由前序节点或源重发（也可能不重发）
  • 丢包率=丢包数/已发分组总数

吞吐量/率（Throughput）

吞吐量：表示在发送端与接收端只建传送数据速率（b/s）

  • 即时吞吐量：给定时刻的速率

  • 平均吞吐量：一段时间的平均速率

七.计算机网络结构及计算机网络体系结构

1.计算机网络结构

  • 网络边缘：指网络的接入口(汇接层)靠近用户端，用于汇聚用户网络(LAN)的网络层面 (主机，应用网络)

  • 接入网络，物理介质：接入网络是一种用户网络，它连接用户到特定的服务提供商并通过承载网络到达其他网络（例如Internet） (有线或无线通信链路)

接入网络的几种类型：

1.以太网（Ethernet） 是最为广泛安装的有线LAN（局域网）技术。以太网LAN通常使用同轴电缆或特殊等级的双绞线。

2.无线局域网允许移动用户通过无线（无线电）连接。

3.光纤网络，如光纤到户（FTTH）使用光纤从中央点直接到单个建筑物（例如住宅、公寓楼和企业）。

4.ADSL（非对称数字用户线路）是在现有的电话线上传送高宽带的数字信息到家庭和企业的一种技术。

  • 网络核心：指一种在主要连接节点之间承载快速通信流量的通信传输网络。通常它具有网格拓扑结构，可为在网络上的设备中提供任意两个之间的连接。核心/骨干网提供了不同子网间信息交换路径。 （互联网的路由器或者分组转发设备）

2.计算机网络体系结构

计算机网络体系结构是指计算机网络层次结构模型

三种参考模型的相互关系

三种模型均是由ISO转换而来

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OSI参考模型

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物理层
  • 定义和规范接口特性：机械特性、电气特性、更能特性、规程特性
  • 定义比特编码，比特率，比特同步（时钟同步）
  • 定义传输模式：单工（Simplex），半双工（half-duplex），全双工（full-duplex）
数据链路层
  • 负责结点-结点（node-to-node）数据传输
  • 组帧（Framing）
  • 物理寻址（Physical addressing）,在帧头中增加发送端和接收端的物理地址标识数据
  • 流量控制（Flow control），避免淹没接收端
  • 差错控制（Error control），检测并重传损坏或丢失帧，并避免重复帧
  • 访问（接入）控制（Access control），在任一给定时刻决定哪个设备拥有链路（物理介质）控制使用权
网络层
  • 负责源主机到目的主机数据分组（packet）交付
  • 逻辑寻址（Logical addressing）,全局唯一逻辑地址，确保数据分组被送达目的主机，如IP地址
  • 路由：路由器（或网关）互联网络，并路由分组至最终目的主机，做出路径选择
  • 分组转发
传输层
  • 负责源-目的（端-端）（进程间）完整报文传输
  • 分段于重组
  • 三.网络协议
  • SAP寻址，确保将完整的报文提交给正确进程，如端口号
  • 连接控制
  • 流量控制
  • 差错控制
会话层
  • 对话控制（dialog controlling），建立与维护
  • 同步（synchronization）在数据流中插入同步点
表示层
  • 处理两个系统间交换信息的语法与语义（syntax and semantics）问题
  • 数据表示转化，转化为主机独立的编码
  • 加密，解密
  • 压缩，解压缩
应用层
  • 支持用户通过用户代理（如浏览器）或网络接口使用网络（服务）
  • 典型的应用层服务包括：文件传输（FTP），电子邮件（SMTP），Web（HTTP）

TCP/IP参考模型

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应用层

HTTP SMTP DNS RTP

运输层

TCP UDP

网际层

IP

网络接口层

五层参考模型

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应用层
  • 支持各种网络应用，FTP，SMTP，HTTP
传输层
  • 进程-进程的数据传输，TCP，UDP
网络层
  • 源主机到目的主机的数据分组路由与转发，IP，路由协议等
链路层
  • 相邻网络元素（主机，交换机，路由器等）的数据传输。以太网（Ethernet），802.11（WiFi），PPP
物理层
  • 比特传输

控制信息：

作用：
  • 增加控制信息，构造协议数据单元（PDU）
内容：
  • 地址（Address）：标识发送端/接收端
  • 差错检测编码（Error-detecting code）：用于差错检测或纠正
  • 协议控制（Protocol control）：实现协议功能的附加信息，如：优先级（priority）、服务质量（QoS）、和安全控制等

八.网络协议

网络协议为计算机网络中进行数据交换而建立的规则、标准或约定的集合

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网络协议（network protocol），是为进行网络中的数据交换而建立的规则，标准或约定。

网络协议是由三个要素组成：

(1) 语义（Syntax）语义是解释控制信息每个部分的意义。它规定了需要发出何种控制信息，以及完成的动作与做出什么样的响应。

(2) 语法（Semantics）语法是用户数据与控制信息的结构与格式，以及数据出现的顺序。

(3) 时序（Timing）时序是对事件发生顺序的详细说明。（也可称为“同步”）。

人们形象地把这三个要素描述为：语义表示要做什么，语法表示要怎么做，时序表示做的顺序。

数据链路层

以太网协议

  • 以太网是目前最流行的一种局域网组网技术（其他常见局域网组网技术还有令牌环局域网、无线局域网、ATM局域网），以太网技术的正式标准是IEEE 802.3标准，它规定了在以太网中传输的数据帧结构。在物理层上看，一个完整的以太网帧有7个字段，事实上，前两个字段并不能算是真正意义上的以太网数据帧，它们是以太网在物理层上发送以太网数据时添加上去的。为了实现底层数据的正确阐述，物理层使用7个字节前同步码（0和1交替的56位（55-55-55-55-55-55-55））实现物理层帧输入/输出同步；使用1个字节的SFD（帧首定界符，固定为10101011）标识帧的开始。上图中剩下的5个字段是真正的以太网数据，其中包含了目的地址和源地址，它们都是6字节长度（通常每个网卡都有1个6个字节MAC地址，以在以太网中唯一地标识自己）。网卡接收数据时，通过将目的地址字段和自身的MAC地址做比较，判断是否接收该数据包。通常，将这里的6字节目的地址按照下面的格式来书写，如：00-01-02-03-04-05。这6个字节在以太网中是按照从左到右的顺序发送的，同时对每个字节来说，最先发送的是最低位bit0，最后是最高位bit7。

    原文链接：blog.csdn.net/yundanfengq…

    • 以太网帧结构
    • 以太网帧最大与最小帧长度
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