《王道計算機考研》：計算機網絡概念、組成、功能、分類

計算機網絡的概念、組成、功能和分類

筆記源自王道視訊

• 計算機網絡概念組成功能分類
• 實體層
• 資料鍊路層
• 網絡層
• 傳輸層
• 應用層

概念

• 一般認為，計算機網絡是一個将

  分散的

  (地理位置不同的)、具有

  獨立

  功能的

  計算機系統

  ，通過

  通信裝置

  (路由等)與

  線路

  (光纖等)連接配接起來，由功能完善的

  軟體

  實作

  資源共享

  和

  資訊傳遞

  的系統。
• 計算機網絡是一些

  互聯的、自治的計算機系統的集合

組成

1）從組成部分來看

• 一個完整的計算機網絡主要由

  硬體、軟體和協定

  三大部分組成，缺一不可。
• 硬體主要由主機(也稱端系統)，通信鍊路(如雙絞線、光纖)、交換裝置(如路由、交換機等)和通信處理機(如網卡)等組成
• 軟體主要包括各種實作資源共享的軟體和友善使用者使用的各種工具軟體(如網絡作業系統、郵件收發程式、FTP程式、聊天程式等)。
• 協定是計算機網絡的核心，協定規定了網絡傳輸資料時所遵循的規範。就如同我們現實生活中的法律一樣，網絡世界也必須遵循一定的規則。

（2）從工作方式來看

• 計算機網絡(主要指Internet)可分為

  邊緣部分和核心部分

  。
• 邊緣部分由所有連接配接到網際網路上、供使用者直接使用的主機組成，用來進行通信(如傳輸資料、音頻或視訊)和資源共享
• 核心部分由大量的網絡和連接配接這些網絡的路由器組成，它為邊緣部分提供連通性和交換服務。

3）從功能組成來看

• 計算機網絡由

  通信子網和資源子網

  組成
• 通信子網由各種傳輸媒體、通信裝置和相應的網絡協定組成，它使網絡具有資料傳輸、交換、控制和存儲的能力，實作計算機之間的

  資料通信

• 資源子網是實作

  資源共享

  功能的裝置及其軟體的集合，向網絡使用者提供共享其他計算機上的硬體資源、軟體資源和資料資源的服務

計算機網絡的功能

（1）資料通信

• 資料通信是計算機網絡最基本和最重要的功能，實作聯網計算機之間的各種資訊傳輸，并将分散在不同地理位置的計算機聯系起來，進行統一的調配、控制和管理

2）資源共享

• 資源共享可以是軟體共享、資料共享和硬體共享
• 計算機網絡中的資源互通有無，分工協作，進而極大地提高硬體資源、軟體資源和資料資源的使用率

（3）分布式處理

• 當計算機網絡中的某個計算機系統負荷過重時，可以将其處理的某個複雜任務配置設定給網絡中的其它計算機系統，讓它幫你處理，進而利用空閑計算機資源以提高整個系統的使用率

（4）提高可靠性

• 計算機網絡中的各台計算機可以通過網絡互為替代機，當一台計算機崩了，可以讓另一台計算機來完成它的工作

（5）負載均衡

• 将工作任務均衡的配置設定給計算機網絡中的各台計算機

（6）其它

• 計算機網絡還可以實作電子化辦公與服務、遠端教育、娛樂等功能

5.計算機網絡的分類

（1）按分布範圍分

• 

• 廣域網（WAN）。也稱遠端網。關于網提供長距離通信，通常是

  幾十千米到幾千千米

  的區域，比如跨國通信。連接配接關于網的各結點交換機的鍊路一般都是高速鍊路，具有較大的通信容量。
• 城域網（MAN）。覆寫範圍跨越幾個街區甚至整個城市，覆寫範圍約

  5~50km

  ，城域網大多采用以太網技術，是以有時也常并入區域網路的範圍進行讨論。
• 區域網路（LAN）。範圍

  幾十米到幾千米

  的區域。一般用微機或工作站通過高速線路相連。

  傳統上，區域網路使用廣播技術，而廣域網使用交換技術。

• 個人區域網（PAN）。覆寫範圍大約

  十米

  左右。指在個人工作的地方将消費電子裝置（如平闆電腦、智能手機等）用無線技術連接配接起來的網絡，也常稱為無線個人區域網（WPAN）

（2）按傳輸技術分類

• 廣播式網絡。所有聯網計算機都共享一個

  公共通信信道

  。當一台計算機利用

  共享通信信道

  發送封包分組時，所有其他計算機都會收聽到這個分組。接受到該分組的計算機将通過檢查目的地之來決定是否接受該分組。
• 點對點網絡。每條實體線路連接配接一對計算機。

（3）按拓撲結構分類

• 網絡拓撲結構是指網絡總的結點（路由器、主機等）于通信線路（網線）之間的幾何關系（如總線形、環形）表示的網路結構，主要指通信子網的拓撲結構。
• 分為四類：

  總線形、星形、環形、網狀形

• 總線形：用單根傳輸線把計算機連接配接起來
• 星形：每個終端或計算機都以單獨的線路和中央裝置相連
• 環形：所有計算機接口裝置連接配接成一個環
• 網狀形：一般情況下，每個結點至少有兩條路徑與其他結點相連，多用于廣域網

（4）按使用者分類

• 公用網（Public Network）。也稱公衆網。指電信公司出資建造的大型網絡。
• 專用網（Private Network）。指某個部門為滿足本機關特殊業務需要而建造的網絡。這種網絡不向本機關以外人提供服務。如鐵路、典禮、軍隊等部門專用網絡。

（5）按交換技術分類

• 電路交換網絡

  。在源結點和目的結點之間建立起一條專用的通路用于傳輸資料，包括建立連接配接（占用通信資源）、傳輸資料（一直占用通信資源）和斷開連接配接（釋放通信資源）三個階段。最典型的電路交換網是傳統電話網絡。該類網絡的特點是整個封包的比特流連續的從源點直達終點，好像在一條管道中傳送。

• 封包交換網絡

  。也稱

  存儲-轉發網絡

  。使用者資料加上源位址、目的位址、校驗碼等輔助資訊，然後封裝成封包、這個封包傳送到相鄰結點，全部存儲後，再轉發給下一個結點，重複這一過程直到到達目的結點，每個封包可以單獨選擇到達目的結點的路徑。

• 分組交換網絡

  。也稱

  包交換網絡

  。其原理是将資料分成較短的固定長度的資料塊，在每個資料塊中加上目的位址、源位址等輔助資訊組成分組（包），以

  儲存-轉發方式

  傳輸
• 三種交換的比較。

6）按傳輸媒體分類

• 傳輸媒體可分為有線和無線兩大類
• 有線網絡可分為雙絞線網絡、同軸電纜網絡等
• 無線網絡可分為藍牙、微波、無線電等類型

标準化工作

• 實作不同廠商之間的硬體軟體的連接配接

法定标準

• OSI

事實标準

• TCP/IP

RFC（Request For Comments）——網際網路标準

1)、網際網路草案

2)、建議标準

3)、網際網路标準

标準化的相關組織

國際标準化組織ISO：OSI參考模型、HDLC協定

國際電信聯盟ITU：制定通信規則

國際電氣電子工程師協會IEEE：學術機構、IEEE802系列标準、5G

Internet工程任務組ITET：下負責網際網路相關标準的制定RFC XXXX

性能名額之速率、帶寬、吞吐量

速率

速率即資料率或稱資料傳輸率或比特率。

比特 1/0 位

連接配接在計算機網絡上的主機在數字信道上傳送資料位數的速率。機關是b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s，Tb/s

千1kb/s= 1 0 3 10^3 103b/s

兆1Mb/s= 1 0 3 10^3 103kb/s= 1 0 6 10^6 106b/s

吉1Gb/s= 1 0 3 10^3 103Mb/s= 1 0 6 10^6 106kb/s= 1 0 9 10^9 109b/s

太1Tb/s= 1 0 3 10^3 103Gb/s= 1 0 6 10^6 106Mb/s= 1 0 9 10^9 109kb/s= 1 0 12 10^{12} 1012b/s

存儲容量1Byte(位元組)=8bit(比特)

1KB= 2 10 2^{10} 210B=1024B=1024* 8b

1MB=K 2 10 2^{10} 210B=1024KB

1GB= 2 10 2^{10} 210MB=1024MB

1TB= 2 10 2^{10} 210GB=1024GB

帶寬

(1）“帶寬”原本指某個信号具有的頻帶寬度，即最高頻率與最低頻率之差，機關是赫茲（Hz)。

(2）計算機網絡中，帶寬用來表示網絡的通信線路傳送資料的能力，通常是指機關時間内從網絡中的某一點到另一點所能通過的“最高資料率”。機關是“比特每秒”，b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s。

網絡裝置所支援的最高速度

例子

上圖可以看出帶寬僅僅加快了傳輸的數量，并不會影響傳輸的速率。

吞吐量

表示在機關時間内通過某個網絡（或信道、接口）的資料量。機關b/s，kb/s，Mb/s等。吞吐量受網絡的帶寬或網絡的額定速率的限制。

例子

兩個伺服器分别傳輸的速率為20和10mb/s，但是實際鍊路可以吃100，無奈加起來隻能吃30，是以吞吐量就是30/s

性能名額之時延、時延帶寬積、往返時間RTT、使用率

時延

• 發送時延
  • 從 發送分組的第一個比特算起，到該分組的最後一個比特發送完畢所需的時間。

  • 發送時延 = 資料長度/ 信道帶寬（發送速率）

  • 一般發生在主機内部發送器裡面
  • 補充：高速鍊路：指的是發送速率的提高，是的發送時延減少，并不會影響到電磁波的傳播速率
• 傳播時延
  • 取決于電磁波傳播速度和鍊路長度
  • 傳播時延=信道長度 / 電磁波在信道上的傳播速率
  • 發生在信道上面的
• 排隊時延
  • 等待輸出輸傳入連結路可用
• 處理時延
  • 檢錯找出口

時延帶寬積

描述資料量和資訊量得屬性,時延帶寬積又稱為以比特為機關的鍊路長度。即“某段鍊路現在有多少比特”。

時延帶寬積(bit)=傳播時延(s)×帶寬(b/s)

往返時延RTT

從發送方發送資料開始，到發送方收到接收方的确認（接收方收到資料後立即發送确認)，總共經曆的時延。

終端：

ping url

可檢視與某網站的往返時延

RTT越大，在收到确認之前，可以發送的資料越多。

• 往返傳播時延=傳播時延*2（不包括發送時延）
• 末端處理時間

使用率

• 信道使用率
  • 有資料通過時間 / (有+無)資料通過時間
• 網絡使用率
  • 信道使用率權重平均值

分層結構、協定、接口、服務

為甚要分層

在計算機中，發送檔案前要完成的工作:

(1）發起通信的計算機必須将資料通信的通路進行激活。(2）要告訴網絡如何識别目的主機。

(3）發起通信的計算機要查明目的主機是否開機，并且與網絡連接配接正常。

(4）發起通信的計算機要弄清楚，對方計算機中檔案管理程式是否已經做好準備工作。

(5）確定差錯和意外可以解決。

。。。是以計算機就想到了分層

怎麼分層

分層基本規則：

1. 各層之間互相獨立，每層隻實作一種相對獨立的功能。
2. 每層之間界面自然清晰，易于了解，互相交流盡可能少。
3. 結構上可分割開。每層都采用最合适的技術來實作。
4. 保持下層對上層的獨立性，上層單向使用下層提供的服務。
5. 整個分層結構應該能促進标準化工作。

分層

1.實體:第n層中的活動元素稱為n層實體。同一層的實體叫對等實體。

2協定:為進行網絡中的對等實體資料交換而建立的規則、标準或約定稱為網絡協定。【水準】

• 文法：規定傳輸資料的格式
• 語義：規定所要完成的功能
• 同步：規定各種操作的順序
• 例子：01010001111000
  • 必須按照0/1格式進行傳輸
  • 完成封包的功能
  • 以及讀取的順序

3.接口（通路服務點SAP） :上層使用下層服務的入口。

4.服務:下層為相鄰上層提供的功能調用。【垂直】

SDU服務資料單元:為完成使用者所要求的功能而應傳送的資料。

PCl協定控制資訊:控制協定操作的資訊。

PDU協定資料單元:對等層次之間傳送的資料機關。

小結

• 網絡體系結構是從

  功能

  上描述計算機網絡結構。
• 計算機網絡體系結構簡稱網絡體系結構是

  分層結構

  。
• 每層遵循某個/些網絡協定以完成本層功能。

• 計算機網絡體系結構

  是計算機網絡的

  各層及其協定

  的集合。
• 第n層在向n+1層提供服務時，此服務不僅包含第n層本身的功能，還包含由下層服務提供的功能。
• 僅僅在

  相鄰層間有

  接口，且所提供服務的具體實作細節對上一層完全屏蔽。
• 體系結構是

  抽象

  的，而實作是指能運作的一些軟體和硬體。

OSI參考模型

計算機網絡分層結構

七層OSI參考模型（法定标準）

OSI怎麼來的？

為樂計算機網絡複雜的大問題->分層結構（按功能）

目的：支援異構網絡系統的互通互聯

國際标準化組織（ISO）于1984年提出開放系統互連（OSI）參考模型。（理論成功，市場失敗）

參考模型

應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、資料鍊路層、實體層

ISO/OSI參考模型解釋通信過程

應用層

所有能和使用者互動産生網絡流量的程式

典型應用層服務:

檔案傳輸（FTP)電子郵件（SMTP)網際網路(HTTP)等等

表示層

處理兩個通信系統中交換資訊的表示方式

功能

• 資料格式變換
• 資料加密解密
• 資料壓縮和恢複
  • 主要協定：JPEG、ASCII

會話層

向表示層實體/使用者程序提供建立連接配接并在連接配接上有序的傳輸資料，這是會話，也是建立同步(SYN)，會話之間彼此獨立的

功能

• 建立、管理、終止會話
• 使用校驗點可使會話在通信失效時從

  校驗點/同步點

  繼續恢複通信，實作資料同步。
  • 适合傳輸大檔案
• 主要協定：ADSP、ASP（規定層次間的聯系）

傳輸層

負責主機中

兩個程序

的通信，即

端到端

的通信。傳輸機關是封包段或使用者資料報。

功能

• 可

  靠傳輸、不可靠傳輸
  • （大檔案采用可靠傳輸，将檔案轉換成資料報，從主機一經過網絡發送到主機二，主機二回應确認序列封包給主機一的過程）三次握手的過程
  • 如果是小檔案，就不需要去建立連接配接了，直接采用不可靠（UDP）的連接配接方式

• 差

  錯控制

• 流

  量控制
  • 控制發送端的發送速率
• 複

  用

  分用
  • 複用:多個應用層程序可同時使用下面運輸層的服務。
  • 分用:運輸層把收到的資訊分别傳遞給上面應用層中相應的程序。
• 協定：TCP/IP、UDP

網絡層

主要任務是把

分組

從源端傳到目的端，為分組交換網上的不同主機提供通信服務。網絡層傳輸機關是

資料報

。

當資料報過長，就會将資料報分割，然後進行分組轉發

功能

• 路油選擇
  • 選擇最佳路徑（地傑斯特

• 流量控制

• 差錯控制
  • 能糾錯就糾錯，不能糾錯就扔掉
• 擁塞控制
  • 針對全局控制發送的速率
  • 若所有結點都來不及接受分組，而要丢棄大量分組的話，網絡就處于

    擁塞

    狀态。是以要采取一定措施,緩解這種擁塞。
• 主要協定:IP、IPX、ICMP、IGMP、ARP、RARP、OSPF

資料鍊路層

主要任務是把網絡層傳下來的資料報組裝成幀。資料鍊路層/鍊路層的傳輸機關是幀。

功能

• 成幀（定義幀的開始和結束）
  • 定義幾種幀的開始和結束（01組合）
• 差錯控制（幀錯和位錯）
  • 可以檢錯和糾錯
• 流量控制（同理）
• 通路（接入）控制
  • 控制對信道的通路
  • （廣播式網絡中就會有接入控制）控制哪台主機可以可以用哪些信道
• 主要協定: SDLC、HDLC、PPP、STP

實體層

主要任務是在實體媒體上實作比特流的透明傳輸。實體層傳輸機關是比特。

透明傳輸:指不管所傳資料是什麼樣的比特組合,都應當能夠在鍊路上傳送。

功能

• 定義接口特性
• 定義傳輸模式
  • 單工
    • 一個人隻能做發送方或者接收方
  • 半雙工
    • 一個人可以做發送方也可以做接受方，但是隻允許同一時間隻能有一個人說話
  • 雙工
    • 同一時間可以兩邊都說話
• 定義傳輸速率
• 比特同步
• 比特編碼
• 主要協定: Rj45、802.3

回顧

OSI參考模型

• 由來
• “物聯網淑慧适用”
• 解釋通信過程
• 各層功能及協定

4層TCP/IP參考模型（事實标準）

OSI參考模型與TCP/IP參考模型相同點

1. 都分層
2. 基于獨立的協定棧的概念
3. 可以實作異構網絡互聯

OSI參考模型與TCP/IP參考模型不同點

1. OSI定義三點:服務、協定、接口
2. OSI先出現，參考模型先于協定發明，不偏向特定協定
3. TCP/IP設計之初就考慮到異構網互聯問題，将IP作為重要層次

4. Iso/osI參考模型	TCP/IP模型
   網絡層	無連接配接+面向連接配接	無連接配接
   傳輸層	面向連接配接	無連接配接+面向連接配接

   面向連接配接

   分為三個階段，第一是建立連接配接，在此階段，發出一個建立連接配接的請求。隻有在連接配接成功建立之後，才能開始資料傳輸，這是第二階段。接着，當資料傳輸完畢，必須釋放連接配接。而

   面向無連接配接

   沒有這麼多階段，它直接進行資料傳輸。

5層的體系結構

5層參考模型的資料封裝與解封裝