网络基础知识

计算机网络，根据其规模，可以分为广域网（WAN）和局域网（LAN）

批处理：事先将用户程序和数据装入卡带或磁带，并由计算机按照一定的顺序读取，使用户所要执行的这些程序和数据能够一并处理的方式

分时系统：多个终端与同一个计算机连接，允许多个用户同时使用同一台计算机的系统

协议

互联网中有代表性的协议有IP，TCP，HTTP，局域网中常用的有IPX/SPX

TCP/IP就是IP，TCP，HTTP等协议的统称（通信协议的统称）

协议其实就是计算机与计算机在网络上进行通信时，事先达成的一种“约定”，这种约定能过使不同CPU，不同操作系统的计算机之间，只要遵守相同的“约定”就能进行通信


三种交换方式

电路交换

从主机端直接建立一条专用的物理连接

  • 建立连接
  • 通话（一直占用通信资源）
  • 释放连接

缺点：线路传输效率很低，因为计算机数据是突发式地出现在传输线路上。一旦某条线路被占，其他用户不能使用


分组交换

将报文分成更小的等长的数据段，每一个数据段加上一些控制信息（如目的地址和原地址等）后组成首部，构成一个分组。分组又称为“包”，分组的首部也可称为“包头”

为了双方能正确通信，分组的发送方与接收方有必要对报文首部和内容保持一致的定义和解释

image-20230223125622604

在分组交换中，由分组交换机（路由器）连接通信线路，发送端计算机将数据分组发送给路由器，路由器接收到这些分组后，缓存在自己的缓冲区，然后再转发给目标计算机

在分组交换中，计算机与路由器，路由器与计算机之间通常只有一条通信线路，这条线路其实就是一条共享线路，电路交换中，计算机之间的传输速度不变，而在分组交换中，通信线路的速度可能会有所不同，根据网络拥堵的情况，数据打到目标地址的时间有长有短。而且当路由器的缓存饱和或溢出时，甚至可能发生分组数据丢失，无法发送到对端的情况

image-20230223150731798

优点：

  • 高效：分组传输中动态分配传输带宽
  • 灵活：为每一个分组独立地选择合适的转发路由
  • 迅速：可以不先建立连接就能向其他主机发送分组
  • 可靠：分布式多路由的分组交换网，网络生存性提升
  • 减少出错概率和重发数据量：因为分组比报文小，因此出错概率概率必然减小，即使分组出错，也只需要重传出错的分组，比重传整个报文数据量小很多。提高了可靠性，减少了传输时延。（报文交换对比）

报文交换

每一个节点接收 整个报文 ，检查目标节点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个节点。经过多次的存储——转发，最后到达目标其中的交换结点要有足够大的存储空间（一般是磁盘），用以缓冲收到的长报文

image-20230223130505469

缺点：

  • 引起了转发时延：因为报文交换在结点交换机上要经历存储转发的过程。
  • 需要较大存储缓存空间：因为报文交换对报文大小没有限制（报文交换对比）

优点：

  • 无需建立连接：报文交换不需要为通信双方预先建立一条专用的通信线路，不存在建立连接的时延，用户可以随时发送报文（电路交换对比）
  • 线路利用率高

总结

image-20230223145621467

电路交换：整个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传送

报文交换：整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一个结点

分组交换：单个分组（这只是报文的一部分）传送到相邻结点，存储下来后查找转发表，转发到下一结点


传输方式的分类

通过网络发送数据，大致可以分为面向有线连接和面向无线连接两种类型

面向有线连接在发送数据前，需要在首发主机之间连接一条通信线路，通信传输之前，先打开一个连接，连接被关闭时无法发送数据。必须要在通信传输前后，专门进行建立和断开连接的处理

面向无线连接则不要求建立和断开连接，发送端可以在任何时候进行发送，而且不需要确认对端是否存在，即使接收端不存在或无法接收数据，发送端也可以发送出去

通过接收端的数据进行分类，可以分为单播，广播，多播，任播四种类型

image-20230223151306488

协议分层与OSI参考模型

OSI这一参考模型将通信协议中必要的功能分成了7层。每个分层都接收由它下一次层所提供的特定服务，并负责自己的上一层提供特定的服务。上下层之间进行交互时所遵循的约定叫做“接口”。同一层之间的交换所遵循的约定叫做协议

为何要分层？

1、协议分层就如同计算机软件中的模块化开发，分层可以将每个分层独立使用，即使系统中的某些分层发生变化，也不会波及整个系统

2、通过分层可以细分通信功能，更易于单独实现每个分层的协议，并界定各个分层的具体责任和义务

image-20230223133032557

七层通信

每个分层上，在处理由上一层传过来的数据时可以附上当前分层的协议所必须的“首部”信息。然后接收端对收到的数据进行数据“首部”与“内容”的分离，再转发给上一分层，并最终将发送端的数据恢复为原状

image-20230223133725522

例子

用户A在主机A 上新建一封电子邮件，指定收件人为 B，并输入邮件内容为早上好
收发邮件从功能上可以分为两类：一部分是与通信相关的，另一部分是与通信无关的。例如用户A从键盘输入“早上好”的这一部分就属于与通信无关的功能，而将“早上好”的内容发送给收件人B则是其与通信相关的功能

此处的“输人电子邮件内容后发送给目标地址”也就相当于应用层

image-20230223134544134

表示层的“表示”，有表现，演示的意思，更关注数据的具体表现形式，其实表示层的具体作用是将数据从“某个计算机特定的数据格式”转换为“网络通用的标准数据格式”后再发送出去。接收端主机收到数据后，再将这些网络标准格式的数据恢复为“该计算机特定的数据格式”，然后再进行对应的处理

表示层与表示层之间为了识别编码格式也会附加首部信息，从而将实际传输的数据转交给下一层去处理

image-20230223135046065

会话层之间是高效进行数据交互，传输数据

假定用户A新建了5封电子邮件准备发给用户B。这5封邮件的发送顺序可以有很多种。可以每发一封邮件时建立一次连接，随后断开连接。还可以一经建立好连接后就将5封邮件连续发送给对方。决定采用何种连接方法是会话层的主要责任

会话层也像应用层或表示层那样，在其收到的数据前端附加首部或标签信息后再转发给下一层。而这些首部或标签中记录着数据传送顺序的信息

会话层只对何时建立连接，何时发送数据等问题进行管理，并不具有实际传输数据的能力，真正负责在网络上传输具体数据的是会话层以下的分层

image-20230223135401673

进行建立连接或断开连接的处理，在两个主机之间创建逻辑上的通信连接即是传输层的主要作用。此外，传输层为确保所传输的数据到达目标地址，会在通信两端的计算机之间进行确认，如果数据没有到达，它会负责进行重发

image-20230223140924204

网络层的作用是在网络与网络相互连接的环境中，将数据从发送端主机发送到接收端主机

TCP/IP中，网络层与传输层相互协作以确保数据包能够传送到全世界，实现可靠传输

image-20230223141334631

网络层与数据链路层各尽其责，在实际发送数据通过目的地址在众多计算机中选出该目标地址所对应的计算机发送数据。基于这个地址，就可以在网络层进行数据包的发送处理。而有了地址和网络层的包发送处理，就可以将数据发送到世界上任何一台互连设备

image-20230223141451270

数据链路层的作用就是在这些通过传输介质的设备之间进行数据处理

物理层中，将数据的0，1转换为电压和脉冲光传输给物理的传输介质，相互直连的设备之使用MAC地址（为了识别连接到同一个传输介质上的设备）实现传输

image-20230223142318059

总结

物理层

任务：透明地传输比特流

功能：为数据段设备提供传送数据通路

传输单位：比特

所实现的硬件：集线器，中继器

数据链路层

任务：将网络层传输下来的IP数据报组装成帧

功能：a. 链路连接的建立、拆除和分离

​ b. 帧定界和帧同步

​ c.差错检测

传输单位：帧

所实现的硬件：交换机、网桥

网络层

任务：a. 将传输层传下来的报文段封装成分组

​ b.选择合适的路由，使得传输层传下来的分组能够交付到目的主机

功能：a. 为传输层提供服务

​ b. 组包和拆包

​ c. 路由选择

传输单位：数据段

所实现的硬件：路由器

传输层

任务：负责主机中两个进程之间的通信

功能：

​ a. 为端到端连接提供可靠的服务

​ b. 为端到端连接提供流量控制、差错控制、服务质量等管理服务

传输单位：报文段（TCP）或用户数据报（UDP）

会话层

任务：不同主机上各进程间的对话

功能：管理主机间的会话进程，包括建立、管理以及终止进程间的会话。是一种端到端的服务

表示层

负责处理在两个内部数据表示结构不同的通信系统之间交换信息的表示格式，为数据加密和解密以及为提高传输效率提供必需的数据压缩以及解压等功能。

应用层

任务：提供系统与用户的接口

功能：

​ a.文件传输

​ b. 访问和管理

​ c. 电子邮件服务


地址

地址的唯一性

一个地址必须明确地表示一个主体对象，在同一个通信网络中不允许由两个相同地址的通信主题存在

在广播，多播，任播中，可以将通信接收端看成 被赋予了同一个地址，即对这些由多个设备组成的一组通信赋予给同一个具有唯一特性的地址，从而避免歧义，明确接收对象

image-20230223153138499

地址的层次性

当地址总数并不是很多时，有了唯一地址就可以定位相互通信的主主题，然而当地址总数越来越多时，为了高效地找出通信的目标地址变得尤其重要

image-20230223153616574

IP地址如何实现分层？

IP地址由网络号和主机号两部分组成，即使通信主体的IP地址不同，若主机号不同，网络号相同，说明它们处于同一个网段，同一个网段一般也同属于同一个部门。另外网络号相同的主机在地域分布等方面也比较集中，也为IP寻址带来便利


网络的构成要素

搭建网络的主要设备

设备 作用
网卡 使计算机连网的设备
中继器 从物理层上延长网络的设备
网桥（2层交换机） 从数据链路层上延长网络的设备
路由器（3层交换机） 通过网络层转发分组数据的设备
4~7层交换机 处理传输层以上各层网络传输的设备
网关 转换协议的设备

传输速率与吞吐量

在数据传输的过程中，两个设备之间数据流动的物理速度称为传输速率，单位为bps（Bits Per Second）

传输速率高也不是指单位数据流动的速度有多快，而是指单位时间内传输的数据量有多少，传输速率又称为带宽，带宽越大网络传输能力就越强

主机之间的实际传输速率被称作吞吐量，其单位与带宽相同，吞吐量不仅用来衡量带宽，同时也衡量主机的CPU处理能力等……