计算机网络(一)_基本概念扫盲

青旅半醒 2023-03-13 12:29 64阅读 0赞

> **1.总结一下计算机网络入门的一些基本概念**  
> **2.推荐观看韩立刚老师的计网课程**

### 文章目录 ###

*   *  局域网、广域网、Internet、ISP
     *  数据交换方式
     *  OSI七层参考模型
     *  计算机数据通信过程
     *  数据封装过程
     *  通信协议TCP/IP协议栈
     *  计算机网络的性能指标

## 局域网、广域网、Internet、ISP ##

这里研究的是计算机网络的类别  
从网络作用范围从小到大上分以下几类：

> **局域网LAN：**
> 
>  *  覆盖范围小
>  *  需要自己花钱购买设备
>  *  带宽固定且自己维护

> **广域网WAN** ：
> 
>  *  **加强版的局域网**
>  *  线路距离远
>  *  需要花钱向运营商租带宽

> **ISP**
> 
>  *  运营商属于自己的机房 对网民提供访问Internet连接

> **Internet**：  
> 由很多ISP组成，有自己的机房，对网民提供Internet连接（ADSL或光纤到户）

## 数据交换方式 ##

这里根据计算机网络中数据的发送单位，分以下几种。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0p1blNJcmhs_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

*  电路交换：是相对于封包交換（或稱分组交换）的一个概念。 电路交换要求必须首先在通信双方之间建立连接通道。数据传输通过比特流直达，数据交互完毕后释放通道，我们打电话都是通过电路交换。如图所示。
 *  报文交换，又称**存储转发交换**，报文整个发送，一次一跳。 报文交换是分组交换的前身。 报文交换的主要特点是：存储接收到的报文，判断其目标地址以选择路由，最后，在下一跳路由空闲时，将数据转发给下一跳路由。
 *  分组交换：  
    在通信过程中，通信双方以**分组为单位**、使用**存储-转发机制**实现数据交互的通信方式。 分组交换也称为**包交换**，它将用户通信的数据划分成多个更小的等长数据段，在每个数据段的前面加上必要的控制信息作为数据段的首部，每个带有首部的数据段就构成了一个分组。注意分组交换基于报文交换，含有其路由转发的特性

从概念上来看报文交换和分组交换最大的区别就是所使用的消息传递的**粒度不同**，分组交换相对于报文交换力度更加细。 但是分组交换相对于报文交换来说多了拆分和重组的开销。

## OSI七层参考模型 ##

计算机网络最大的特点就是分层。

OSI指的在网络上传输的数据需要经过的层次，每个层次都会对数据做加工。且这些加工需要符合该层次的某种协议。

![format_png][]  
各层次主要作用：

*  应用层： 所有能**产生网络流量**的程序
 *  表示层： 在流量传输之前是否进行加密或压缩处理或编码处理（二进制 、ASCII）
 *  会话层 ： `netstat –n`查看所有会话，一般一次持续的、有来有回的数据传输称为会话，Session就是基于会话层
 *  传输层： 决定可靠传输TCP（流量交互有确认机制）与不可靠传输UDP （单次访问单次返回，如访问网关获取域名IP地址）
 *  网络层 ：负责选择最佳路径 规划IP地址
 *  数据链路层： ：帧编码和误差纠正控制。 帧编码意味着定义一个包含信息频率、位同步、源地址、目标地址以及其他控制信息的数据包，一句话说明，它是用来定义发送包的数据结构的
 *  物理层：定义接口标准 、电器标准 就像你的双口插座与三口，都是有标准的

> 理解七层模型可以帮助我们进行网络故障排除与网络安全防范
> 
> OSI参考模型对网络排错指导  
> 1.物理层故障：查看连接状态 、网线是否正常连接  
> 2.数据链路层故障 ：MAC冲突 、ADSL欠费、 网速没办法协商一致 、计算机连接到错误的VLAN  
> 3.网络层故障： 配置了错误IP地址 或子网掩码 、配置错误的网关 、 路由器没有配置到达目标网络的路由  
> 4.应用层故障 应用程序配置错误 ，是最复杂的阶段
> 
> OSI参考模型和网络安全  
> 1.物理层安全：…  
> 2.数据链路层安全： ADSL的账号密码机制、 VLAN 交换机端口绑定MAC地址机制  
> 3.网络层安全： 限制某网段能否连接外网  
> 4.应用层安全 ：开发的应用程序尽量做到没有漏洞  
> 5.会话层安全：通过netstat -nb查看本机建立的会话，查看是否与未知程序建立了会话。

## 计算机数据通信过程 ##

预备知识：

**DNS**：负责把网站域名解析成IP地址。

> IP地址分为网络段和主机段。举例：假设地址段为13.0.0.0，子网掩码为255.0.0.0
> 
> 子网掩码就是用来说明哪段地址是网络段的，255对应的就是网络段，本例只有第一段13是网络段，后面三段都是主机段）

**网关**：网关是指连接到其它网段时，应该连的那个地址，也即**路由器的IP地址**（路由器就是用来连接其它网段的设备）

**MAC地址**（物理地址）：出厂时就有，全球唯一电脑网卡、服务器、路由器的每个接口都有唯一的MAC地址。

下面我以一个例子来说明我们在上网的时候都发生了些什么。

如图所示（图中蓝色设备是交换机，绿色圆圈是路由器）

> 交换机是数据链路层中的设备  
> 交换机（Switch）意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。  
> 交换机内部的CPU会在每个物理端口成功连接时，通过将MAC地址和端口对应，形成一张MAC表。在今后的通讯中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口，而不是所有的端口。  
> 交换机可用于划分数据链路层广播，即冲突域；但它不能划分网络层广播，即广播域。多台机器连到一台路由器构成广播域

假设我们从IP地址为15.0.0.2的电脑去访问百度网：

![img][]

**1.从PC到服务器**

开始上网：（电脑的IP地址为15.0.0.2，百度网的IP地址为13.0.0.2）

用户输入网址：[http://www.baidu.com][http_www.baidu.com]

首先需要DNS把网址里的域名[www.baidu.com][http_www.baidu.com]解析成13.0.0.2（因为百度在地址为13.0.0.2的服务器上）

计算机都配DNS，该电脑给DNS服务器发送数据包，DNS服务器有记录，查询后将所求IP地址发送回原电脑；第二次电脑发数据直接访问13.0.0.2地址，此时电脑发送的数据长这样：

![img][img 1]

![img][img 2]

m4代表本机MAC地址，m5代表下一个路由器的MAC地址

继续演进：

![img][img 3]

注意：交换机（图中蓝色设备）看的是MAC地址，路由器（图中绿色圆圈）看的是IP地址和MAC地址

数据从m4的网卡出来，到交换机，交换机看到目标MAC是m5，转给路由器G；路由器看的是目标地址13.0.0.2；接着G路由器把原MAC地址和目的MAC地址改成m7, m8, 然后传到路由器A，A看到了13.0.0.2，需要传给B，A把原MAC地址和目的MAC地址改成m9, m10……就这样，数据在路由器的不断转发中到达服务器

总之，IP地址决定最终目的地，而MAC地址决定下一跳转到哪个路由

1.  **从服务器到PC**

网页普遍很大，数据包很小，不能一次性发送。因此服务器返回数据时需要把网页切割成小块，编上号（分组交换）。编完号之后的发送过程与之前的过程基本一样。

![img][img 4]

## 数据封装过程 ##

![format_png 1][]

*  在应用层、表示层、会话层封装基本的数据类型
 *  在传输层封装TCP头
 *  在网络层封装IP头（目标IP地址）
 *  在数据链路层加入目标物理地址（MAC）
 *  在物理层体现为二进制数据

最终我们的数据会被封装成这样：

![format_png 2][]

**解封装**：

计算机在接收到数据帧后，需要去掉为了传输而添加的附加信息，这称为解封装，是上述封装操作的逆向过程

![format_png 3][]

## 通信协议TCP/IP协议栈 ##

客户进程和服务器进程使用 TCP/IP 协议进行通信

![format_png 4][]

**TCP/IP协议和OSI参考模型：**  
即OSI参考模型各层次所对应的核心协议，依据这些协议进行封装、解析数据。  
TCP/IP协议栈将应用层、表示层、会话层合并。  
所有协议会在后面章节进行描述。  
![format_png 5][]

## 计算机网络的性能指标 ##

> **速率**：
> 
> 连接在计算机网络上的主机在**数字信道**上传送数据位数的速率，也称为data rate或bit rate。
> 
> 单位是b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s.

> **带宽**：
> 
> 数据通信领域中，**数字信道**所能传送的最高数据率
> 
> 单位是 b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s.

> **吞吐量**：
> 
> 在**单位时间**内通过某个网络的数据量;
> 
> 单位b/s, Mb/s, 等

> **时延**：
> 
> 时延又分为发送时延、传播时延、处理时延、排队时延
> 
> `发送时延=数据块长度（比特）/信道带宽（比特/秒`
> 
> `传播时延=信道长度（米）/信号在信道上的传播速率（米/秒）`

> **时延带宽积**：
> 
> ![format_png 6][]

> **利用率**：
> 
> 单条信道利用率 = 有数据通过时间/（有+无）数据通过时间
> 
> 网络利用率: = 信道利用率加权平均值
> 
> **利用率与时延的关系**：
> 
> ![format_png 7][]
> 
> ![format_png 8][]

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