計算機網路01：概述

阿新 • • 發佈：2020-07-06

計算機網路01：概述

計算機網路01：概述

1.0、課程學習目錄

1、計算機網路概述

2、物理層

3、資料鏈路層

4、網路層（重點）

5、運輸層（重點）

6、應用層

7、網路安全

8、因特網上的視訊/音訊服務

9、無線網路

10、下一代因特網

1.1、計算機網路的定義及其特點

計算機網路的定義：

計算機網路的精確定義並未統一。
較好的定義：
計算機網路主要是由一些通用的、可程式設計的硬體互連而成的，而這些硬體並非專門用來實現某一特定目的（例如，傳送資料或視訊訊號）。這些可程式設計的硬體能夠用來傳送多種不同型別的資料，並能支援廣泛的和日益增長的應用。

計算機網路的特點：

連通性 (Connectivity)

使上網使用者之間都可以交換資訊（資料，以及各種音訊視訊），好像這些使用者的計算機都可以彼此直接連通一樣。
注意，網際網路具有虛擬的特點，無法準確知道對方是誰，也無法知道對方的位置。

共享 (Sharing)

指資源共享。
資源共享的含義是多方面的。可以是信息共享、軟體共享，也可以是硬體共享。
由於網路的存在，這些資源好像就在使用者身邊一樣，方便使用。

1.2、網際網路概述

網路、網際網路、因特網：

網路：許多計算機連線到一起
網際網路：許多網路連線到一起
因特網：全球最大的一個網際網路

internet 和 Internet 的區別

以小寫字母 “i” 開始的 internet（互連網）是一個通用名詞，它泛指由多個計算機網路互連而成的網路。
以大寫字母 “I” 開始的的 Internet（網際網路或因特網）則是一個專用名詞，它指當前全球最大的、開放的、由眾多網路相互連線而成的特定計算機網路，它採用 TCP/IP 協議族作為通訊的規則，且其前身是美國的 ARPANET。

任意把幾個計算機網路互連起來（不管採用什麼協議），並能夠相互通訊，這樣構成的是一個互連網 (internet)，而不是網際網路 (Internet)。

網際網路發展的三個階段：

第一階段：從單個網路 ARPANET 向網際網路發展的過程。

1969年，美國國防部研發的 APPANET 網路，但只有四個結點
1983 年，TCP/IP 協議成為 ARPANET 上的標準協議，使得所有使用 TCP/IP 協議的計算機都能利用互連網相互通訊。
人們把 1983 年作為網際網路的誕生時間。
1990年，ARPANET 正式宣佈關閉。

第二階段：建成了三級結構的網際網路。
它是一個三級計算機網路，分為主幹網、地區網和校園網（或企業網）。

第三階段：逐漸形成了多層次 ISP 結構的網際網路。

出現了網際網路服務提供者 ISP (Internet Service Provider)。
- 移動
- 聯通
- ……
任何機構和個人只要向某個 ISP 交納規定的費用，就可從該 ISP 獲取所需 IP 地址的使用權，並可通過該 ISP 接入到網際網路。
根據提供服務的覆蓋面積大小以及所擁有的IP地址數目的不同，ISP 也分成為不同層次的 ISP：主幹 ISP、地區 ISP和本地 ISP。

1.3、網際網路的組成

從網際網路的工作方式上看，可以劃分為兩大塊：

邊緣部分：由所有連線在網際網路上的主機組成。
- 這部分是使用者直接使用的，用來進行通訊（傳送資料、音訊或視訊）和資源共享。
核心部分：由大量網路和連線這些網路的路由器組成。
- 這部分是為邊緣部分提供服務的（提供連通性和交換）。

因特網 = 邊緣部分 + 核心部分 = 通訊子網 + 資源子網

1.3.1、網際網路的邊緣部分

處在網際網路邊緣的部分就是連線在網際網路上的所有的主機。

這些主機又稱為：端系統 (end system)。

端系統在功能上可能有很大的差別：

小的端系統可以是一臺普通個人電腦，具有上網功能的智慧手機，甚至是一個很小的網路攝像頭。
大的端系統則可以是一臺非常昂貴的大型計算機。
端系統的擁有者可以是個人，也可以是單位（如學校、企業、政府機關等），當然也可以是某個 ISP。

“主機 A 的某個程序和主機 B 上的另一個程序進行通訊”。簡稱為“計算機之間通訊”。

端系統之間的兩種通訊方式

客戶 / 伺服器方式（C/S方式）
- 即 Client/Server 方式，簡稱為 C/S 方式。
對等方式（P2P方式）
- 即 Peer-to-sPeer 方式，簡稱為 P2P 方式。

C/S 方式

客戶 (client) 和伺服器 (server) 都是指通訊中所涉及的兩個應用程序。
客戶 / 伺服器方式所描述的是程序之間服務和被服務的關係。
客戶是服務的請求方，伺服器是服務的提供方。

服務請求方和服務提供方都要使用網路核心部分所提供的服務。

客戶軟體的特點：

被使用者呼叫後執行，在打算通訊時主動向遠地伺服器發起通訊（請求服務）。因此，客戶程式必須知道伺服器程式的地址。
不需要特殊的硬體和很複雜的作業系統。

伺服器軟體的特點：

一種專門用來提供某種服務的程式，可同時處理多個遠地或本地客戶的請求。
系統啟動後即自動呼叫並一直不斷地執行著，被動地等待並接受來自各地的客戶的通訊請求。因此，伺服器程式不需要知道客戶程式的地址。
一般需要強大的硬體和高階的作業系統支援。

客戶與伺服器的通訊關係建立後，通訊可以是雙向的，客戶和伺服器都可傳送和接收資料。

P2P 方式

對等連線 (peer-to-peer，簡寫為 P2P ) 是指兩個主機在通訊時並不區分哪一個是服務請求方還是服務提供方。
只要兩個主機都運行了對等連線軟體 ( P2P 軟體) ，它們就可以進行平等的、對等連線通訊。
雙方都可以下載對方已經儲存在硬碟中的共享文件、迅雷下載。

對等連線方式的特點：

對等連線方式從本質上看仍然是使用客戶伺服器方式，只是對等連線中的每一個主機既是客戶又是伺服器。
例如主機 C 請求 D 的服務時，C 是客戶，D 是伺服器。但如果 C 又同時向 F提供服務，那麼 C 又同時起著伺服器的作用。

對等連線工作方式可支援大量對等使用者（如上百萬個）同時工作。

1.3.2、網際網路的核心部分

網路核心部分是網際網路中最複雜的部分。
在網路核心部分起特殊作用的是路由器 (router)。
路由器是實現分組交換 (packet switching) 的關鍵構件，其任務是轉發收到的分組，這是網路核心部分最重要的功能。
分組轉發是網路核心部分最重要的功能。

資料交換方式

電路交換（Circuit Switching）
報文交換（Message Switching）
分組交換（Packet Switching）

報文交換和分組交換都有儲存轉發的功能

電路交換

每一部電話都直接連線到交換機上，而交換機使用交換的方法，讓電話使用者彼此之間可以很方便地通訊。
所採用的交換方式就是電路交換 (circuit switching)。

電路交換的特點：

電路交換必定是面向連線的。
電路交換分為三個階段：
1. 建立連線：建立一條專用的物理通路，以保證雙方通話時所需的通訊資源在通訊時不會被其他使用者佔用；
2. 通訊：主叫和被叫雙方就能互相通電話；
3. 釋放連線：釋放剛才使用的這條專用的物理通路（釋放剛才佔用的所有通訊資源）。

舉例：A 和 B 通話經過四個交換機

電路交換資料量很大的實時性傳輸

核心路由之間可以使用電路交換。

分組交換

分組交換則採用儲存轉發技術。
在傳送端，先把較長的報文劃分成較短的、固定長度的資料段。
每一個分組的首部都含有地址（諸如目的地址和源地址）等控制資訊。
分組交換網中的結點交換機根據收到的分組首部中的地址資訊，把分組轉發到下一個結點交換機。
每個分組在網際網路中獨立地選擇傳輸路徑。
用這樣的儲存轉發方式，最後分組就能到達最終目的地。

路由器：

在路由器中的輸入和輸出埠之間沒有直接連線。
路由器處理分組的過程是：
1. 把收到的分組先放入快取（暫時儲存）；
2. 查詢轉發表，找出到某個目的地址應從哪個埠轉發；
3. 把分組送到適當的埠轉發出去。

主機是為使用者進行資訊處理的，並向網路傳送分組，從網路接收分組。
路由器對分組進行儲存轉發，最後把分組交付目的主機。

優點：

高效
靈活
迅速
可靠

缺點：

時延：分組在各結點儲存轉發時需要排隊，這就會造成一定的時延。
開銷：分組必須攜帶的首部（裡面有必不可少的控制資訊）也造成了一定的開銷。

報文交換

報文一般比分組長的多
報文交換的時延較長

1.4、計算機網路的類別

作用範圍

廣域網 WAN：花錢賣服務，花錢買頻寬
都會網路 MAN
區域網 LAN：自己購買裝置，自己維護，頻寬固定，距離100m內
個人區域 PAN

對於現在而言，應用了廣域網技術稱之為：廣域網（WAN）；應用了局域網技術稱之為：區域網（LAN）

使用者

公用網 Public Network
專用網 Private Network

拓撲結構

匯流排型
環形
星型
樹型
網狀

交換方式

電路交換網
報文交換網
分組交換網

工作方式

資源子網
通訊子網
接入網：它又稱為本地接入網或居民接入網。是從某個使用者端系統到網際網路中的第一個路由器（也稱為邊緣路由器）之間的一種網路。

1.5、計算機網路的效能

速率（bit rate）
- 連線到計算機網路的主機在數字通道傳輸資料位數的速率；
- 也叫資料率或位元率；
- 速率往往是指額定速率或標稱速率，非實際執行速率；
- 單位是bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s等；
頻寬（bandwidth）
- 資料通訊領域中，表示在單位時間內網路中的數字通道所能通過的“最高資料率”；
- 單位是 bit/s，即 “位元每秒”；
吞吐率（throughput）
- 表示在單位時間內通過某個網路（或通道、介面）的資料量。
- 單位是 bit/s，或 kbit/s、Mbit/s、 Gbit/s等；
- 吞吐量更經常地用於對現實世界中的網路的一種測量，以便知道實際上到底有多少資料量能夠通過網路；
- 吞吐量受網路的頻寬或網路的額定速率的限制；
時延（delay、latency）
- 是指資料（一個報文或分組，甚至位元）從網路（或鏈路）的一端傳送到另一端所需的時間；
- 有時也稱為延遲或遲延；
- 絡中的時延由以下幾個不同的部分組成：
  - 傳送時延（傳輸時延）：從傳送資料幀的第一個位元算起，到該幀的最後一個位元傳送完畢所需的時間
  - 傳播時延：電磁波在通道中需要傳播一定的距離而花費的時間
  - 處理時延：主機或路由器在收到分組時，為處理分組（例如分析首部、提取資料、差錯檢驗或查詢路由）所花費的時間
  - 排隊時延：分組在路由器輸入輸出佇列中排隊等待處理所經歷的時延

資料在網路中經歷的總時延 = 傳送時延 + 傳播時延 + 處理時延 + 排隊時延

時延頻寬積
- 鏈路的時延頻寬積又稱為以位元為單位的鏈路長度。

往返時間 RTT（round-trip time）
- 表示從傳送方傳送資料開始，到傳送方收到來自接收方的確認，總共經歷的時間；
- 當使用衛星通訊時，往返時間 RTT 相對較長，是很重要的一個性能指標；
利用率
- 通道利用率：\(\frac{有資料通過的時間}{(有+無)資料通過的時間}\)
- 網路利用率：通道利用率的加權平均值
- 通道利用率並非越高越好。當某通道的利用率增大時，該通道引起的時延也就迅速增加
- 若令 D0 表示網路空閒時的時延，D 表示網路當前的時延，U 表示網路利用率
- \(D = \frac{D0}{1 - U}\)

1.6、計算機網路的體系結構

幾個基本的概念：

ISO	國際標準化組織
OSI/RM	網際網路法律上的國際標準
TCP/IP Suite	因特網事實上的國際標準
Network Protocols	資料交換遵循的規則、標準或約定
網路體系結構	計算機網路各層及協議的集合

開放系統互連基本參考模型 OSI/RM (Open Systems Interconnection Reference Model)，簡稱為 OSI；

只要遵循 OSI 標準，一個系統就可以和位於世界上任何地方的、也遵循這同一標準的其他任何系統進行通訊；

計算機網路的體系結構：

分層好處：

各層之間是獨立的；
靈活性好；
結構上可分割；
易於實現和維護；
能促進標準化工作；

OSI 7層模型

1、應用層：能夠產生網路流量，能夠和使用者互動的應用程式；

2、表示層：加密，壓縮，開發人員關注

3、會話層：

伺服器和客戶端建立的會話；
查木馬：netstat -nb

4、傳輸層：

可靠傳輸：TCP 建立會話，QQ傳檔案
不可靠傳輸：UDP 不建立會話，QQ聊天，DNS
流量控制

5、網路層（路由器）：

IP 地址編址
選擇最佳路徑

6、資料鏈路層：

資料如何封裝
新增實體地址（MAC地址）

7、物理層：電壓，介面標準

程式開發人員關注前三層：應用層、表現層、會話層

網路工程師關注：傳輸層、網路層、資料鏈路層

網路排錯：從底層(物理層) --> 高層(應用層) 排錯

1、物理層排錯：檢視連線狀態，傳送和接收的資料包

2、資料鏈路層故障：MAV 衝突，ADSL 欠費，網速沒辦法協商一致，計算機連線到錯誤的VLAN

3、網路層故障：配置錯 IP 地址、子網掩碼、閘道器，路由器沒有配置到達的目標網路的路由

4、應用層故障：應用程式配置錯誤時

主機 1 向主機 2 傳送資料

OSI 參考模型把對等層次之間傳送的資料單位稱為該層的協議資料單元 PDU (Protocol Data Unit)。這個名詞現已被許多非 OSI 標準採用。
任何兩個同樣的層次把資料（即資料單元加上控制資訊）通過水平虛線直接傳遞給對方。這就是所謂的“對等層”(peer layers)之間的通訊。
各層協議實際上就是在各個對等層之間傳遞資料時的各項規定。

實體、協議、服務和服務訪問點

**實體 (entity) **：表示任何可傳送或接收資訊的硬體或軟體程序；
協議(protocol)：控制兩個對等實體進行通訊的規則的集合；
服務(service)：下層向上層提供服務，上層需要使用下層提供的服務來實現本層的功能；
服務訪問點(SAP，Service Access Point)：相鄰兩層實體間交換資訊的地方；
- 服務訪問點SAP是一個抽象的概念，它實際上就是一個邏輯介面。
- OSI 把層與層之間交換的資料的單位稱為 服務資料單元 SDU (Service Data Unit)。
- SDU 可以與 PDU 不一樣，例如，可以是多個 SDU 合成為一個 PDU，也可以是一個 SDU 劃分為幾個 PDU。