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计算机网络概述详解

发布时间:2019-08-06 14:23 来源:未知 编辑:admin

  因为在准备秋招,好长一段时间都没有写博客,等找了工作已经空闲了把知识路线从云笔记中整理后搬运过来。今天转载一篇关于计算机网络概述的文章,写得非常详细,转载地址:

  21世纪的一些重要特征就是数字化(digitalize)、网络化(Network)和信息化(informationalized),它是一个以网络为核心的信息时代。要实现信息化就必须依靠完善的网络(网络可以非常迅速地传递信息)

  最初按照服务分工分为电信网络、有线电视网络和计算机网络(计算机之间传送数据文件)

  随着技术的发展,电信网络和有线电视网络都逐渐融入了现代计算机网络的技术,扩大了原有的服务范围

  什么是互联网呢?很难说清楚。但可以从两个不同的方面来认识互联网。互联网的应用和互联网的工作原理

  互联网之所以能够向用户提供许多服务,就是因为互联网具有两个重要基本特点,即连通性(connectivity)和共享

  连通性(connectivity),就是互联网使上网用户之间,不管相距多远(例如,相距数 千公里),都可以非常便捷、非常经济(在很多情况下甚至是免费的)地交换各种信息(数据,以及各种音频视频)

  互联网具有虚拟的特点。例如,当你从互联网上收到一封电子邮件时,你可能无法准确知道对方是谁(朋友还是骗子),也无法知道发信人的地点(在附近,还是在地球对面)

  共享就是指资源共享。资源共享的含义是多方面的。可以是信息共享、软件共享,也可以是硬件共享

  生活越是依赖于互联网,互联网的可靠性也就越重要。现在互联网己经成为社会最为重要的基础设施

  “互联网+”。它的意思就是“互联网+各个传统行业”,因此可以利用信息通信技术和互联网平台来创造新的发展生态。实际上“互联网+” 代表一种新的经济形态,其特点就是把互联网的创新成果深度融合于经济社会各领域之中, 这就大大地提升了实体经济的创新力和生产力

  网络之间通过路由器互连起来,就构成一个覆盖范围更大的计算机网络,互连,由网络构成的互连网(网络的网络)

  网络互连除了将计算机在物理上的互连外,还需要在计算机上安装能交换信息的软件才能够相互交换信息

  第一阶段是从单个网络ARPANET向互连网发展的过程(单个的分组交换,不是互连的网络)

  第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网。三级计算机网络,分为主干网、地区网和校园网(或企业网)

  第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的互联网。商用的互联网主干网替代NSFNET

  ISP从互联网管理机构申请到很多IP地 址 (互联网上的主机必须有IP地址才能上网),同时拥有通信线路(大 ISP自己建造通信线路,小 ISP则向电信公司租用通信线路)以及路由器等连网设备,因此任何机构和个人只要向某个ISP交纳规定的费用,就可从该ISP获取所需IP地址的使用权,并可通过该 ISP接入到互联网。所 谓 “上网”就是指“(通过某ISP获得的IP地址)接入到互联网”

  根据提供服务的覆盖面积大小以及所拥有的IP 地址数目的不同,ISP也分为不同层次

  随着互联网上数据流量的急剧增长,开始研究如何更快地转发分组,以及如何更加有效地利用网络资源。产生互联网交换点 IXP (Internet exchange Point)

  IXP的主要作用就是允许两个网络直接相连并交换分组,而不需要再通过第三个网络来转发分组

  Internet (互联网,或因特网)一个专用名词,它指当前全球最大的、开放的、由众多网络相互连接而成的特定互连网,它采用TCP/IP协议族作为通信的规则

  互联网的标准化对互联网发展有很大作用,没有标准就可能形成多种技术体制且不兼容的转台(所以制定国际标准)

  互联网的拓扑结构虽然非常复杂,但从其工作方式上看, 可以划分为以下两大块

  边缘部分由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的,用来进行通信(传送数据、音频或视频)和资源共享。

  核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的 (提供连通性和交换)(路由器很重要,路由器之间由高速链路组成)

  网络边缘的端系统之间的通信方式通常可划分为两大类:客户-服务器方式(C /S方式)和对等方式(P2P方式)

  客户是服务请求方,服务器是服务提供方(服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务)

  (1) 被用户调用后运行,在通信时主动向远地服务器发起通信(请求服务)。因此,客户程序必须知道服务器程序的地址。

  (1) 是一种专门用来提供某种服务的程序,可同时处理多个远地或本地客户的请求。

  (2) 系统启动后即自动调用并一直不断地运行着,被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此,服务器程序不需要知道客户程序的地址。

  客户和服务器本来都指的是计算机进程(软件),表示机器时称客户端或服务器端

  是指两台主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方哪一个是服务提供方。只要两台主机都运行了对等连接软件(P2P软件),它们就可以进行平等的、对等连接通信

  从本质上看仍然是使用客户-服务器方式,只是对等连接中的每一台主机既是客户又同时是

  网络核心部分是互联网中最复杂的部分,因为网络中的核心部分要向网络边缘中的大量主机提供连通性,使边缘部分中的任何一台主机都能够向其他主机通信。

  在网络核心部分起特殊作用的是路由器(router),它是一种专用计算机(但不叫做主机)。路由器是实现分组交换(packet switching)的关键构件,其任务是转发收到的分组,这是网络核心部分最重要的功能

  交换(switching)就是按照某种方式动态地分配传输线路的 资源。在使用电路交换通话之前,必须先拨号请求建立连接。当被叫用户听到交换机送来的振铃音并摘机后,从主叫端到被叫端就建立了一条连接,也就是一条专用的物理通路,通话完毕挂机后,交换机释放刚才使用的这条专用的物理通路(即把刚才占用的所有通信资源归还给电信网)

  必须经过“建立连接(占用通信资源)通话(一直占用通信资源)-释放连接(归还通信资源)”三个步骤的交换方式称为电路交换

  电路交换的一个重要特点就是在通话的全部时间内,通话的两个用户始终占用端到端的通信资源

  使用电路交换来传送计算机数据时,其线路的传输效率往往很低(计算机数据是突发式的出现在线路上),用户占用的通信线路资源在绝大部分时间里都是空闲的(浏览网站,输入时..),常常通信线路资源并未被利用而是白白被浪费

  分组交换则采用存储转发技术,通常把要发送的整块数据称为一个报文(message)。在发送报文之前,先把较长的 报文划分成为一个个更小的等长数据段,在每一个数据段前面,加上一些由必要的控制信息组成的首部(header)(也称包头)后,就构成了一个分组(packet)(包)

  分组中的 “首部”是非常重要的,正是由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息,每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径,并被正确地交付到分组传输的终点

  网络边缘的主机和位于网络核心部分的路由器都是计算机,主机是为用户进行信息处理的,并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器则是用来转发分组的,即进行分组交换的。路由器收到分组,暂时存储,检查首部,按照信息配对地址,转发

  各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息,以便创建和动态维护路由器中的转发表,使得转发表能够在整个网络拓扑发生变化时及时更新

  讨论路由转发时,常把单个网络简化为一条链路,路由器称为核心部分的结点,在转发分组时最重要的就是要知道路由器之间是怎样连接起来的

  只是当分组正在此链路上传送时才被占用。在各 分组传送之间的空闲时间,链路H1-A仍可为其他主机发送的分组使用,路由器A会 把主机H1发来的分组放入缓存,查找转发表,然后转发(过程中不会占用网络其他部分的资源)

  路由器暂时存储的是一个个短分组,而不是整个的长报文。短分组是暂存在路由器的存储器(即内存)中而不是存储在磁盘中的。这就保证了较高的交换速率

  互联网可以容许非常多的主机同时进行通信,而一台主机中的多个进程(即正在运行中的多个程序)也可以各自和不同主机中的不同进程进行通信

  分组交换在传送数据之前不必先占用一条端到端的链路的通信资源。分组 在哪段链路上传送才占用这段链路的通信资源。分组到达一个路由器后,先暂时存储下来, 查找转发表,然后从一条合适的链路转发出去。分组在传输时就这样一段一段地断续占用通信资 源,而且还省去了建立连接和释放连接的开销,因而数据的传输效率更高

  采用存储转发的分组交换,实质上是采用了在数据通信的过程中断续 (或动态)分配传输带宽的策略,这对传送突发式的计算机数据非常合适,使得通信线路的利用率大大提高了

  为了提高分组交换网的可靠性,互联网的核心部分常采用网状拓扑结构,使得当发生网络拥塞或少数结点、链路出现故障时,路由器可灵活地改变转发路由而不致引起通信的中断或全网的瘫痪

  分组在各路由器存储转发时需要排队,这就会造成一定的时延(需要减少时延),由于分组交换不像电路交换那样通过建立连接来保证通信时所需的各种资源,因而无法确保通信时端到端所需的带宽

  分组交换带来的另一个问题是各分组必须携带的控制信息也造成了一定的开销 (overhead)。整个分组交换网还需要专门的管理和控制机制

  图知,若要连续传送大量的数据,且其传送时间远大于连接建立时间,则电路交换的传输速率较快。报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽,在传送突发数据时可提高整个网络的信道利用率。由于一个分组的长度往往远小于整个报文的长度,因此分组交换比报文交换的时延(因为排队)小,同时也具有更好的灵活性

  信道(channel)是指以传输媒体为基础的信号通路(包括有线或无线电线路),其作用是传输信号

  计算机网络主要是由一些通用的、 可编程的硬件互连而成的,而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的(例如,传送数据或视频信号)。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据,并能支持广泛的和日益增长的应用

  接入网AN (Access Network),它又称为本地接入网或居民接入网。这是 一类比较特殊的计算机网络接入网本身既不属于互联网的核心部分,也不属于互联网的边缘部分

  从作用上看,接入网只是起到让用户能够与互联网连接的“桥梁”作用(电话拨号,宽带)

  计算机发送出的信号都是数字形式的。比特(bit)来源于binary digit,意思是 一 个 “二进制数字”

  一般提到网络的速率时,往往指的是额定速率或标称速率,而并非网络实际上运行的速率

  (1)带宽本来是指某个信号具有的频带宽度。信号的带宽是指该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围

  (2)在计算机网络中,带宽用来表示网络中某通道传送数据的能力,因此网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。这种意义的带宽的单位就是数据率的单位bit/s,是 “比特每秒”。

  在 “带宽”的上述两种表述中,前者为频域称谓,而后者为时域称谓,其本质是相同的。也就是说,一条通信链路的“带宽”越宽,其所能传输的“最高数据率”也越高

  吞吐量(throughput)表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的实际的数据量。吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制

  时延(delay或 latency)是指数据(一个报文或分组,甚至比特)从 网 络 (或链路)的一 端传送到另一端所需的时间

  发送时延(transmission delay)是主机或路由器发送数据帧所需要的时 间,也就是从发送数据帧的第一个比特算起,到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间(发生在机器的内部,一般在网络适配器)

  传播时延(propagation delay)是电磁波在信道中传播一定的距离需要花 费的时间

  传播时延发生在机器外部的传输信道媒体上,而与信号的发送速率无关。信号传送的距离越远,传播时延就越大

  主机或路由器在收到分组时要花费一定的时间进行处理,例如分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等,这就产生了处理时延。

  分组在经过网络传输时,要经过许多路由器。但分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。在路由器确定了转发接口后,还要在输出队列中排队等待转发。这就产生了排队时延。排队时延的长短往往取决于网络当时的通信量。当网络的通信量很大时会发生队列溢出,使分组丢失,这相当于排队时延为无穷大

  网络性能的两个度量—— 传播时延和带宽—— 相乘,就得到另一个很有用的度量:传播时延带宽积

  往返时间RTT (Round-Trip Time)也是一个重要的性能指标。这是因为 在许多情况下,互联网上的信息不仅仅单方向传输而是双向交互的。因此,我们有时很需要知道双向交互一次所需的时间

  往返时间还包括各中间结点的处理时延、排队时延以及转发数据时的发送时延。当使用卫星通信时,往返时间RTT相对较长是一个很重要的性能指标

  信道利用率指出某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)。完全空闲的信道的利用率是零。网络利用率则是全网络的信道利

  用率的加权平均值。信道利用率并非越高越好。这是因为,根据排队论的理论,当某信道的利用率增大时,该信道引起的时延也就迅速增加(会增加排队)

  如果令D0表示网络空闲时的时延,D 表示网络当前的时延,那么在适当的假定条件下,可以用下面的简单公式来表示D,D0和利用率U 之

  络的质量取决于网络中所有构件的质量,以及这些构件是怎样组成网络的。网络的质量影响到很多方面,如网络的可靠性、网络管理的简易性

  网络的硬件和软件的设计既可以按照通用的国际标准,也可以遵循特定的专用网络标准。最好采用国际标准的设计,这样可以得到更好的互操作性,更易于升级换代和维修,也更容易得到技术上的支持

  可靠性与网络的质量和性能都有密切关系(高速网络可靠的运行需要更高的费用)

  在构造网络时就应当考虑到今后可能会需要扩展(即规模扩大)和升级(即性能和版本的提高)

  在这两台计算机之间必须有一条传送数据的通路。但这还远远不够。至少还有以下几项工作需要去完成:

  (1) 数据通信的通路进行激活(activate)。所谓 “激活”就是要 发出一些信令,保证要传送的计算机数据能在这条通路上正确发送和接收。

  (3) 发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已开机,并且与网络连接正常。

  (4) 发起通信的计算机中的应用程序必须弄清楚,在对方计算机中的文件管理程序是否

  (5) 若计算机的文件格式不兼容,则至少其中一台计算机应完成格式转换功能。

  (6) 对出现的各种差错和意外事故,如数据传送错误、重复或丢失,网络中某个结点交换机出现故障等,应当有可靠的措施保证对方计算机最终能够收到正确的文件。

  最初的 ARPANET设计时即提出了分层的方法。“分层”可将庞大而复杂的问题,转化为若干较 小的局部问题,而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理。

  国际标准化组织ISO提出了一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架,即著名

  在计算机网络中要做到有条不紊的交换数据,就必须遵守一些事先约定好的规则,这些规则明确规定了说交换的数据格式以及相关同步问题(这里的同步指的是广义上的同步,即在一定条件下应当发生什么事件)。这些进行网络中的数据交换而建立的规则就是网络协议,含有三要素

  ARPANET的研制经验表明,对于非常复杂的计算机网络协议,其结构应该是层次式的。我们可以举一个简单的例子来说明划分层次的概念。现在假定我们在主机1 和主机2 之间通过一个通信网络传送文件。这是一项比较复杂的工作,因为需要做不少的工作。第一类工作与

  发送端的文件传送应用程序应当确信接收端的文件管理程序已做好接收和存储文件的准备。若两台主机所用的文件格式不一样,则至少其中的一台主机应完成文件格式的转换。这两项工作可用 一个文件传送模块来完成

  不能让文件传送模块完成全部工作的细节,这样会使文件传送模块过于复杂。可以再设立一个通信服务模块,用来保证文件和文件传送命令可靠地在两个系统之间交换

  构造一个网络接入模块,让这个模块负责做与网络接口细节有关的工作,并向上层提供服务,使上面的通信服务模块能够完成可靠通信的任务

  (1)各层之间是独立的,仅需要知道该层通过层间的接口(即界面)所提供的服务,每一层只实现一种相对独立的功能,因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题。这样,整个问题的复杂程度就下降了

  (2)灵活性好。当任何一层发生变化时(例如由于技术的变化),只要层间接口关系保持不变,则在这层以上或以下各层均不受影响。此外,对某一层提供的服务还可进行修改。当某层提供的服务不再需要时,甚至可以将这层取消。

  (4)易于实现和维护。这种结构使得实现和调试一个庞大而又复杂的系统变得易于处理,因为整个的系统已被分解为若干个相对独立的子系统。

  (5)能促进标准化工作。因为每一层的功能及其所提供的服务都己有了精确的说明。

  分层时应注意使每一层的功能非常明确。若层数太少,就会使每一层的协议太复杂。但层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。通常各层所要完成的功能主要有以下一些(可以只包括一种,也可以包括多种):

  分层当然也有缺点,例如,有些功能会在不同的层次中重复出现,因而产生了额外开销

  计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构(architecture),体系结构是抽象的,而实现则是具体的,是真正在运行的计算机硬件和软件

  应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。这里的进程就是指主机中正在运行的程序。对于不同的网络应用需要有不同的应用层协议。我们把应用层交互的数据单元称为报文(message)

  在互联网中的应用层协议很多,如域名系统DNS,支持万维网应用的HTTP协议,支持电子邮件的SMTP协议,等等。

  负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务,应用进程利用该服务传送应用层报文。所谓“通用的”,是指并不针对某个特定网络应用,而是多种应用可以使用同一个运输层服务。由于一台主机可同时运行多个进程,因此运输层有复用和分用的功能。复用就是多个应用层进程可同时使用下面运输层的服务,分用和复用相反,是运输层把收到的信息分别交付上面应用层中的相应进程。

  •用户数据报协议UDP(User Datagram Protocol)—–提供无连接的、尽最大努力(best-effort)的数据传输服务(不保证数据传输的可靠性),其数据传输的单位是用户数据报。

  网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时,网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。在 TCP/IP体系中,由于网络层使IP协议,所以分组也叫做IP数据报

  网络层的另一个任务是选择合适的路由,使源主机运输层传下来的分组能够通过网络中的路由器找到目的主机

  互联网是由大量的异构网络通过路由器相互连接起来的,互联网的网络层使用的是无连接的网际协议IP和许多种路由选择协议

  简称链路层,两台主机之间的数据传输,总是在一段链路上传送,这就需要专门的链路层协议。在两个相邻结点之间传送数据时,数据链路层将网络层交下来的IP数据报组装成帧,帧在两个结点之间传送。每一个帧包括数据和必要的控制信息(同步信息、地址信息、差错控制等)

  接收数据时,控制信息能够知道一个帧从哪个比特开始和哪个比特结束。这样数据链路层在收到一个帧后,就可以从中提取出数据部分,上交给网络层。

  控制信息还使接收端能够检测到所收到的帧中有误差错。有就丢弃。如果需要还可改正数据在传输时出现的差错

  所谓对等层,就是任何两个同样的层次之间,如同有水平虚线连接一样,把数据(即数据单元加上控制信息)通过水平虚线直接传递给对方

  研宄开放系统中的信息交换时,往往使用实体(entity)这一较为抽象的名词表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。实体就是一个特定的软件模块。

  协议是控制两个对等实体(或多个实体)进行通信的规则的集合。协议的语法方面的规则定义了所交换的信息的格式,而协议的语义方面的规则就定义了发送者或接收者所要完成的操作,例如,在何种条件下,数据必须重传或丢弃。在协议的控制下,两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。要实现本层协议,还需要使用下面一层所提供的服务。

  协议的实现保证了能够向上一层提供服务。使用本层服务的实体只能看见服务而无法看见下面的协议。也就是说,下面的协议对上面的实体是透明的。

  其次,协议是“水平的”,即协议是控制对等实体之间通信的规则。但服务是“垂直的”,即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。

  并非在一个层内完成的全部功能都称为服务。只有那些能够被高一层实体“看得见”的功能才能称之为“服务”。上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换一些命令,这些命令在OSI中称为服务原语。

  在同一系统中相邻两层的实体进行交互(即交换信息)的地方,通常称为服务访问点SAP (Service Access Point)。服务访问点SAP是一个抽象的概念,它实际上就是一个逻辑接口,有点像邮政信箱(可以把邮件放入信箱和从信箱中取走邮件),但这种层间接口和两个设备之间的硬件接口(并行的或串行的)并不一样。OSI把层与层之间交换的数据的单位称为服务数据单元SDU (Service Data U nit),它可以与PDU不一样。例如,可以是多个SDU合成为一个PDU,也可以是一个SDU划分为几个PDU。

  计算机网络的协议还有一个很重要的特点,就是协议必须把所有不利的条件事先都估

  从图中可以看出TCP/IP协议两头大中间小。网络层和网络接口层都有很多协议。这种形式表明,TCP/IP协议可以为格式各样的应用提供服务。也允许在各式各样的网络构成的互联网上运行

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