Question

[计算机网络之一] 网络基础知识

Answer 1

  协议就是计算机与计算机之间通过网络实现通信时事先达成的一种 “约定”。这种 “约定” 使那些由不同的厂商、不同的 CPU 以及不同的操作系统组成的计算机之间，只要遵循相同的协议就能够实现通信。

  TCP/IP、AppleTalk（仅限苹果计算机使用）、SNA（IBM）、DECnet（DEC）、IPX/SPX（Novell）

  分组交换是指将大数据分割为一个个叫做包的较小单位进行传输的方法。

   ISO （International Organization for Stardards，国际标准化组织）制定了国际标准 OSI （Open System Interconnection，开放系统互联参考模型），但是没有得到普及，反而是随 Apanet 而生的 TCP/IP 协议在大学研究机构和计算机行业的推动下成为实际的业界标准。

  每个分层都接收由它下一层所提供的特定服务，并且负责为自己的上一层提供特定服务。上下层之间进行交互所遵循的约定叫做 “接口” ，同一层之间交互所遵循的约定叫做 “协议” 。

  协议分层参考了计算机软件中的模块化开发。

  单播、广播、多播、任播。

  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有两个相同地址的通信主体存在。

  有层次性的地址方便高效地找到通讯目标（eg: 快递地址国家、省市区）

  MAC地址有唯一性但没有层次性。

  以太网、无线、帧中继、ATM、FDDI、ISDN。

  NIC（Network Interface Card，网络接口卡），计算机必须有网卡才能接入网络。

  物理层面上延长网络的设备。将电缆传递过来的光电信号经过波形调整和放大之后传递给另一个电缆。

集线器 ：提供多个端口的中继器。

  数据链路层面连接两个网络的设备。 不同网络可能采用了不同的数据链路，数据传输的速率可能完全不一样 ，网桥会缓存一个网段传输到另一个网段的数据帧，再重新生成信号作为全新的帧转发给另一个网段（这里我理解不同数据链路帧的格式不一样，所以网桥需要缓存数据并转换位另一个数据链路中的帧格式）。

  网桥的其他作用：

① 根据数据帧中的 FCS 检查数据帧是否已损坏，是则不转发；

② 自学习MAC设备来自哪些网络，并记录在地址转发表中（地址转发表记录硬件地址与网络的映射关系）；

③ 过滤功能控制网络流量。

交换集线器 ：每个端口都相当于一个网桥。

  网络层面上连接两个网络、并对分组报文进行转发的设备。

应用场景：广域网加速器、特殊应用访问加速、防火墙。

  将传输层到应用层的数据进行转发和翻译的设备。

代理服务器 ：控制流量和出于安全考虑，客户端和服务端无需在网络上直接通信，而是从传输层到应用层对数据和访问进行各种控制和处理。

  研发基于分组交换技术的 ARPANET，取代容灾性差的中央集中式网络。

  单个网络无法解决所有通信问题，开始研究网络互连技术，出现了 TCP/IP，并首先被 BSD UNIX 采用，随之被广泛使用变得流程，所有使用 TCP/IP 协议的计算机都能利用互连网相互通信。

  围绕大型计算机中心建设计算机网络，即 NSFNET（国家科学基金网），它是一个三级网络，分为主干网、地区网和校园网。这种三级计算机网络覆盖了全美主要的大学和研究所，并成为互联网中的主要组成部分。

  NSFNET 逐渐被商用的互联网主干网替代，政府机构不再负责互联网的运营。用户接入互联网需要通过 ISP（Internet Service Provider：互联网服务提供商）。

   IXP（Internet eXchange Point）互联网交换点 的作用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（如上图中的主干 ISP）来转发分组。

  所有的互联网标准都是以 RFC 的形式在互联网上发表的，但并非所有的 RFC 文档都是互联网标准。

  制定互联网的正式标准要经过以下三个阶段

（1）互联网草案

（2）建议标准

（3）互联网标准

  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额，用来进行通信和资源共享。

  由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分视为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

① 电路交换的起源

② 电路交换的特点

  在使用信道时，信道两端的两个用户始终占用端到端的通信资源，线路上真正传送数据的时间比例很小，传输效率很低。

③ 电路交换的步骤

   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）

  电报通信采用基于存储转发原理的报文交换，整个报文被发送到相邻结点，存储下来，再转发到下一个结点。

① 分组交换的特点

  把一个完整的报文划分为一个个分组，每个分组传送到相邻结点后，存在下来查找转发表，在转发到下一个结点。

② 分组交换的优缺点

优点：每个分组可以经过不同的路由，使得有更好的可靠性，也能充分利用网络性能。

缺点：分组控制信息有一定开销，路由器存储转发时需要排队导致产生时延，无法确保通信时端到端所需的宽带。

① 广域网 WAN（Wide Area Network） 广域网的作用范围通常为几十到几千公里，是互联网的核心，其任务是通过长距离运送主机锁发送的数据。连接广域网各结点交换机的链路一般都是高速链路，具有较大的通信量。

② 城域网 MAN（Metropolotan Area Network） 城域网的作用范围一般是一个城市，作用距离约为 5 ~ 50 km。可以为一个或几个单位所用欧，也可以是一种公用设置，用来将多个局域网进行互联。目前很多城域网采用的是以太网技术。

③ 局域网 LAN（Local Area Network） 局域网一般用微型计算机或工作站通过高速通信链路相连（速率通常在 10 Mbit/s 以上），但地理上则局限在较小的范围（如 1 km 左右）。在局域网发展的初期，一个学校或工厂往往只拥有有个局域网，但现在局域网已非常广泛地使用，学校或企业大都拥有多个互连的局域网（这样的网络常称为 校园网 或 企业网 ）。

④ 个人局域网 PAN（Personal Area Network） 个人局域网就是在个人工作的地方把属于个人使用的电子设备用无线技术连接起来的网络，因此也常称为 无线个人局域网 WPAN（Wireless PAN） ，其范围很小，大约在 10 m 左右。

① 公用网（pulic network） 电信公司出资建造的大型网络。

② 专用网（private network） 某个部门为满足本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络。这种网络不向本单位以外的人提供服务，例如，军队、铁路、银行、电力等系统均有本系统的专用网。

   接入网（Access Network） ，又称为本地接入网或居民接入网。

  数据的传输速率，也称为数据率或比特率，单位为 bit/s（比特每秒）（或 b/s，有时也写为 bps，即 bit per second）。

  1 kbit/s = 1 × 10³ bit/s，1 Mbit/s = 1 × 10^6 bit/s，1 Gbit/s = 1 × 10^9 bit/s，1 Tbit/s = 1 × 10^12 bit/s

  吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的实际的数据量，单位同速率带宽。

  时延是指数据从网络的一端传送到另一端所需的时间，网络时延由几个部分组成：

               网络总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

[误区] 光纤的传播速率实际上比铜线要慢，但是光纤的带宽却比普通的双绞线要快，这是因为光信号的抗干扰性强，并且可以通过波分复用的信道复用技术，达到一路光纤传输多路信号的效果。

  时延带宽积表示信道中可以容纳多少比特。

  在计算机网络中，往返时间 RTT（Round-Trip Time）是一个重要的性能指标，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。

  使用卫星通信时，发送时延很短，主要消耗在来回传播时延上，即往返时间相对较长。

  利用率有信道利用率和网络利用率两种。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为零。网络利用率则是全网络的信道利用率的加权平均值。

  D0 表示网络空闲时的时延，D 表示网络当前的时延，U 表示利用率，则

  U = 1 - D0/D，变形一下，有

  信道利用率不是越高越好，因为信道利用率增大时，网络时延也会增加，因为排队时延增大。所以当 U 趋于 1 时，D 会趋于无限大，所以 信道或网络的利用率过高会产生非常大的时延 。

  费用、质量、标准化、可靠性、可扩展性和可升级性、易于管理和维护。

① 语法，即数据与控制信息的结构或格式；

② 语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应；

③ 同步，即时间实现顺序的详细说明。

① 各层独立；

② 灵活性好；

③ 结构上可分割开；

④ 易于实现和维护；

⑤ 能促进标准化工作。

   计算机网络的各层及其协议的集合就是网络的体系结构。

实体 ：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

协议 ：协议是水平的，控制两个对等实体进行通信的规则的集合。

服务 ：服务是垂直的，下层通过接口向上层提供服务。

服务访问点 ：SAP（Service Access Point），同一系统中相邻两层的实体进行交互的地方。