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1 计算机网络概述

• 计算机网络是指通过通信设备和传输介质将地理位置分散的多台计算机系统互相连接起来，实现数据通信和资源共享的系统。

1.1 计算机网络分类

• 按网络的覆盖范围分类：广域网、城域网、局域网、个域网
• 按网络的使用者分为：公用网、专用网
• 按网络拓扑分类：总线型、星型、环形、网状型

1.2 计算机网络的性能指标

• 计算机网络的性能指标被用来从不同方面度量计算机网络的性能。常用的有速率、带宽、吞吐量、时延、时延带宽积、往返时间、利用率、丢包率这8个性能指标。
• 速率
  • 速率指数据的传输速率，即每秒传送多少个比特，也称为数据率或比特率。
  • 速率的基本单位是比特/秒（bit/s或bps）。
• 带宽
  • 用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力，即在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。
  • 线路的 “频率带宽” 越宽，其所传输数据的 “最高数据率” 也越高。
  • 带宽的基本单位是比特/秒（bit/s或bps）。
• 吞吐量
  • 指在单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量。
  • 吞吐量常被用于对实际网络的测量，以便获知到底有多少数据量通过了网络。
• 时延
  • 指数据从网络的一端传送到另一端所耗费的时间。
  • 网络中的时延由发送时延、传播时延、排队时延以及处理时延这四部分组成。
• 时延带宽积
  • 时延带宽积是传播时延和带宽的乘积。
  • 可以将链路看作一个圆柱形管道，管道的长度是线路的传播时延，管道的横截面积是链路的带宽。因此，时延带宽积就相当于这个管道的容积，表示这样的链路可以容纳的比特数量。
• 往返时间
  • 往返时间（RTT）是指从发送端发送数据分组开始，到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止，总共耗费的时间。
• 利用率
  • 利用率有链路利用率和网络利用率两种。
  • 链路利用率指某条链路有百分之几的时间是被利用的（即有数据通过）。完全空闲的链路的利用率为零。
  • 网络利用率指网络中所有链路的链路利用率的加权平均。
• 丢包率
  • 丢包率指在一定的时间范围内，传输过程中丢失的分组数量与总分组数量的比例。

2 计算机网络体系结构

2.1 开放系统互连参考模型

• 开放系统互连参考模型（Open Systems Interconnection Reference Model），简称OSI。OSI参考模型是一个七层协议的体系结构。自下而上依次是物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层以及应用层。

2.2 TCP/IP参考模型

• TCP/IP参考模型是一个四层协议的体系结构，自下而上依次是网络接口层、网际层、运输层以及应用层。

2.3 原理参考模型

• 原理参考模型是一个五层协议的体系结构，自下而上依次是物理层、数据链路层、网络层、运输层以及应用层。
• 五层协议的原理体系结构将TCP/IP体系结构的网络接口层又重新划分为物理层和数据链路层，有利于我们对计算机网络原理的学习。

3 物理层

• 物理层详解
• 负责在物理介质（如网线、光纤）上传输原始的比特流（0和1）。它定义了硬件接口的机械、电气等特性。
• 物理设备
  • 中继器：放大衰减的信号以延长传输距离。
  • 集线器：多端口的中继器，将收到的比特信号广播到所有端口。
  • 调制解调器：信号转换。计算机处理的是数字信号，而传输介质传输的是模拟信号。
    • 调制：将数字信号转为模拟信号。
    • 解调：将模拟信号转为数字信号。
    • 光猫将光信号转为电信号。

4 数据链路层

• 数据链路层详解
• 将物理层的比特流组合成“帧”（Frame），在相邻网络节点之间进行可靠的数据传输。它通过MAC地址来识别设备。
• 数据链路层协议
  • 以太网（Ethernet）：有线局域网的事实唯一标准。使用IEEE 802.3标准。采用CSMA-CD技术，当今最通用的通信标准。
  • Wi-Fi：无线局域网的主流标准。使用IEEE 802.11作为无线局域网通用标准，也就是Wi-Fi。采用CSMA-CA技术。
• 物理设备
  • 网桥：连接两个或多个局域网网络。内部维护着一个MAC地址表。收到数据帧时，如果MAC源地址和目的地址在同一个网段，将其过滤，在另一个网段，将其转发。
  • 交换机
    • 多端口网桥。交换机通过维护 MAC 地址表，能精准地将数据帧从接收端口转发到目标端口，隔离冲突域。
    • 用于组件局域网。将多台电脑、打印机等设备连接在同一个网络内部，实现设备间的快速通信。

5 网络层

• 网络层详解
• 负责将数据从源主机送到目的主机，核心是路由与寻址。通过IP地址实现跨网络通信。
• 网络层协议
  • IP (Internet Protocol)：网际协议，网络层的核心。现有 IPv4 和 IPv6两个版本。
  • ICMP (Internet Control Message Protocol)：互联网控制报文协议，用于传递错误报告和网络诊断。
  • ARP (Address Resolution Protocol)：地址解析协议，将IP地址解析为MAC地址。
• 物理设备
  • 路由器
    • 通过路由表决定数据包从哪个接口发送出去，实现不同局域网（子网）或广域网之间的互联。
    • 用于连接不同的网络。负责在不同网络之间寻址并规划最佳的数据传输路径。

6 传输层

• 传输层详解
• 提供从源端到目的端的、可靠的或不可靠的数据传输服务。核心是端口和端到端通信。
  • TCP (Transmission Control Protocol)：传输控制协议，面向连接的可靠协议。
  • UDP (User Datagram Protocol)：用户数据报协议，无连接的不可靠协议

7 应用层

• 提供网络服务和应用所需的接口，让应用软件可以通过网络进行通信。
  • HTTP/HTTPS：超文本传输协议（安全版），是互联网应用最广泛的协议。
  • FTP：文件传输协议。
  • TFTP：简单文件传输协议，基于UDP。
  • Telnet：远程终端协议。
  • SSH：安全外壳协议，加密的远程登录和管理工具。
  • DNS：域名系统，将域名解析为IP地址。
  • DHCP：动态主机配置协议，自动分配IP地址。
  • SNMP：简单网络管理协议。