【计算机网络详解】——概述(学习笔记)

发布时间:2025-12-09 21:50:55 浏览次数:4

📖 前言:计算机网络已由一种通信基础设施发展成为一种重要的信息服务基础设施。已经像水、电、煤气这些基础设施一样,成为我们生活中不可或缺的一部分。


目录

  • 🕒 0. 思维导图
  • 🕒 1. 因特网概述
    • 🕘 1.1 网络、互联网和因特网
    • 🕘 1.2 因特网发展的三个阶段
    • 🕘 1.3 因特网的标准化工作
    • 🕘 1.4 因特网的组成
      • 🕤 1.4.1 客户-服务器方式
      • 🕤 1.4.2 P2P方式
  • 🕒 2. 三种交换方式
    • 🕘 2.1 电路交换
    • 🕘 2.2 分组交换☆☆☆
    • 🕘 2.3 报文交换
    • 🕘 2.4 对比
  • 🕒 3. 计算机网络的定义与分类
    • 🕘 3.1 定义
    • 🕘 3.2 分类
  • 🕒 4. 计算机网络的性能指标
    • 🕘 4.1 速率
    • 🕘 4.2 带宽
    • 🕘 4.3 吞吐量
    • 🕘 4.4 时延
    • 🕘 4.5 时延带宽积
    • 🕘 4.6 往返时间
    • 🕘 4.7 利用率
    • 🕘 4.8 丢包率
  • 🕒 5. 计算机网络体系结构☆
    • 🕘 5.1 常见的体系结构
      • 🕤 5.1.1 因特网的协议栈(TCP/IP)
      • 🕤 5.1.2 OSI模型
      • 🕤 5.1.3 原理体系结构
    • 🕘 5.2 分层的必要性
    • 🕘 5.3 分层思想举例
    • 🕘 5.4 相关专用术语
      • 🕤 5.4.1 实体
      • 🕤 5.4.2 协议
      • 🕤 5.4.3 服务
  • 🕒 6. 课后习题

🕒 0. 思维导图

🕒 1. 因特网概述

🕘 1.1 网络、互联网和因特网

  • 网络(Network)由若干结点(Node)和连接这些结点的链路(Link)组成。其中链路可以有线,也可以无线。
  • 多个网络还可以通过路由器互连起来,这样就构成了一个覆盖范围更大的网络,即互联网。因此,互联网是“网络的网络(Netwrok of Networks) "。其基本特点是连通性共享
  • 因特网(Internet)是世界上最大的互连网络(用户数以亿计,互连的网络数以百万计)。

internet与Internet的区别
internet(互联网或互连网)是一个通用名词,它泛指由多个计算机网络互连而成的网络。在这些网络之间的通信协议可以是任意的。
Internet(因特网)则是一个专用名词,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计算机网络,它采用TCP/IP协议族作为通信的规则,其前身是美国的ARPANET(1969年创建的第一个分组交换网)。

🕘 1.2 因特网发展的三个阶段

客户程序:

  • 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。
  • 不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。
  • 服务器程序:

  • 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。
  • 系统启动后即一直不断地运行着,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
  • 一般需要有强大的硬件和高级的操作系统支持。
  • 客户与服务器的通信关系建立后,通信可以是双向的,客户和服务器都可发送和接收数据。

    🕤 1.4.2 P2P方式

    两台主机在通信时,并不区分哪一个是服务请求方和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。

    🕒 2. 三种交换方式

    🕘 2.1 电路交换

    电话问世后,人们发现所有电话之间都两两相连是不现实的。因此可以用一个中间设备将讲话接入,根据需要进行转发,这个中间设备就是电话交换机

    • 互连:指计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信
    • 自治:指独立的计算机,它有自己的硬件和软件,可以单独运行使用
    • 集合:指至少需要两台计算机

    计算机网络的较好的定义: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

    • 计算机网络所连接的硬件,并不限于一般的计算机,而是包括了智能手机等智能硬件。
    • 计算机网络并非专门用来传送数据,而是能够支持很多种的应用(包括今后可能出现的各种应用)。

    🕘 3.2 分类

    交换技术:①电路交换网络 ②报文交换网络 ③分组交换网络

    使用者:①公用网 ②专用网

    传输介质:①有线网络 ②无线网络

    覆盖范围:①广域网WAN(国家级) ②城域网MAN ③局域网LAN(如校园网) ④个域网PAN(如蓝牙连接)

    拓扑结构:①总线型网络 ②星型网络 ③环型网络 ④网状型网络(如广域网)

    🕘 4.3 吞吐量

    • 吞吐量表示在单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量
    • 吞吐量被经常用于对现实世界中的网络的一种测量,以便知道实际上到底有多少数据量能够通过网络。
    • 吞吐量受网络的带宽或额定速率的限制

    🕘 4.4 时延

    在处理过程中所需要的时间:

    • 处理时延(processing delay)
    • 排队时延(queuing delay)(合并到处理时延)
    • 发送时延(transmission delay)
    • 传播时延(propagation delay)

    例3:数据块长度A为100 MB,B为1B,信道带宽为1Mb/s,传送距离为1000 km,分别计算发送时延和传播时延。

    A:
    发送时延=分组长度(b)发送速率(b/s)=100×220×8(b)106(b/s)=838.8608(s)发送时延=\frac{分组长度(b)}{发送速率(b/s)}=\frac{100\times2^{20}\times8(b)}{10^6(b/s)}=838.8608(s)发送时延=发送速率(b/s)分组长度(b)​=106(b/s)100×220×8(b)​=838.8608(s)
    传播时延=信道长度(m)电磁波传播速率(m/s)=1000×103(m)2×108(m/s)=0.005(s)传播时延=\frac{信道长度(m)}{电磁波传播速率(m/s)}=\frac{1000\times10^{3}(m)}{2\times10^8(m/s)}=0.005(s)传播时延=电磁波传播速率(m/s)信道长度(m)​=2×108(m/s)1000×103(m)​=0.005(s)

    B:
    发送时延=分组长度(b)发送速率(b/s)=1×8(b)106(b/s)=8×10−6(s)发送时延=\frac{分组长度(b)}{发送速率(b/s)}=\frac{1\times8(b)}{10^6(b/s)}=8\times10^{-6}(s)发送时延=发送速率(b/s)分组长度(b)​=106(b/s)1×8(b)​=8×10−6(s)
    传播时延=信道长度(m)电磁波传播速率(m/s)=1000×103(m)2×108(m/s)=0.005(s)传播时延=\frac{信道长度(m)}{电磁波传播速率(m/s)}=\frac{1000\times10^{3}(m)}{2\times10^8(m/s)}=0.005(s)传播时延=电磁波传播速率(m/s)信道长度(m)​=2×108(m/s)1000×103(m)​=0.005(s)

    可以看出,在时延方面谁占主导要具体情况具体分析。

    🕘 4.5 时延带宽积

    时延带宽积 = 传播时延 × 带宽

    • 若发送端连续发送数据,则在所发送的第一个比特即将到达终点时,发送端就已经发送了时延带宽积个比特;
    • 链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度

    🕘 4.6 往返时间

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

    🕘 4.7 利用率

    • 信道利用率:用来表示某信道有百分之几的时间是被利用的(有数据通过)
    • 网络利用率:全网络的信道利用率的加权平均

    根据排队论,当某信道的利用率增大时,该信道引起的时延也会迅速增加。因此,信道利用率不是越高越好。如果令D0D_0D0​表示网络空闲时的时延,DDD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、D0D、D_0D、D0​和利用率UUU之间的关系:

    D=D01−UD = \frac{D_0}{1-U}D=1−UD0​​

    • 当网络利用率U到50%时,时延急剧增大。
    • 当网络利用率接近100%时,时延趋于无穷大
    • 但是也不能使信道利用率过低,这回使宝贵的通信资源被浪费

    因此一些拥有较大主干网的ISP通常会控制它们的信道利用率不超过50%。如果超过了,就要准备扩容,增大线路带宽。也不能使信道利用率太低。这会使宝贵的通信资源被白白浪费。应该使用一些机制,可以根据情况动态调整输入到网络中的通信量。使网络利用率保持在一个合理的范围内。

    🕘 4.8 丢包率

    • 丢包率即分组丢失率,是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率
    • 具体可分为:接口丢包率、结点丢包率、链路丢包率、路径丢包率、网络丢包率等
    • 丢包率是网络运维人员非常关心的一个网络性能指标,但对于普通用户来说往往并不关心这个指标,因为他们意识不到丢包。

    分组丢失的两种情况

    • 分组在传输过程中出现误码,被结点丢弃
    • 分组到达一台队列已满的分组交换机时被丢弃,在通信量较大时就可能造成网络拥塞

    丢包率反映了网络的拥塞情况

    • 无拥塞时路径丢包率为0
    • 轻度拥塞时路径丢包率为1%~4%
    • 严重拥塞时路径丢包率为5%~15%

    🕒 5. 计算机网络体系结构☆

    🕘 5.1 常见的体系结构

    总体来说,将各层的所有协议组合起来,称为协议栈。

    🕤 5.1.1 因特网的协议栈(TCP/IP)

    • 网络接口层并没有规定具体内容,目的是可以互连全世界各种不同的网络接口。
    • 网际层的核心协议是IP协议,它可以互连各种不同的网络接口,并给运输层的TCP协议和UDP协议提供服务。
    • 运输层TCP协议在享受IP协议提供的服务后,可向应用层的相应协议(例如,FTP、HTTP,SMTP等)提供可靠传输的服务。
    • 运输层UDP协议在享受IP协议提供的服务后,可向应用层的相应协议(例如,DNS,RTP等)提供不可靠传输的服务。

    因此,使用IP协议可以互连不同的网络接口(IP over everything);IP协议可以为各种网络应用提供服务(Everything over IP)。

    🕤 5.1.2 OSI模型

    在因特网协议栈出现以前,OSI模型是ISO组织研发的计算机网络结构模型。OSI的模型一共有7层,从下到上依次为:物理层,链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层。相比因特网体系结构,OSI多了两层。

    因特网将两层的功能留给了开发者自行实现。

    🕤 5.1.3 原理体系结构

    有5个层次组成:物理层、链路层、网络层、传输层、应用层

    应用层:应用层协议分布在多个端系统,端系统中的应用程序使用该协议与另一个端系统中的应用程序通信。处于应用层的分组称为报文

    传输层:传输层在应用程序端点之间传输应用层报文,因特网中有两个传输层协议:TCP和UDP。处于传输层的分组称为报文段。TCP提供确保传递、流量控制、拥塞控制机制。UDP提供无连接服务,即不提供不必要服务的服务。没有可靠性、没有流量和拥塞控制。

    网络层:网络层将称为数据报的网络层分组从一台主机移动到另一台主机。网络层协议包含著名的IP协议以及其他一些路由选择协议。数据报

    链路层:链路层将称为帧的链路层分组从一个结点移动到路径上的另一个端点。一个帧可能被沿途不同链路上的不同链路层协议处理。

    物理层:物理层的任务是将帧中的比特从一个结点移动到下一个节点,它提供了传输信息的实际物理通道;

    🕘 5.2 分层的必要性

    • 计算机网络是个非常复杂的系统。早在最初的ARPANET设计时就提出了分层的设计理念。
    • "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。

    下面依次介绍计算机网络面临的问题应该划分到哪个层次解决。

    物理层:

    • 采用怎样的传输媒体(介质)(如光纤)
    • 采用怎样的物理接口(如RJ45)
    • 使用怎样的信号表示比特0和1(如方波)

    数据链路层:

    • 如何标识网络中的各主机(主机编址问题,例如MAC地址)
    • 如何从信号所表示的一连串比特流中区分出地址和数据
    • 如何协调各主机争用总线

    网络层:

    • 如何标识各网络以及网络中的各主机(网络和主机共同编址的问题,例如IP地址)
    • 路由器如何转发分组,如何进行路由选择

    运输层:

    • 如何解决进程之间基于网络的通信问题
    • 出现传输错误时,如何处理

    🕒 6. 课后习题

  • 【单选题】所有的互联网标准都是以RFC的形式在互联网上公开发表的。RFC文档( )
    A.按发表时间的先后编号
    B.按协议层次编号
    C.按协议种类编号
    D.使用随机数编号

  • 计算机网络可分为通信子网和资源子网,下列属于通信子网的是( )。Ⅰ.网桥Ⅱ.交换机Ⅲ.计算机软件Ⅳ.路由器
    A. Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ
    B. Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
    C. Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ
    D. Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ

  • 【单选题】局域网-广域网的互连是通过( )实现的。
    A、通信子网
    B、路由器
    C、城域网
    D、电话交换网

  • 【单选题】局域网和广域网的差异不仅在于它们所覆盖的范围不同,还主要在于它们( )。
    A、所使用的介质不同
    B、所使用的协议不同
    C、所能支持的通信量不同
    D、所提供的服务不同

  • 【2010年 题34】在下图所示的采用“存储-转发”方式的分组交换网络中,所有链路的数据传输速率为100Mbps,分组大小为1000B,其中分组头大小为20B。若主机H1向主机H2发送一个大小为980 000B的文件,则在不考虑分组拆装时间和传播延迟的情况下,从H1发送开始到H2接收完为止,需要的时间至少是

    A、80ms
    B、80.08ms
    C、80.16ms
    D、80.24ms

  • 【单选题】假设在某段链路上传输某个10MB的数据块,链路带宽为10Mb/s,信号传播速率为200000km/s,链路长度为1000 km,则数据块的发送时延约为
    A、1s
    B、8s
    C、8.4s
    D、5μs

  • 【单选题】假设有500B的数据待发送(无拆分),需要经过OSI参考模型的逐层封装,除物理层外,其他各层在封装PDU时均引入20B的额外开销,则数据传输效率约为
    A、78%
    B、81%
    C、88%
    D、92%

  • 【单选题】在TCP/IP参考模型中,运输层的相邻下层实现的主要功能是
    A、对话管理
    B、数据格式转换
    C、可靠数据传输
    D、IP数据报在多个网络间的传输

  • 【单选题】OSI参考模型中的数据链路层不具有的功能是
    A、物理寻址
    B、流量控制
    C、差错检测
    D、拥塞控制

  • 【单选题】相对于OSI的7层参考模型的低4层,TCP/IP模型内对应的层次有( )。
    A、传输层、互联网层、网络接口层和物理层
    B、传输层、互联网层、网络接口层
    C、传输层、互联网层、ATM层和物理层
    D、传输层、网络层、数据链路层和物理层

  • 【判断题】TCP/IP参考模型的应用层与OSI参考模型的应用层相对应()

  • 【单选题】OSI参考模型将整个网络的功能分成7个层次来实现,以下说法正确的是()。
    A、层与层之间的联系通过协议进行
    B、不同结点的同等层的功能并不相同
    C、层与层之间的联系通过接口进行
    D、除物理层外,各对等层之间均存在直接的通信关系

  • 【单选题】集线器和路由器分别运行于OSI参考模型的()。
    A、网络层和传输层
    B、数据链路层和物理层
    C、物理层和网络层
    D、传输层和数据链路层

  • 【2009年 题33】在OSI参考模型中,自下而上第一个提供端到端服务的层次是
    A、应用层
    B、数据链路层
    C、会话层
    D、传输层

  • 【2010年 题33】下列选项中,不属于网络体系结构所描述的内容是
    A、每一层必须完成的功能
    B、协议的内部实现细节
    C、网络层次
    D、每一层使用的协议

  • 【2013年 题33】在OSI参考摸型中,下列功能需由应用层的相邻层实现的是
    A、可靠数据传输
    B、路由选择
    C、对话管理
    D、数据格式转换

  • 【单选题】OSI参考模型中的数据链路层不具有( )功能。
    A、物理寻址
    B、拥塞控制
    C、流量控制
    D、差错校验

  • 【单选题】下列说法中,正确描述了OSI参考模型中数据的封装过程的是( )。
    A、网络层将高层协议产生的数据封装成分组,并增加第三层的地址和控制信息
    B、数据链路层在分组上仅增加了源物理地址和目的物理地址
    C、传输层将数据流封装成数据帧,并增加可靠性和流控制信息
    D、表示层将高层协议产生的数据分割成数据段,并增加相应的源和目的端口信息

  • 【单选题】在OSI参考模型中,为数据分组提供在网络中路由的功能的是( )。
    A、网络层
    B、传输层
    C、数据链路层
    D、物理层

  • 答案:1.A 2.A(解析:资源子网:由主计算机系统、终端、终端控制器、联网外部设备、各种软件资源与信息资源等组成。资源子网负责全网的数据处理业务,负责向网络用户提供各种网络资源与网络服务。 通信子网(包括物理层、数据链路层、网络层):由通信控制处理机、通信线路与其他通信设备组成,完成网络数据传输、转发等通信处理任务。) 3.B(解析:中继器和桥接器通常是指用于局域网的物理层和链路层的联网设备。目前局域网接入广域网主要是通过称为路由器的互联设备来实现的。) 4.B 5.C(解析:由题设可知,数据即分组大小1000B-首部20B=980B,故一共分了980000B/(1000B-20B)=1000个分组。每个分组1000B。一共需要传输的数据量为1000×1000B=100 0000B。题目中不考虑分组拆装时间和传播延迟。故只需要考虑发送延迟
    所有内容的发送时延为1000000B/100mbps=(1M×8bit)/100Mbps=0.08s=80ms
    一个分组的发送时延为1000B/100mbps=0.08ms
    最终答案为80ms+0.08ms×2=80.16ms 🔎 视频讲解)
    6.C(解析:发送时延 = 数据块大小10MB / 链路带宽10Mb/s,10×220×8(b)10×106(b/s)≈8.4(s)\frac{10×2^{20}×8(b)}{10×10^6(b/s)}\approx8.4(s)10×106(b/s)10×220×8(b)​≈8.4(s)) 7.B(解析:OSI参考模型共7层,除去物理层外还有6层。它们会向待发送数据引入20B x 6 = 120B 的额外开销。数据传输效率为 500B/(500B + 120B)≈81%) 8.D(解析:TCP/IP参考模型的运输层的相邻下层是网际层。网际层的主要功能是实现IP数据报在多个网络间的传输。) 9.D(解析:网络层和传输层才具有拥塞控制功能。) 10.B 11.× 12.C 13.C 14.D(解析:传输层使用端口号为应用层的应用进程之间提供端到端的逻辑通信,而网络层仅仅为主机之间提供逻辑通信,如下图所示:
    ) 15.B(解析:计算机网络的体系结构就是计算机网络及其构件所应完成的功能的精确定义。需要强调的是:这些功能的实现细节(例如采用何种硬件或软件),则是遵守这种体系结构的具体实现问题,并不属于体系结构本身所描述的内容。🔎 讲解视频) 16.D(解析:OSI参考模型应用层的相邻层是表示层。表示层的任务是实现与数据表示相关的功能,主要包括数据字符集的转换、数据格式化、文本压缩、数据加密以及解密等工作。对话管理:会话层;路由选择:网络层;可靠数据传输:传输层。🔎 讲解视频) 17.B(解析:数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。其作用包括物理寻址、成帧、流量控制、差错校验、数据重发等。网络层和传输层才具有拥塞控制的功能。) 18.A(解析:数据链路层在分组上除增加源和目的物理地址外,也增加控制信息;传输层的PDU不称为帧;表示层不负责把高层协议产生的数据分割成数据段,负责增加相应源和目的端口信息的应是传输层;) 19.A(解析:在OSI参考模型中,物理层实现比特流在传输介质上的透明传输;数据链路层将有差错的物理线路变成无差错的数据链路,实现相邻结点之间即点到点的数据传输。网络层的主要功能是路由选择、拥塞控制和网际互联等,实现主机到主机的通信;传输层实现主机的进程之间即端到端的数据传输。)


    适用视频:湖科大教书匠
    适用教材:计算机网络(第8版) 谢希仁


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    作者:HinsCoder
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