计算机网络基础

一、计算机网络的定义

计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机连起来的计算机系统。

二、计算机网络的基本功能

计算机网路的基本功能有两个:数据通信和资源共享

(1)数据通信是计算机网络的最基本的功能。

(2)资源共享是计算机网络的最主要的功能。可以共享的网络资源主要有三种:硬件资源、软件资源、数据资源。这三类资源中,最重要的是数据资源。

三、计算机网络的发展

  1. 面向终端的第一代计算机网络/以数据通信为主的第一代计算机网络
  2. 以分组交换为中心的第二代计算机网络/以资源共享为主的第二代计算机网络
  3. 体系结构标准化的第三代计算机网络
  4. 以网络互连 为核心的第四代计算机网络

四、计算机网络的分类

1.按传输介质划分

(1)有线网络

同轴电缆

  • 早期的网络传输介质,逐渐被双绞线和光纤代替。

双绞线

  • 最大传输距离为100m,每隔100m需要使用中继器将信号放大进行再传输。
  • 双绞线可以大致的分成两类,屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线,但是随着高速局域网的出现,高带宽的双绞线不断推出:超5类、6类、7类线

光纤(光缆)

  • 利用光的全反射原理进行传输数据,数据传输快、损耗低(适合远距离传输)、重量轻、抗干扰能力强等特点。
  • 光纤主要分为单模光纤和多模光纤两种,单模光纤的性能优于多模光纤。

(2)无线网络

短距离

  • WiFi 蓝牙(Bluetooth,一般在10m左右) ZigBee

蜂窝移动式网络

  • 3G 4G 5G

卫星通信

  • 美国GPS 中国北斗 欧洲伽利略

其他

  • 红外线、电波、微波等

2.按地理位置/规模划分

名称英文缩写距离应用场景
广域网WAN100km~1000km国家、地区、洲际之间
城域网MAN10km~100km城市之间
局域网LAN10m~10km一个实验室、一幢大楼、一个校园
个人区域网PAN10m之内个人范围内

3.按逻辑功能划分

通信子网

  • 由通信设备和通信线路组成的传输网络,位于网络内层,负责全网的数据传输和加工等通信处理工作。

资源子网

  • 位于网络外围,负责全网数据处理和向用户提供资源和网络服务。
示意图

五、计算机网络的指标

1.速率

  • 数据的传送速率,也称数据率或比特率,单位是bps、Kbps、Mbps、Gbps。网络的速率往往指的是额定速率或标称速率(理想速率)。
【注释】
bps,英文全称是bit per second,意思是每秒钟传输的二进制的位数(bit)

Bps,英文全称是Byte per second,意思是每秒钟传输的字节数。

Mbps,英文全称是Million bit per second,意思是每秒钟传输多少百万位二进制,平常说带宽多少M,其实就是多少Mbps,但是这个单位和MB/S并不相等

2.带宽

  • 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,网络带宽指在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”,单位也是bit/s、Kbps、Mbps、Gbps等。

3.误码率

  • 误码率是用来衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。形容的是数据在传输过程中出现错误的二进制的位数在整个传输过程中所占的比例。

4.时延

  • 时延是指一个报文或分组从一个网络的一端传送到另一个端所需要的时间。网络时延主要包括发送时延、传播时延、排队时延和处理时延。对于报文长度较大的情况,发送时延是主要矛盾;报文长度较小的情况,传播时延是主要矛盾。

六、计算机网络的拓扑结构

1.总线型(bus)

图解
总线型结构采用一条单根的通信线路(总线)作为公共的传输通道,所有的结点都通过相应的接口直接连接到总线上,并通过总线进行数据传输。

总线型网络使用广播式传输技术,总线上的所有结点都可以发送数据到总线上,数据沿总线传播。
  • 优点:价格便宜、结构简单、易于扩充。

缺点:容易引起通信冲突,总线故障全网瘫痪。

1.5 信息传递控制方法

(1)载波侦听多路访问/冲突检测控制方法(CSMA/CD):先听后发、边听边发、冲突停止、延迟重发。

(2)令牌网(Token Bus和Token  Ring)令牌是能否发送数据的权利象征,只需将网络中令牌设置为只有一个,则杜绝了环路上发生冲突的可能。

2.星型(star)

在星型结构中,每一台计算机(或设备)通过一根通信线路连接到一个中心设备(通常是交换机),计算机之间不能直接进行通信,必须由中心设备进行转发。
  • 优点:结构简单、组网容易、控制和管理相对简单、易于扩充。
  • 缺点:中心节点故障,全网瘫痪

3.环型(ring)

在环型结构中每个计算机都与两个相邻计算机相连,形成一个闭合的环。信息传递通常是单向通信,使用一种称为令牌(Token)的特殊数据管理进行通信。
  • 优点:结构简单,实时性强。
  • 缺点:难以进行故障诊断,不易扩充节点,一个节点故障,全网瘫痪。

【PS:其中总线型、星型、环型是计算机网络中最基本的三个拓扑结构】

4.树型(tree)

树型结构是星型结构的一种变形,计算机按层次进行连接。树枝节点通常是集线器或者交换机。
  • 优点:除了具有星型结构的特点以外,还有就是可扩展性好,维护方便。
  • 缺点:底层节点对上层节点依赖较大,上层节点出现问题,下层节点瘫痪。根节点出现问题,全网瘫痪。

5.网状型(mesh)

网状结构中,各个工作站连成一个网状结构,没有主机,也不分层次,通信功能分散在组成网络的各个工作站中,是一种分布式的控制结构。
  • 优点:可靠性高。
  • 缺点:结构复杂,管理代价高。

七、计算机网络体系结构

1.概念

网络协议

在计算机网络中,协议就是指在通信双方为了实现通信而设计的规则。

计算机网络体系结构

大多数网络按照分层方式来组织,就是将网络协议这个庞大而又复杂的问题划分成若干较小的、简单的问题,通过“分而治之”来解决计算机网网络协议这个大的问题。

计算机网络协议中,相邻层直接通过接口进行信息交流,对等层之间通过相应的网络协议来实现本层的功能。

2.OSI参考模型和TCP/IP协议模型

2.1 常见的协议(记住中英文的对应)

  • 应用层
    1. 超文本传输协议(HTTP):用于web浏览器与服务器交换请求与应答报文的通信协议。
    2. 超文本传输安全协议(HTTPS):就是HTTP协议+SSL安全协议。
    3. 文件传输协议(FTP):用于文件传输的协议
    4. 远程登录协议(Telnet):用于远程登录
    5. 域名解析服务(DNS):用于域名解析
    6. 简单邮件传输协议(SMTP):用于电子邮件传输的协议,发送端需要遵循的协议。
    7. 邮局协议(POP3):用于电子邮件传输的协议,接收端需要遵循的协议。
    8. 简单网络管理协议(SNMP):用于管理网络IP节点的协议。
    9. 动态主机配置协议(DHCP):用于分配IP地址的协议。
  • 传输层
    • 传输控制协议(TCP):可靠的传输协议
    • 用户数据协议(UDP):不可靠的传输协议
  • 网际层
    • IP协议:用于IP地址的分段和路由选择(寻址)。
  • 网络接口层
    • 异步传输模式(ATM)

2.2 TCP和UDP的区别

TCP协议的特点:

①TCP协议是一种面向连接的、可靠的传输层协议

②支持全双工通信(解释全双工、半双工、单工)

UDP协议的特点:

①UDP协议是一种面向无连接的、不可靠的传输层协议

②UDP协议的主要特点是协议简洁、运行快捷

八、计算机网络组成-硬件

1.一层设备(物理层)

中继器(Repeater):点对点连接信号的增强与中继。

集线器(Hub):多点连接,信号的增强与中继。

调制解调器(Modem):俗称猫,用于模拟信号和数字信号的转换。

网络适配器(NIC):即网卡,用唯一识别的MAC地址标识,可以唯一的标识一个主机。

2.二层设备(数据链路层)

网桥(Bridge):点对点连接,可识别MAC地址,隔离冲突域。

交换机(Switch):多点连接,可识别MAC地址,隔离冲突域。

3.三层设备(网络层)

路由器(Router):根据IP地址转发收到的分组,实现基于存储转发原理的分组交换,进行路由选择,以最佳路径发送信号。(迪杰斯特拉算法和弗洛伊德算法)
是计算机网络中的核心设备。

九、IP地址(重点)

1.定义

计算机网络中的唯一标识。

为什么不使用物理地址?

1.地域性
2.物理地址浪费资源

2.IPv4

  • Ipv4:32位二进制数表示,一共可以表示232个不同的地址数。(42亿 4294967296)
  • Ipv4的表示方法:十进制标记法,每8位一组,分成四组,每组十进制的范围为[0,255]
  • IP地址=网络地址+主机地址
  • 子网掩码:也是由32位二进制组成,但是是连续的1和0构成,左边连续的1表示网络地址,右边连续的0表示主机地址。用来区分主机地址和网络地址。子网掩码不能单独存在,必须和对应的IP地址一起使用才有意义。
  • 两台计算机要实现互联通信,要求IP地址不一样但网络地址一样。将IP地址和子网掩码进行“与”操作,可以得到网络地址。同时在配置时,需要保证IP地址和子网掩码是匹配

IP地址的分类

类别范围实际范围子网掩码
A类0.0.0.0~127.255.255.2551.0.0.1~126.255.255.254255.0.0.0
B类128.0.0.0~191.255.255.255127.0.0.1~191.255.255.254255.255.0.0
192.0.0.0~223.255.255.255192.0.0.1~223.255.255.254255.255.255.0
注:网络号全为1的是受限广播地址,主机号全为1的是直接广播地址
网络号全为0的是特定的主机地址,127开头的是回送地址。特别是127.0.0.1代表本机地址。

默认网关:网关的地址就是路由器的地址。

3.ipv6

  • 产生原因:因为IPv4地址数量有限,产生了IPv6,由128位二进制数构成
  • Ipv6由128位二进制数表示,一共可以表示2128个不同的地址数。

Ipv6的优点

  1. 更大的地址空间
  2. 更小的路由列表:遵循聚类原则,用一条记录表示一片子网。
  3. 增强的组播
  4. 可以自动配置地址:DHCP
  5. 更高的安全性,在网络层对数据进行加密并对报文进行检验

表示方法:

  • 每四位二进制一组,转换成十六进制,再在此基础上把十六进制数每四位一组,分成八组,每组之间用“:”隔开。

举例:

2001:0DB8:0000:0000:0000:0000:1428:0000

省略方法:

  1. 每组的连续的4个零,可以简写为0
  2. 多组连续的零,可以用::省略,但是这个规则至多只能使用一次
  3. 每组开头的0也可以省略
省略方法1举例:

2001:0DB8:0000:0000:0000:0000:1428:0000

2001:0DB8:0:0:0:0:1428:0

省略方法2举例:

2001:0DB8:0000::1428:0000

2001:0DB8::1428:0000

省略方法3举例:

2001:0DB8:02DE::0E13

2001:DB8:2DE::0E13
补充:DHCP动态主机配置协议,用于自动分配IP地址,有三种分配方式:
1.自动分配:指定一个永久的IP地址
2.动态分配:有时间限制的IP地址,当用户明确表示放弃该地址时,该地址被其他主机使用
3.手工分配:客户机的IP由网络管理员指定

4.web服务和http协议

  • WWW(world wide web),简称3W,有时也叫web,中文译名万维网、环球信息网。
  • 万维网,分为web客户端(就是浏览器)和web服务器,而www就是可以使得web客户端通过互联网访问web服务器的页面。
  • 访问页面,其实就是访问web服务器上的资源,服务器就要将这些资源发送给web客户端,就需要遵守一定的规则,我们把这个规则称之为协议,而www所使用的协议就叫做http协议。
  • 比如:http://www.baidu.com,这个的意思就是通过http协议访问www.baidu.com服务器上的资源。
  • 而现在除了http协议(中文叫超文本传输协议)以外,还有一个更加高级和安全的协议,叫做https,中文叫做超文本传输安全协议,以SSL(安全套接层)为基础,对信息进行加密,使得信息的传递更加安全,简单的说,这个就是http协议的安全版本。常用于一些电子商务交易网站,比如淘宝,京东,拼多多等。(当然现在的百度使用的也是https)

5.FTP

  • FTP(File Transfer Protocol),中文叫文件传输协议,利用网络来实现本地主机和远程服务器之间的文件传输。
  • 一般把远程机的文件复制到本地主机上,称为下载,而把本地主机的文件复制到远程机上,称为上载。

6.域名系统

  • 产生原因:由于ipv4地址数字不方便记忆,使用域名系统来对应常用的ipv4地址,方便记忆和理解。比如,访问www.baidu.com 实质就是访问处于180.97.33.107 IP地址的服务器。
  • URL=协议+://+服务器名称(www)+三级域名+二级域名+顶级域名
  • 而顶级域名分为国家顶级域名和国际顶级域名
图解 “https://www.baidu.com”
图解 “https://www.zhidao.baidu.com.cn”

DNS(域名解析系统):

  • 产生原因:在计算机网络中,发送信息还是只有根据IP地址才能完成信息的传递和通信,那么如何将域名和IP地址对应起来呢?于是就有了DNS,它的作用就是将域名翻译成IP地址,然后完成信息的传递。
  • 原理:在DNS的内部存在着一张表,就是域名和IP地址的对应表格,这个就有点像是电话簿,左边是名字(域名),而右边写着对应的电话号码(IP地址)
  • 域名管理:我国域名管理是由中国互联网信息中心(CNNIC)管理。
国家顶级域名类型国际顶级域名类型
cn中国com盈利性商业机构(company)
uk英国edu教育(education)
us美国gov政府(government)
jp日本net网络支持中心
fr法国org非盈利组织(organization)

7.参考模型

  • 产生原因:分工协作,便于扩展和维护,各层之间互不影响。

1.OSI参考模型

  1. 物理层
    • 将数据转换成可通过物理介质传输的电子信号(相当于邮局的工人)
  2. 数据链路层
    • 将数据组合成帧(数据块),包括差错控制和速率匹配(相当于邮局中得到拆装箱工人)
  3. 网络层
    • 负责寻址、路由选择(相当于有邮局中的排序工人)
  4. 传输层
    • 提供可靠连接(相当于有邮局中的送信人员)
  5. 会话层
    • 使应用建立和维持会话(相当于收信、寄信拆信的秘书)
  6. 表示层
    • 整理发送数据的格式(写信的助理)
  7. 应用层
    • 应用程序和网络的接口(相当于老板)

2.TCP/TP模型

常见协议及其端口号

网络服务
端口号
基于的传输层的协议
FTP数据20tcp
FTP控制21tcp
SSH22tcp
Telnet23tcp
SMTP25tcp
DNS53udp
DHCP67udp
TFCP69udp
HTTP80tcp
POP3110tcp
HTTPS443tcp

OSI参考模型和TCP/IP协议模型对应关系

8.Internet接入方式

1.拨号上网(都是使用的电话线/双绞线):

  1. 传统拨号上网:理论速度能够达到56Kbps,但是实际上只有30Kbps是甚至更低。
  2. ISDN:综合数字业务网,俗称“一线通”。ISDN的核心技术是采用异步传输模式(英文缩写ATM)实现数据的高效传输。速度可以达到144Kbps。
  3. ADSL:非对称数字用户线路,非对称指的是,上行的速度和下行的网络速率不同。上行的速度可以达到1.5Mbps,而下行速度可以达到58Mbps。

2.宽带连接上网

  • 什么是宽带:以拨号上网速率上限56KBps为界,低于56KBps称为“窄带”,以上称为“宽带”。
  • 家庭宽带速度一般可以达到1Mbps以上

3.专线入网(DDN)

  • 就是光纤入网。介质是光纤(光缆),速度更快,理论上速度可以达到10Gbps,但是实际速度一般为100Mbps.

4.无线入网方式:

  • WiFi、4G/5G(蜂窝移动式网络)

9.Internet的应用

1.万维网服务

通过万维网服务可以浏览网页或者发布信息。

  • 网页和web站点
  • URL
  • 浏览器和服务器

2.文件传输服务

  • FTP(见三)

3.电子邮件(E-mail)

4.即时通信

5.微博和博客

6.远程桌面(Telnet)

7.VPN(虚拟专用网络)用于远程登录内网资源。

8.电子公告板系统(BBS)

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回忆如此多娇

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