计算机网络概述

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计算机网络的特点

互联网具有两个重要基本特点：连通性和共享。

连通性：计算机网络使上网用户之间都可以交换信息，好像这些用户的计算机都可以彼此直接连通一样。

共享：即资源共享。可以是信息共享、软件共享，也可以是硬件共享。

目录

一

互联网概述

二

互联网的组成

三

计算机网络的类别与性能

互联网的概述

Content of Internet

01 网络的网络<<<<

计算机网络（简称网络）由若干节点和连接这些节点的链路（link）组成。

如图多个网络通过一些路由器互相连接起来，构成了一个覆盖范围更大的计算机网络，称之为互连网，它是网络的网络。

网络把许多计算机连接在一起，而互连网吧许多网络通过一些路由器连接在一起。与网络相连的计算机称为主机。

02 互联网的三个阶段

第一阶段：单个网络ARPANET（一个单个的分组交换网），1990年正式关闭；

第二阶段：三级结构的互联网（主干网，地区网，校园网或者是企业网）；

第三阶段：全球范围的多层次ISP结构的互联网；如下图：

IXP的作用：允许两个ISP网络直接相连接并交换分组，而不需要再通过第三个网络来转发分组。

03互联网的标准

互联网的正式标准需要经过以下三个阶段：

(1) 互联网草案——有效期六个月，这个阶段还不能算是RFC文档

(2) 建议标准——这个阶段就算是RFC文档了

(3) 互联网标准——经过长期的检验，证明某个建议标准可以称为互联网标准时，就分配一个编号，记为STDxx。一个互联网标准可以和多个RFC文档关联。

由于“草案标准“容易和称为RFC文档之前的”互联网草案混淆“。2011年10月起取消了”草案标准“这个阶段。

现在制定互联网标准的流程为：“建议标准”->”互联网标准“。

互联网标准的特点：面向公众(所有互联网标准都是以RFC的形式在互联网上发表的，所有的RFC文档都可以从互联网上免费下载。注：并非所有的RFC文档都是互联网标准)

互联网的组成

Composition of the Internet

互联网的组成分为两个部分，分别为：用户直接使用的边缘部分和为边缘部分提供服务的核心部分。

边缘部分：就是由所有连接在互联网上的主机组成，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：由大量的网络和连接这些网络的路由器组成。这部分为边缘部分提供服务的。

我们由此可以理解为：我们所接触到的为边缘部分，我们作为被服务的一方被核心部分所服务。

互联网的边缘部分

端系统：就是处于互联网边缘的部分，也就是链接在互联网上的主机。

按照通信方式分为两种:客户-服务器方式(C/S方式)，和对等连接(P2P方式)。

其次值得注意的是：主机A和主机B进行通信，是指“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”

（一）客户-服务器方式

客户和服务器都是指通信中所涉及的两个应用程序。客户-服务器方式描述的是进程之间服务和被服务的关系，客户是服务请求方，服务器是服务提供方。

进程：是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位，是操作系统结构的基础。

值得注意的是：他们都是边缘部分，因此仍然需要网络核心提供服务。

客户程序与服务器程序分别的特点区别的总结：

1.在通信过程中主动向服务器发起通信请求，需要知道服务器的地址。但服务器被动等待接收客户的通信请求，服务器不知道客户的地址。

2.客户程序并不需要特别复杂的硬件和操作系统，而服务器需要强大的硬件和高级的操作系统支持。

3.客户不需要一直运行，只在需要时发出通信请求，而服务器需要一直运行。

（二）对等连接方式

指两台主机通信时，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，它们都可以以平等的方式进行连接通信。

特别的是：从本质上来看，对等连接方式仍然可以看作是客户-服务器方式。区别在于：不再特别区分客户与服务器，每一台主机都可以作为服务器，但作为服务器只能同时与少量的客户通信。

互联网的核心部分

以下是三种数据交换方式的对比

电路交换：整个报文的比特流连续地从原点直达终点，好像在一个管道中传送

报文交换：整个报文先传送到相邻节点，全部存储下来后查找转发表，转发到下一节点。

分组交换：单个分组（这只是整个报文地一部分）传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一节点，如下图：

计算机网络的类别和性能

Categories and performance of computer networks

计算机网络的类别

按网络的作用范围分为：a) 广域网WAN

b) 城域网MAN

c) 局域网LAN

d) 个人区域网PAN

按网络的使用者分为：1) 公用网

2) 专用网

计算机网络的性能

1.速率

连接在计算机网络上的主机在数字信道上传送数据位数的速率，也称为data rate 或 bit rate单位是b/s ,kb/s,Mb/s,Gb/s。比如我们使用8M的网线，这个8M表示的是bit，而平时我们下载东西看到的速率是以字节为单位的。1字节=8bit，所以实际最高速度只有8/8M。

数字信道：比如一台计算机与Internet。计算机在线看电影Internet中为发送端，计算机为接收端，这就是一个信道。看电影的同时，计算机还从Internet下载文件，又形成一个信道。说信道的时候不是说总的，而是某两个特定点流量传输的速度。比如看电影信道2M带宽，下载4M带宽，我们不能说计算机上网的信道是6M带宽。这是两个信道，一个信道的速率指的是一个发送端，一个接收端传输数据的速率。

2.带宽

数据通信领域中，数字信道所能传送的最高数据率

单位b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s

3.吞吐量

即单位时间内通过某个网络的数据量；

单位b/s，kb/s，Mb/s，Gb/s

4.时延

发送时延：比如火车过隧道，火车车长 / 隧道长度

传播时延：即传输指定距离所用的时间。

处理时延：网络节点存储转发处理时间。

排队时延：当多个数据传输到结点A时要进行排队处理。

处理时延和排队时延可以理解为坐火车，买票需要排队这是排队时延，买票时看线路决定坐哪班车这是处理时延。

5.时延带宽积

链路的时延带宽积又称为以比特为单位的链路长度。

6.往返时间

RTT（Round-Trip Time）

从发送方发送数据开始，到发送方收到接收方确认的时间。如上文所述可以通过ping命令测试往返时间。

7.利用率

信道利用率：有数据通过时间 / （有+无）数据通过时间；即指的是某信道有百分之几的时间是被利用的（有数据通过的）；完全空闲的信道利用率是零。

网络利用率：信道利用率的加权平均值；数值在0~1之间。

时延与网络利用率的关系

· 应用层

应用层的任务是通过应用进程之间的交互来完成特定的网络作用，常见的应用层协议有域名系统DNS，HTTP协议等。

· 表示层

表示层的主要作用是数据的表示、安全、压缩。可确保一个系统的应用层所发送的信息可以被另一个系统的应用层读取。

· 会话层

会话层的主要作用是建立通信链接，保持会话过程通信链接的畅通，同步两个节点之间的对话，决定通信是否被中断以及通信中断时决定从何处重新发送。。

· 传输层

传输层的主要作用是负责向两台主机进程之间的通信提供数据传输服务。传输层的协议主要有传输控制协议TCP和用户数据协议UDP。

· 网络层

网络层的主要作用是选择合适的网间路由和交换结点，确保数据及时送达。常见的协议有IP协议。

· 数据链路层

数据链路层的作用是在物理层提供比特流服务的基础上，建立相邻结点之间的数据链路，通过差错控制提供数据帧（Frame）在信道上无差错的传输，并进行各电路上的动作系列。 常见的协议有SDLC、HDLC、PPP等。

· 物理层

物理层的主要作用是实现相邻计算机结点之间比特流的透明传输，并尽量屏蔽掉具体传输介质和物理设备的差异。

URI和URL的区别

· URI(Uniform Resource Identifier)：中文全称为统一资源标志符，主要作用是唯一标识一个资源。

· URL(Uniform Resource Location)：中文全称为统一资源定位符，主要作用是提供资源的路径。

有个经典的比喻是URI像是身份证，可以唯一标识一个人，而URL更像一个住址，可以通过URL找到这个人。

有了IP地址，为什么还要用MAC地址？　＊＊

简单来说，标识网络中的一台计算机，比较常用的就是IP地址和MAC地址，但计算机的IP地址可由用户自行更改，管理起来相对困难，而MAC地址不可更改，所以一般会把IP地址和MAC地址组合起来使用。具体是如何组合使用的在上面的ARP协议中已经讲的很清楚了。

那只用MAC地址不用IP地址可不可以呢？其实也是不行的，因为在最早就是MAC地址先出现的，并且当时并不用IP地址，只用MAC地址，后来随着网络中的设备越来越多，整个路由过程越来越复杂，便出现了子网的概念。对于目的地址在其他子网的数据包，路由只需要将数据包送到那个子网即可，这个过程就是上面说的ARP协议。

那为什么要用IP地址呢？是因为IP地址是和地域相关的，对于同一个子网上的设备，IP地址的前缀都是一样的，这样路由器通过IP地址的前缀就知道设备在在哪个子网上了，而只用MAC地址的话，路由器则需要记住每个MAC地址在哪个子网，这需要路由器有极大的存储空间，是无法实现的。

IP地址可以比作为地址，MAC地址为收件人，在一次通信过程中，两者是缺一不可的。

说一下ping的过程　＊＊

ping是ICMP(网际控制报文协议)中的一个重要应用，ICMP是网络层的协议。ping的作用是测试两个主机的连通性。

ping的工作过程：

1. 向目的主机发送多个ICMP回送请求报文

2. 根据目的主机返回的回送报文的时间和成功响应的次数估算出数据包往返时间及丢包率。

路由器和交换机的区别？　＊

| | 所属网络模型的层级 | 功能 || :-: | :-: | :-: || 路由器 | 网络层 | 识别IP地址并根据IP地址转发数据包，维护数据表并基于数据表进行最佳路径选择 || 交换机 | 数据链库层 | 识别MAC地址并根据MAC地址转发数据帧 |

TCP与UDP有什么区别　＊＊＊

| | 是否面向连接 | 可靠性 | 传输形式 | 传输效率 | 消耗资源 | 应用场景 | 首部字节 || :-: | :-: | :-: | :-: | :-: | :-: | :-: | :-: || TCP | 面向连接 | 可靠 | 字节流 | 慢 | 多 | 文件/邮件传输 | 20~60 || UDP | 无连接 | 不可靠 | 数据报文段 | 快 | 少 | 视频/语音传输 | 8 |

有时候面试还会问到TCP的首部都包含什么

· TCP首部(图片来源于网络)：

前20个字节是固定的，后面有4n个字节是根据需而增加的选项，所以TCP首部最小长度为20字节。

· UDP首部(图片来源于网络)：

UDP的首部只有8个字节，源端口号、目的端口号、长度和校验和各两个字节。

ARP的工作流程(面试时问ARP协议主要说这个就可以了)：

1. 在局域网内，主机A要向主机B发送IP数据报时，首先会在主机A的ARP缓存表中查找是否有IP地址及其对应的MAC地址，如果有，则将MAC地址写入到MAC帧的首部，并通过局域网将该MAC帧发送到MAC地址所在的主机B。

2. 如果主机A的ARP缓存表中没有主机B的IP地址及所对应的MAC地址，主机A会在局域网内广播发送一个ARP请求分组。局域网内的所有主机都会收到这个ARP请求分组。

3. 主机B在看到主机A发送的ARP请求分组中有自己的IP地址，会像主机A以单播的方式发送一个带有自己MAC地址的响应分组。

4. 主机A收到主机B的ARP响应分组后，会在ARP缓存表中写入主机B的IP地址及其IP地址对应的MAC地址。

5. 如果主机A和主机B不在同一个局域网内，即使知道主机B的MAC地址也是不能直接通信的，必须通过路由器转发到主机B的局域网才可以通过主机B的MAC地址找到主机B。并且主机A和主机B已经可以通信的情况下，主机A的ARP缓存表中寸的并不是主机B的IP地址及主机B的MAC地址，而是主机B的IP地址及该通信链路上的下一跳路由器的MAC地址。这就是上图中的源IP地址和目的IP地址一直不变，而MAC地址却随着链路的不同而改变。

6. 如果主机A和主机B不在同一个局域网，参考上图中的主机H1和主机H2，这时主机H1需要先广播找到路由器R1的MAC地址，再由R1广播找到路由器R2的MAC地址，最后R2广播找到主机H2的MAC地址，建立起通信链路。