【计算机网络】计算机网络基础知识

博主自述

此文仅作为计算机基础知识的学习总结，由计算机网络应用技术教程为主要，结合其他相关书籍的部分知识点以及自己的相关看法所总结而成的。本文仅包含基础技术概念，总结不周，还望提出建议。希望可以帮助到所有一同学习计算机网络技术的同学。同时推荐大家一本关于网络的书籍《网络是怎样连接的》点击查看详细信息

一.计算机网络基础

1. 计算机网络发展阶段

共分为四个阶段
阶段一：数据通信技术的成熟，分组交换概念的提出。
阶段二：ARPANET的研究开始以及运行成功，TCP/IP的提出，DNS，E-mail等网络技术的应用。
阶段三：OSI参考模型的研究，TCP/IP体系的完善。
阶段四：网络安全技术发展阶段

1.1 计算机网络拓扑图

星形拓扑
环形拓扑
总线型拓扑
树状拓扑
网状拓扑

计网拓扑图（来源于网络）

2. 数据通信基础

2.1.信息数据概念

信息：其主要的目的是为了交换信息，其载体可以是文本，音频，图像，视频等。计算机所产生的信息大多是字母，数字，符号的组合表示。
通常数据传输时首先是将每个字母，数字，符号等转化为二进制表示。
数据：数据时事实或观测的结果。
信号：数据时借助信号来传输的，是通信的主体。信号是数据在传输过程中的表示形式。
模拟信号：例如在电话线上传输的按照声音的强弱幅度连续变化的信号。
数字信号：计算机产生的信号是用是用两种电平表示0、1比特序列的电压脉冲信号。
故分为模拟通信，数字通信。

2.2数据传输类型

2.2.1（按照每个字符使用的信道数分类）

串行通信：将待传输的每个字符的二进制编码按由低位到高位的顺序依次发送。
速度低，成本低，支持长距离传输。
并行通信：将待传输的每个字符的二进制编码的每位通过并行信道同时发送，此时便是可以每次发送一个字符。
速度快，成本高，难以支持长距离传输。

2.2.2（按照信号传输方向与时间的关系）

单工通信：信号只能单向传输。
半双工通信：信号可以双向传输，但同一时间只能向一个方向传输。
全双工通信：信号可以同时双向传输。
单向信道：只可以实现单工通信。
双向信道：可以实现半双工通信和全双工通信。

2.2.3 同步技术

位同步：接收方根据发送方发送的数据的事时间信息来矫正自己的时间基准。
字符同步：分为同步式与异步式
同步传输：采用同步方式进行数据传输。多个字符成组，一起发送传输。
异步传输：采用异步方式进行数据传输。每个字符独立传输，字符之间的时间任意。

2.3传输介质

双绞线：是当前最常用的传输介质。
可以分为屏蔽双绞线与非屏蔽双绞线。
缺点：传输距离有限，单根最大长度为100m，适用于局域网组网。
优点：价格低，安装维护方便。
同轴电缆：是早期网络中常用的传输介质。
可以分为基带同轴电缆与宽带同轴电缆。
光纤：是一种性能很好的传输介质。
单模光纤：某一个时刻只能有一个光波在光纤内传播。
多模光纤：支持有多个光波在同一个时刻在光纤内传播。
缺点：造价高。
优点：带宽大，损耗小，速率高，距离远的特点。

2.4数据编码

由于生活中常把通信信道分为模拟信道与数字信道。故编码方式也就分为：模拟数据编码与数字数据编码。
模拟数据编码：

是频带传输的

幅移键控：通过改变载波信号振幅来改变数字信号1.0的方法。（容易实现，抗干扰能力弱）
频移键控：通过改变载波信号角频率来表示数字信号1.0的方法。（容易实现，抗干扰能力强）
相移键控：通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1.0的方法。（实现复杂，抗干扰能力强）
优点：可以利用目前应用广泛的电话交换网。
缺点：传输速率低。

数字数据编码：

是基带传输：计算机所产生的数字信号是由二进制比特序列，它是一种典型的矩形脉冲信号。这是一种固有频带。
优点：传输速率快
编码方法：

非归零码：可以用负电平表示逻辑0，正电平表示逻辑1。（无法判断出开始结束，发收两方很难做到同步。）
同步时钟
曼彻斯特编码：每位周期T分为钱T/2与后T/2的部分，通过前半部分表示该部位的反码，通过后T/2传输该位置的原码。（效率低）
差分曼彻斯特编码：是曼彻斯特编码的改进方法。
曼彻斯特与差分曼彻斯特编码都是所需的时钟信号频率是发送信号频率的两倍
曼彻斯特编码等（来源于网络）

传输速率：在数值上来说，就是每秒传输的二进制比特数，单位是比特/秒，记作b/s。
1kb/s=10³b/s
1Mb/s=10⁶b/s
1Gb/s=10⁹b/s
1Tb/s=10¹²b/s

2.5差错控制

传输差错：数据传输过程中总会产生错误，导致接收到的数据与发送的不一致，也叫差错。
产生原因：受到了噪声的影响，导致接收方判断电平错误。
差错类型：
热噪声与冲击噪声
热噪音：由传输介质的导体电子热运动而产生的噪音。这是随机差错。
冲击噪音：由外界的电磁干扰而产生的噪音。其幅度大，是引起传输差错的主要原因。这是突发差错。
通信过程中的传输差错是由上面俩种共同组成的。
差错处理：
停止等待方式：该方式中，每发送一个数据帧后，就停止等待接收端的应答帧。如果接收端发来确认信号，则发送端就发下一个数据帧；如果接收端发来否认信号，则发送端重发此数据帧。但其效率低。
连续工作方式：包括了拉回方式与选择重新发送。
拉回方式：发送方连续向接收方发送多个数据帧，接收方对接收到的数据帧进行校验，然后返回应答帧。如果接收方返回其中的某一部分出错，则发送方停止发送当前数据帧，重新发送重错误开始的数据帧。
选择重新发送方式：与拉回方式不同的是仅发送错误的数据帧。因此其效率更高。
误码率：二进制码元在数据传输系统中被传错的概率。
误码率=被传错的码元数/传输的二进制的码元总数。

3.传输网相关技术

3.1 传输网的基础概念

主要可以分为WAN（广域网）,MAN（城域网）,LAN（局域网）,PAN（个人区域网）,BAN（人体区域网）等。

3.2 广域网相关技术

广域网是一种公共数据网络。
广域网研发终点是带宽核心交换

3.3 局域网相关技术

物理层标准：
IEEE 802.11无线局域网
IEEE 802.3以太网
IEEE 802.4令牌总线网
IEEE 802.5令牌环网
以太网：是一种经典的总线型局域网。
以太网的核心技术是共享总线的介质访问控制方法。

万兆以太网的工作状态只能是：双全工.
千兆以太网的协议标准是IEEE802.3z.
CSMA/CD访问控制方法（带冲突检测的载波侦听多路访问方法）：适用于解决多结点如何共享总线的问题。
CSMA/CD发送流程可以概括为：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。

3.4宽带域域网相关技术

包括网络平台，业务平台，管理平台，城市宽带出口。
网络平台，核心层，汇聚层，接入层。
核心层：提供高速数据交换功能。
汇聚层：提供路由与流量汇聚功能。

3.5无线个域网相关技术

是一种实现覆盖范围很小的网络。包括着802.15物理层标准。
蓝牙技术等

4.网络体系结构

TCP/IP是当前网络中的核心协议。

4.1 网络体系结构

网络协议：计算机网络是由多个网络结点组成，结点之间需要交换数据与控制信息。为了保证这些结点之间有条不紊的叫交换数据，就需要这些结点遵守一定的秩序规则，这些规则规定了交换数据的格式与时序。而这些规则就是网络协议。

语法：用户数据与控制信息的结构与格式。
语义：需要发送何种控制信息以及完成的动作与响应。
时序：对使事件实现顺序的详细说明。
网络体系结构：层次结构模型与各层协议的集合称为网络体系结构。网络协议是按照层次结构模型来组织的。

4.2 OSI参考模型

OIS将整个通信功能划分为7个层次。
划分原则：

网络中的各个结点具有相同的层次。
不同结点的同层具有相同的功能。
同一结点中相邻层之间通过接口来通信。
每层可使用下层提供的服务，并向上层提供服务。
不同结点的同等层通过协议来实现对等层之间的通信。

物理层：利用传输介质为数据链路层提供物理连接，负责处理数据传输并检测传输的误码率。
数据链路层：在物理层提供的服务基础上，在通信实体之间建立数据链路连接，传输以帧为单位的数据包，并使用差错控制与流量控制方法，将错误的物理线路变成没有差错的数据链路。
网络层：为以分组为单位的数据包通过网络选择合适的路径，实现选择，分组转发等功能。
传输层：为用户提供可靠的端到端服务，处理数据包的错误与次序问题。
会话层：负责维护两台计算机之间的传输链接，确保点对点传输不中断。
表示层：处理不同通信系统的信息表示方式，主要包括变换，加密，压缩，恢复等功能。
应用层：通过不同的软件提供不同的服务。

OSI

OSI参考模型结构（来源于网络）

在OSI环境中数据传输流程：

当应用进程 A 的数据传送到应用层时,应用层为数据加上本层控制报头后,组织成应用层的数据服务单元,然后再传输到表示层。
表示层接受到这个数据单元后,加上本层的控制报头后,组成表示层的数据服务单元,再传送到会话层。
会话层接收到这个数据单元后,加上本层的控制报头后,组成会话层的数据服务单元,再传送到传输层。
传输层接受这个数据单元后,加上本层的控制报头后,组成传输层的数据服务单元,再传送到网络层,此时的数据单元被称为报文。
传输层的报文传送到网络层时，由于网络层的数据单元长度有限制，报文被分成多个较短的数据字段，加上网络层的控制报头，就构成了网络层的数据服务单元，此时的数据单元被称为分组。
分组传送到数据链路层后，加上数据链路层的控制信息，就构成了数据链路层的数据服务单元，此时的数据单元被称为帧。
帧传送到物理层后,物理层将以比特流的方式通过传输介质传输出去。但比特流到达主机B上，再从物理层一次上传，每层对各自的控制报头进行处理，将用户数据上传到高层，最终将进程A的数据送给主机B的进程B。
数据传输结束。

在这里插入图片描述

OSI参考模型传输介质（来源于网络）

4.3 TCP/IP

特点：

它是独立开放的协议标准。
它独立于特定的计算机硬件与操作系统。
它独立于特定的网络硬件，适用于网络的互联。
它有统一的网络地址分配方案，所有设备在网中都具有唯一的地址。
它有标准化的应用层协议，可提供多种可靠的网络服务。

TCP/IP将其划分为4个层次：

应用层：处于TCP/IP模型的最高层，用于提供各种标准化的网络应用或服务。
应用层的协议分为：仅依赖TCP的应用层协议，仅依赖UDP的应用层协议，两种都可以依赖的应用层协议。
传输层：是模型的第三层，通过对等实体的应用进程之间的端-端通信，实现分布式进程通信的主要目的。
传输层的协议定义有：传输控制协议，用户数据报协议。
互联层：是模型的第二层，通过使用主机-网络层提供的服务，由IP提供的数据传输服务。
互联层的协议是：IP
主机网络层：该层是模型的最低层，通过底层的物理网络来发送和接收数据。

TCP/IP

OSI与TCP/IP参考模型结构对比（来源于网络）

4.4 IP

网络的核心协议就是IP，上层协议都是以IP为基础的。
特点:

IP是无连接的，不可靠的分组传输协议。
IP是点-点的互连层通信协议。
IP向传输层屏蔽物理网络的差异。
什么是IP？

接入网络的主机必须拥有由授权机构分配的号码，这个号码便是IP地址。

IPv4和IPv6
IPv4：其地址长度为32位，采用点分十进制表示。X.X.X.X格式表示，一个X是8位，值处于0~255之间。

IP地址分类范围：
A类地址：0+7位网络号+24位主机号：1.0.0.0-127.255.255.255
B类地址：10+14位网络号+16位主机号：128.0.0.0-191.255.255.255
C类地址：110+21位网络号+8位主机号：192.0.0.0-223.255.255.255
D类地址：1110+28位多目的广播地址：224.0.0.0-239.255.255.255
E类地址：11110+保留用于实验与将来使用：240.0.0.0-255.255.255.255

IP地址分层管理

申请IP地址
网络所有者可以申请A类，B类，C类地址
专用网络

4.5 TCP与UDP

TCP是一种面向连接，双向工，可靠的传输协议。
传输层是网络体系结构中的重要层次。
其作用：

实现进程之间的通信，它通过端口号来完成这种通信。
保证数据传输的可靠性。

特点：

支持面向连接服务
支持数据流传输
支持全双工服务

UDP是一种无连接，不可靠的传输层协议。

在这里插入图片描述

二.网络应用基础

1. 网络应用技术

1.1 网络域名机制

顶级域名，二级域名，三级域名，四级域名。

顶级域名	域名类型
com	商业组织
edu	教育机构
gov	政府部门
int	国际组织
mil	军事部门
net	网络中心
org	非营利性组织

按照地理划分的二级域名中，bj表示北京，sh表示上海等。
例如：
www.xixihah.edu.cn
xixihah是三级域名
edu是二级域名
cn是顶级域名

1.2 电子邮件

简单邮件传输协议（SMTP），邮局协议（POP），交互式邮件存取协议（IMAP）。
SMTP：是电子邮件发送协议，从客户机发送到邮件服务器。
POP与IMAP：是电子邮件接收协议，从邮件服务器接收到客户机。
例如：[email protected]
xixihah是邮箱名
@后面是邮件服务器名

1.3 文件传输

文件传输协议是网络中最早提供，最受欢迎的服务之一。
文件传输服务采用文件传输协议（FTP）。

1.4 P2P网络应用

P2P（对等网络）是一种在客户机之间以对等方式，通过直接交换信息来达到共享计算机资源与服务的工作模式。

URL统一资源定位器由三部分组成：服务类型，主机名，路径和文件名。

2. 局域网组网

2.1 以太网物理层的标准

IEEE 802.3物理层标准
IEEE 802.3u物理层标准
IEEE 802.3z物理层标准
IEEE 802.3ae物理层标准

2.2 局域网组网设备

网卡：网络接口卡，有多种分类。
无线网卡
集线器：集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于OSI(开放系统互联参考模型)参考模型第一层，即“物理层”。
交换机：交换机（Switch）意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机。其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。
无线AP：无线AP（Access Point）：即无线接入点，它用于无线网络的无线交换机，也是无线网络的核心。
其他设备：中继器，网桥。

2.3 局域网组网方法

单一集线器结构
多集线器级联结构

千兆网以太网组网方法

2.4网络接入

ISP：网络服务提供商，是网络接入服务的提供者，任何用户都需要使用ISP提供的接入服务。

宽带接入
光纤接入
HFC接入

2.5 网络安全

防火墙技术：
包过滤路由器，应用级网关
结构：

屏蔽路由器结构
堡垒主机结构
屏蔽主机网关结构
多级主机网关结构