计算机网络基础知识总结

如果说计算机把我们从工业时代带到了信息时代，那么计算机网络就可以说把我们带到了网络时代。随着使用计算机人数的不断增加，计算机也经历了一系列的发展，从大型通用计算机 -> 超级计算机 -> 小型机 -> 个人电脑 -> 工作站 -> 便携式电脑 -> 智能手机终端等都是这一过程的产物。计算机网络也逐渐从独立模式演变为了 网络互联模式 。

可以看到，在独立模式下，每个人都需要排队等待其他人在一个机器上完成工作后，其他用户才能使用。这样的数据是单独管理的。

现在切换到了网络互联模式，在这种模式下，每个人都能独立的使用计算机，甚至还会有一个服务器，来为老大哥、cxuan 和 sonsong 提供服务。这样的数据是集中管理的。

计算机网络按规模进行划分，有 WAN(Wide Area Network, 广域网) 和 LAN(Local area Network, 局域网)。如下图所示

上面是局域网，一般用在狭小区域内的网络，一个社区、一栋楼、办公室经常使用局域网。

距离较远的地方组成的网络一般是广域网。

最初，只是固定的几台计算机相连在一起形成计算机网络。这种网络一般是私有的，这几台计算机之外的计算机无法访问。随着时代的发展，人们开始尝试在私有网络上搭建更大的私有网络，逐渐又发展演变为互联网，现在我们每个人几乎都能够享有互联网带来的便利。

计算机网络发展历程

批处理

就和早期的计算机操作系统一样，最开始都要先经历批处理(atch Processing)阶段，批处理的目的也是为了能让更多的人使用计算机。

批处理就是事先将数据装入卡带或者磁带，并且由计算机按照一定的顺序进行读入。

当时这种计算机的价格比较昂贵，并不是每个人都能够使用的，这也就客观暗示着，只有专门的操作员才能使用计算机，用户把程序提交给操作员，由操作员排队执行程序，等一段时间后，用户再来提取结果。

这种计算机的高效性并没有很好的体现，甚至不如手动运算快。

分时系统

在批处理之后出现的就是分时系统了，分时系统指的是多个终端与同一个计算机连接，允许多个用户同时使用一台计算机。分时系统的出现实现了一人一机的目的，让用户感觉像是自己在使用计算机，实际上这是一种 独占性 的特性。

分时系统出现以来，计算机的可用性得到了极大的改善。分时系统的出现意味着计算机越来越贴近我们的生活。

计算机通信

计算机网络的诞生

计算机网络的高速发展

网络安全

互联网协议

OSI 标准模型

• 应用层
  ：应用层是 OSI 标准模型的最顶层，是直接为应用进程提供服务的。其作用是在实现多个系统应用进程相互通信的同时，完成一系列业务处理所需的服务。包括文件传输、电子邮件远程登录和远端接口调用等协议。
  
• 表示层
  :  表示层向上对应用进程服务，向下接收会话层提供的服务，表示层位于 OSI 标准模型的第六层，表示层的主要作用就是将设备的固有数据格式转换为网络标准传输格式。
  
• 会话层
  ：会话层位于 OSI 标准模型的第五层，它是建立在传输层之上，利用传输层提供的服务建立和维持会话。
  
• 传输层
  ：传输层位于 OSI 标准模型的第四层，它在整个 OSI 标准模型中起到了至关重要的作用。传输层涉及到两个节点之间的数据传输，向上层提供可靠的数据传输服务。传输层的服务一般要经历传输连接建立阶段，数据传输阶段，传输连接释放阶段 3 个阶段才算完成一个完整的服务过程。
  
• 网络层
  ：网络层位于 OSI 标准模型的第三层，它位于传输层和数据链路层的中间，将数据设法从源端经过若干个中间节点传送到另一端，从而向运输层提供最基本的端到端的数据传送服务。
  
• 数据链路层
  ：数据链路层位于物理层和网络层中间，数据链路层定义了在单个链路上如何传输数据。
  
• 物理层
  ：物理层是 OSI 标准模型中最低的一层，物理层是整个 OSI 协议的基础，就如同房屋的地基一样，物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。
  

TCP/IP 协议簇

• 应用层、表示层、会话层三个层次提供的服务相差不是很大，所以在 TCP/IP 协议中，它们被合并为应用层一个层次。
  
• 由于数据链路层和物理层的内容很相似，所以在 TCP/IP 协议中它们被归并在网络接口层一个层次里。
  

IP 协议

ICMP 协议

ARP 协议

TCP 协议

UDP 协议

FTP 协议

DNS 协议

SMTP 协议

SLIP 协议

PPP 协议

网络核心概念

传输方式

• 面向连接型中，在发送数据之前，需要在主机之间建立一条通信线路。
  
• 面向无连接型则不要求建立和断开连接，发送方可用于任何时候发送数据。接收端也不知道自己何时从哪里接收到数据。
  

分组交换

存储转发传输

排队时延和分组丢失

转发表和路由器选择协议

电路交换

在这个网络中，4条链路用于4台电路交换机。这些链路中的每一条都有4条电路，因此每条链路能支持4条并行的链接。每台主机都与一台交换机直接相连，当两台主机需要通信时，该网络在两台主机之间创建一条专用的
端到端的链接(end-to-end connection)
。

分组交换和电路交换的对比

分组交换的支持者经常说分组交换不适合实时服务，因为它的端到端时延时不可预测的。而分组交换的支持者却认为分组交换提供了比电路交换更好的带宽共享；它比电路交换更加简单、更有效，实现成本更低。但是现在的趋势更多的是朝着分组交换的方向发展。

分组交换网的时延、丢包和吞吐量

因特网可以看成是一种基础设施，该基础设施为运行在端系统上的分布式应用提供服务。我们希望在计算机网络中任意两个端系统之间传递数据都不会造成数据丢失，然而这是一个极高的目标，实践中难以达到。所以，在实践中必须要限制端系统之间的
吞吐量
用来控制数据丢失。如果在端系统之间引入时延，也不能保证不会丢失分组问题。所以我们从时延、丢包和吞吐量三个层面来看一下计算机网络

分组交换中的时延

计算机网络中的分组从一台主机（源）出发，经过一系列路由器传输，在另一个端系统中结束它的历程。在这整个传输历程中，分组会涉及到四种最主要的时延：节点处理时延(nodal processing delay)、排队时延(queuing delay)、传输时延(total nodal delay)和传播时延(propagation delay)。这四种时延加起来就是
节点总时延(total nodal delay)
。

如果用 dproc dqueue dtrans dpop 分别表示处理时延、排队时延、传输时延和传播时延，则节点的总时延由以下公式决定:  dnodal = dproc + dqueue + dtrans + dpop。

时延的类型

下面是一副典型的时延分布图，让我们从图中进行分析一下不同的时延类型

分组由端系统经过通信链路传输到路由器 A，路由器A 检查分组头部以映射出适当的传输链路，并将分组送入该链路。仅当该链路没有其他分组正在传输并且没有其他分组排在该该分组前面时，才能在这条链路上自由的传输该分组。如果该链路当前繁忙或者已经有其他分组排在该分组前面时，新到达的分组将会加入排队。下面我们分开讨论一下这四种时延

节点处理时延

节点处理时延
分为两部分，第一部分是路由器会检查分组的首部信息；第二部分是决定将分组传输到哪条通信链路所需要的时间。一般高速网络的节点处理时延都在微妙级和更低的数量级。在这种处理时延完成后，分组会发往路由器的转发队列中

排队时延

在队列排队转发过程中，分组需要在队列中等待发送，分组在等待发送过程中消耗的时间被称为
排队时延
。排队时延的长短取决于先于该分组到达正在队列中排队的分组数量。如果该队列是空的，并且当前没有正在传输的分组，那么该分组的排队时延就是 0。如果处于网络高发时段，那么链路中传输的分组比较多，那么分组的排队时延将延长。实际的排队时延也可以到达微秒级。

传输时延

队列
是路由器所用的主要的数据结构。队列的特征就是先进先出，先到达食堂的先打饭。传输时延是理论情况下单位时间内的传输比特所消耗的时间。比如分组的长度是 L 比特，R 表示从路由器 A 到路由器 B 的传输速率。那么传输时延就是 L / R 。这是将所有分组推向该链路所需要的时间。真实情况下传输时延通常也在毫秒到微妙级

传播时延

从链路的起点到路由器 B 传播所需要的时间就是
传播时延
。该比特以该链路的传播速率传播。该传播速率取决于链路的物理介质(双绞线、同轴电缆、光纤)。如果用公式来计算一下的话，该传播时延等于两台路由器之间的距离 / 传播速率。即传播速率是
d/s
，其中 d 是路由器 A 和 路由器 B 之间的距离，s 是该链路的传播速率。

传输时延和传播时延的比较

计算机网络中的传输时延和传播时延有时候难以区分，在这里解释一下，
传输时延
是路由器推出分组所需要的时间，它是分组长度和链路传输速率的函数，而与两台路由器之间的距离无关。而
传播时延
是一个比特从一台路由器传播到另一台路由器所需要的时间，它是两台路由器之间距离的倒数，而与分组长度和链路传输速率无关。从公式也可以看出来，传输时延是
L/R
，也就是分组的长度 / 路由器之间传输速率。传播时延的公式是
d/s
，也就是路由器之间的距离 / 传播速率。

排队时延

在这四种时延中，人们最感兴趣的时延或许就是排队时延了 dqueue。与其他三种时延（dproc、dtrans、dpop）不同的是，排队时延对不同的分组可能是不同的。例如，如果10个分组同时到达某个队列，第一个到达队列的分组没有排队时延，而最后到达的分组却要经受最大的排队时延（需要等待其他九个时延被传输）。

那么如何描述排队时延呢？或许可以从三个方面来考虑：流量到达队列的速率、链路的传输速率和到达流量的性质。即流量是周期性到达还是突发性到达，如果用 a 表示分组到达队列的平均速率（ a 的单位是分组/秒，即 pkt/s）前面说过 R 表示的是传输速率，所以能够从队列中推出比特的速率（以 bps 即 b/s 位单位）。假设所有的分组都是由 L 比特组成的，那么比特到达队列的平均速率是 La bps。那么比率
La/R
被称为
流量强度(traffic intensity)
，如果 La/R > 1，则比特到达队列的平均速率超过从队列传输出去的速率，这种情况下队列趋向于无限增加。所以，设计系统时流量强度不能大于1。

现在考虑 La / R <= 1 时的情况。流量到达的性质将影响排队时延。如果流量是
周期性
到达的，即每 L / R 秒到达一个分组，则每个分组将到达一个空队列中，不会有排队时延。如果流量是
突发性
到达的，则可能会有很大的平均排队时延。一般可以用下面这幅图表示平均排队时延与流量强度的关系

同轴电缆

光纤

     
     
     

 
      
      
      

  
       
       
       

   
        
        
        

    
         
         
         
     
          
          
          

      
           
           
           最近整理一份面试资料《Java技术栈学习手册》，覆盖了Java技术、面试题精选、Spring全家桶、Nginx、SSM、微服务、数据库、数据结构、架构等等。
     
          
          
          
     
          
          
          

      
           
           
           获取方式：点“ 在看，关注公众号 Java后端 并回复 777 领取，更多内容陆续奉上。
     
          
          
          
     
          
          
          

      
           
           
           推
      
           
           
           荐
      
           
           
           阅
      
           
           
           读 
     
          
          
          
     
          
          
          

      
           
           
           1. 今年的 1024 注定不平凡！
     
          
          
          
     
          
          
          

      
           
           
           2. Spring Boot 接入 GitHub 第三方登录
     
          
          
          
     
          
          
          

      
           
           
           3. 用命令行管理你的 GitHub 项目，不必再开网页
     
          
          
          
     
          
          
          

      
           
           
           4. 怎么去掉 IDEA 中 XML 显示的屎黄色
     
          
          
          
5. 程序员需知的 58 个网站


     
          
          
          

      
           
           
           喜欢文章，点个
      
           
           
           在看