本章重点速览互联网概述互联网的组成计算机网络的类别 ※计算机网络的性能 ※计算机网络体系结构 ※一、互联网概述1.1 网络定义由若干节点和连接这些节点的链路组成。节点可以是计算机、集线器、交换机或路由器等。节点网络里所有能收发数据的设备相当于公路网里的站点。计算机手机、电脑普通终端类比小区住户集线器老式分线插排一根网线分给多台电脑一台发消息所有人都收到交换机楼栋分线盒只把数据发给目标设备不乱广播路由器小区大门负责连接多个独立小网络。链路连接节点的通道网线、光纤、无线 WiFi 都算类比公路、桥梁。1.2 互联网定义多个网络通过一些路由器连接在一起构成了一个覆盖范围更大的计算机网络。又叫“网络的网络”network of networks。*类比单个小区 普通网络全国成千上万个小区通过高速收费站路由器全部连通整片区域总和 互联网。1.3 网络与互联网网络只把本地一堆电脑 / 设备连起来家里 WiFi、公司内网互联网把成千上万个「小网络」用路由器拼接互通主机所有连入网络的终端设备手机、电脑、平板、智能电视统一叫主机。1.4 互联网发展历程年份大事详情1969 年从单个网络 ARPANET 向互联网发展- ARPANET 是第一个分组交换网- 1990年ARPANET 正式宣布关闭1985年建成了三级结构的互联网三层层层嵌套类比道路系统-主干网国家级高速主干道-地区网城市环线道路-校园 / 企业网小区内部小路。1993年全球范围的多层次 ISP 结构的互联网-ISP互联网服务提供者给你家提供上网权限的商家中国移动、联通、电信就是国内大型 ISP- 多层次大 ISP电信全国骨干网、小型小区宽带代理商层层对接构成全球互联网。二、互联网的组成2.1 互联网的组成1. 从工作方式划分边缘部分由所有连接在互联网上的主机组成由用户直接使用用来进行通信传达数据、音频或视频和资源共享。关键词主机、通信、资源共享通俗解释所有用户手里的设备手机、电脑是网络的使用者用来聊天、看视频、传文件。类比所有普通住户是路网的使用者。核心部分由大量网络和链接这些网络的路由器组成为边缘部分提供服务提供连通性和交换关键词路由器、连通性、交换通俗解释运营商搭建的海量线路 路由器不给用户直接操作只为边缘设备提供数据传输的道路。类比全国高速路网、收费站住户不出门但所有出行都靠路网支撑。2.2 交换方式交换 数据在网络节点之间转发传递分为三种形式电路交换、报文交换、分组交换。1. 电路交换数据直通三个步骤建立链接拨号 - 数据传输通话 - 释放连接挂断类比打电话建立连接拨号运营商单独给你拉一条专属电话线传输通话全程这条线路只归你用别人无法占用释放连接挂断电话线路回收分给其他人。最早用于电话网络中。从建立连接到释放连接整个过程占用通信资源。由于交换的数据一般都是突发数据因此一个小时的时间里可能只会用十几分钟导致网络资源利用率不高。2. 报文交换报文一整条完整数据整张图片、整篇文档不拆分存储转发交换机必须收到完整全部报文存起来之后再转发到下一站。类比一件超大完整家具不拆分快递站要等整件货物全部到站才能转运。缺点完整文件体积大占用设备存储空间转发速度很慢效率低。3. 分组交换现代互联网主流基于报文交换改良核心操作把完整大报文切割成多个小块每一小块叫分组 / 数据包再存储转发。类比超大家具拆成十几个小快递盒分开运输。优势单个小包体积小设备存储压力小多条数据可以穿插共用线路不会闲置传输效率远高于报文交换。对比报文交换和分组交换分组交换的效率远远高于报文交换。三、计算机网络的类别分类维度具体类型简单介绍生活化例子按交换方式电路交换建立独占链路→传输→释放全程占用资源老式固定电话通话拨号后独占线路报文交换存储完整报文后转发不拆分数据老式电报完整消息一次性传输分组交换拆分报文为小包存储转发并行传输现代上网视频 / 文件拆包传输按传输介质有线网通过物理线缆传输数据稳定高速网线连接电脑、光纤入户宽带无线网通过无线电波传输无需布线WiFi 连接手机、5G 移动网络按使用者公用网面向公众开放付费使用中国移动 / 联通 / 电信提供的互联网专用网仅限特定机构内部使用安全性高银行内部网络、企业 ERP 系统内网按覆盖范围个人区域网PAN覆盖 10 米内连接个人设备蓝牙连接手机与耳机、智能手表局域网LAN几十米几百米小范围互联家里 WiFi、公司办公室内网城域网MAN覆盖整座城市连接多个 LAN全市政务网络、校园网集群广域网WAN跨城市 / 国家 / 全球大范围互联互联网主干网、跨国企业专线按拓扑结构总线型所有节点连一条总线广播传输早期同轴电缆局域网如老式校园网环型节点连成闭合环数据单向传输早期令牌环网如部分工业控制网星型以中央节点交换机为中心辐射连接现代家庭 / 企业网络路由器为中心网状型节点间多路径连接容错性强互联网骨干网、大型数据中心网络四、计算机网络性能指标4.1 速率、带宽和吞吐量基础名词bit比特计算机最小数据单位只有 0 和 1 两种状态网络速率单位 bit/s简写 bps。B字节 Byte文件大小单位1 字节 8 比特1B8b单位换算区分两套标准宽带速率十进制k 10310^3103M 10610^6106G 10910^9109T 101210^{12}1012运营商 1000M 宽带文件存储二进制1GB1024MB、1MB1024KB、1KB 1024B电脑硬盘文件大小。定义汽车类比速率数据的传送速率即每秒传送多少个比特也称为数据率或比特率。货车每秒能拉多少箱货物带宽线路理论最高传输速度硬件上限。网络的通信线路所能传送数据的能力即在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率。车辆官方标称最大续航 320km吞吐量线路实时实际传输速度受拥堵、服务器限制。在单位时间内通过某个网络或接口的实际数据量。车辆实际上路只能跑 280km 续航举例家里办理 1000Mbps 宽带带宽 理论上限晚上下载电影只有 300Mbps吞吐量 实际速度。4.2 时延延迟定义数据从网络的一端传送到另一端所耗费的时间也称为延迟或迟延。种类发送时延公式 数据帧长度bit/ 发送速率bit/s 分组长度b/发送速率b/s含义主机把数据打包、推送到网线上的耗时文件越大打包越久。类比货车在仓库装卸货物的时间。传播时延公式信道长度m/ 信号传播速率m/s光纤固定速度 2×10⁸ m/s含义光 / 电信号在线路里奔跑的时间只和距离有关和文件大小无关。类比货车在高速行驶的路程耗时路越远时间越长。处理时延含义路由器收到数据包解析地址、规划转发路线的耗时。类比高速收费站工作人员检查证件、分配路线。排队时延含义网络高峰期数据包太多路由器缓冲区塞满数据包排队等待转发上网卡顿主要来源。类比节假日高速堵车排队。衍生名词时延带宽积 传播时延 x 带宽类比整条高速公路能同时容纳的货车总数代表线路一次性最多承载的数据量。往返时间RTT定义从发送端发送数据分组开始到发送端收到接收端发来的相应确认分组为止总共耗费的时间。发送数据包 → 对方收到 → 对方发确认消息返回全程总耗时电脑 ping 命令测的就是 RTT。类比你寄信给朋友朋友收到立刻回信从寄出到收到回信的全部时长。五、计算机网络体系结构核心思想分层。把复杂的上网流程拆成多层每层只负责自己的工作互不干扰方便开发、排错。类比快递产业链寄件打包→干线运输→高速道路→路面路基对应五层模型。5.1 协议、接口和服务1. 协议定义同一层级、两台设备通信必须遵守的完整规则集合三要素语法、语义、同步。拆解三要素语法数据包统一格式二进制编码规则→ 快递统一纸箱尺寸语义数据每一段代表什么哪段是地址、哪段是内容→ 快递单姓名、电话、地址的含义同步收发节奏什么时候发、出错怎么重传→ 快递约定每天下午统一发车。类比两家快递公司互通货物必须遵守统一运输规则否则货物无法交接。2. 接口定义相邻两层交换数据的固定通道上层只能通过接口调用下层不能跨层直接操作。类比打包车间上层只能通过交接窗口把包裹交给货车运输层下层。3. 服务定义下层给紧邻上层提供的现成功能上层只需要调用不用管下层内部实现细节。类比货车运输层下层给打包层上层提供「长途送货」服务打包员不用关心货车走哪条高速。注意协议和服务在概念上是不一样的只有本层协议的实现才能保证向上层提供服务5.2 常见的三种计算机网络体系结构自下而上底层管硬件传输顶层管用户软件。1. OSI参考模型法律标准从下到上物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 运输层 → 会话层 → 表示层 → 应用层逐层通俗作用物理层网线、光纤、0/1 电信号只传输原始信号数据链路层同一小区内设备传输纠错网络层跨城市规划路线分配地址路由器工作层运输层两台终端稳定传输数据会话层建立、断开视频 / 聊天连接表示层数据加密、压缩、格式转换应用层微信、浏览器等用户软件。2. TCP/IP 四层参考模型事实标准从下到上网络接口层 → 网际层 → 运输层 → 应用层层合并简化说明网络接口层 OSI 物理层 数据链路层底层硬件合并应用层 OSI 会话层 表示层 应用层上层用户功能合并。3. 五层模型教学使用从下到上物理层 → 数据链路层 → 网络层 → 运输层 → 应用层物理层传输光 / 电信号网线、光纤、WiFi数据链路层局域网内设备通信交换机工作层网际层网络层跨网络路由寻址分配 IP路由器工作层运输层手机与服务器端到端传输TCP 稳定、UDP 高速应用层各类应用软件网页、微信、短视频用户直接交互。结构功能描述类比送快递协议数据单元物理层解决使用何种信号来表示比特 0 和比特 1 的问题。发送快递的交通工具卡车、火车、飞机比特数据链路层解决数据包在一个网络或者一段链路上传输的问题。快递员把快递从你家拿到了快递点局部派送。帧网络层解决数据包在多个网络之间传输和路由问题。快递从 A 省到 B 省不同网络之间了。IP数据报运输层负责进程之间基于网络的通信问题。传输控制协议 TCP用户数据报协议 UDP到达 B 省后还要送到快递点从快递点 A 到快递点 B解决快递点和点之间通讯。TCP -报文段UDP - 用户数据段应用层解决通过应用进程间的交互来完成特定网络的应用。对于不同的网络提供不同的应用层协议例如 HTTP 协议、SMTP 协议等。快递到家附近的快递点了有不同的取件方式送货上门、送到快递柜为不同的用户提供不同的服务。报文