弱電工程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)
前言
大家好，云智能知識(shí)分享，我們周圍無(wú)時(shí)無(wú)刻不存在一張網(wǎng)，如電話網(wǎng)、電報(bào)網(wǎng)、電視網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等；即使我們身體內(nèi)部也存在許許多多的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)等。最為典型的代表即計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)兩個(gè)領(lǐng)域的結(jié)合。
正文
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)
簡(jiǎn)單鏈接基于主機(jī)架構(gòu)的低速串行鏈路，X.25和IBM的SNA
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的主要特性
資源共享
信息傳輸與集中處理
負(fù)載均衡與分布處理
綜合信息服務(wù)
局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)定義
LAN（Local Area Network）
通常指幾千米以內(nèi)的，可以通過(guò)某種介質(zhì)互聯(lián)的計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、modem或其他設(shè)備的集合
MAN（Metropolitan Area Network）MAN覆蓋范圍為中等規(guī)模，介于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間，通常是在一個(gè)城市內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)連接（距離為10KM左右）WAN（Wide Area Network）分布距離遠(yuǎn)，它通過(guò)各種類型的串行連接以便在更大的地理區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)接入
常見網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
電路交換和分組交換
電路交換：基于電話網(wǎng)的電路交換
優(yōu)點(diǎn)：延遲小、透明傳輸
缺點(diǎn)：帶寬固定，網(wǎng)絡(luò)資源利用率低，初始連接建立慢
分組交換：以分組為單位存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)
優(yōu)點(diǎn)：多路復(fù)用，網(wǎng)絡(luò)資源利用率高
缺點(diǎn)：延遲大，實(shí)時(shí)性差，設(shè)備功能復(fù)雜
分組交換的單位，信元，二層幀。
計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性能標(biāo)準(zhǔn)
帶寬（bandwidth）
描述在一定時(shí)間范圍內(nèi)能夠從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量，通常以bps為單位，例如以太網(wǎng)帶寬為10Mbps，快速以太網(wǎng)為100Mbps
延遲（delay）
描述網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間
協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（protocol）是什么？
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是為了使網(wǎng)絡(luò)中的不同設(shè)備能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而預(yù)先制定的一套通信雙方相互了解和共同遵守的格式和約定。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一系列規(guī)則和約定的規(guī)范性描述，定義了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間如何進(jìn)行信息交換。
數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)分為兩類：事實(shí)的和法定的
事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)：未經(jīng)組織團(tuán)體承認(rèn)但已在應(yīng)用中被廣泛使用和接受的就是事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)（de facto standard）
法定標(biāo)準(zhǔn)：由官方認(rèn)可的團(tuán)體制定的標(biāo)準(zhǔn)稱為法定標(biāo)準(zhǔn)（de jure standard）
標(biāo)準(zhǔn)化組織
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）
電子電器工程師協(xié)會(huì)（IEEE）
美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（ANSI）
電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA / TIA）
國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）
INTERNET工程任務(wù)委員會(huì)（IETF）
研究任務(wù)委員會(huì)IRTF ? ?
號(hào)碼分配委員會(huì)IANA
OSI參考模型
OSI RM：開放系統(tǒng)互連參考模
OSI參考模型具有以下優(yōu)點(diǎn)
簡(jiǎn)化了相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)操作
提供設(shè)備間的兼容性和標(biāo)準(zhǔn)接口
促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作
結(jié)構(gòu)上可以分隔
易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)
第一層到第三層成為底層（Lower Layer），又叫介質(zhì)層（media ），底層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳送，網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備往往位于下三層，以硬件和軟件相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。OSI參考模型的第五層到第七層成為高層（Upper Layer），又叫主機(jī)層（Host Layer），高層用于保障數(shù)據(jù)的正確傳輸，以軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。OSI參考模型層次結(jié)構(gòu)，OSI參考模型自下而上分為七層：
TCP/IP協(xié)議棧概述
TCP/IP起源于60年代末美國(guó)政府資助的一個(gè)分組交換網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目，到90年代已發(fā)展成為計(jì)算機(jī)之間最常用的組網(wǎng)形式。TCP/IP是一個(gè)真正的開放系統(tǒng)，因?yàn)槠鋮f(xié)議簇的定義及其多種實(shí)現(xiàn)可以免費(fèi)或花費(fèi)很少就可以公開地得到。TCP/IP是“全球互聯(lián)網(wǎng)”或“因特網(wǎng)”Internet的基礎(chǔ)。
與OSI參考模型一樣，TCP/IP對(duì)等模型也分為不同的層次，每一層負(fù)責(zé)不同的通信功能。五層對(duì)等模型是OSI和TCP/IP模型的綜合。
TCP/IP協(xié)議棧
IP協(xié)議是盡力傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其提供的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)是不可靠的、無(wú)連接的。IP協(xié)議不關(guān)心數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，不能保證數(shù)據(jù)包是否成功到達(dá)目的地，也不關(guān)心任何關(guān)于前后數(shù)據(jù)包的狀態(tài)信息。面向連接的的可靠服務(wù)由上層的TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP等數(shù)據(jù)都最終封裝在IP報(bào)文中傳輸。
物理層功能
物理層主要是：規(guī)定介質(zhì)類型、接口類型、信令類型 ；規(guī)范在終端系統(tǒng)之間激活、維護(hù)和關(guān)閉物理鏈路的電氣、機(jī)械、流程和功能等方面的要求；規(guī)范電平、數(shù)據(jù)速率、最大傳輸距離和物理接頭等特征；
同步串口可作為DCE 或者DTE，支持多種物理層協(xié)議：V.24/V.35/X.21 等協(xié)議，異步串口支持RS232 協(xié)議，最大速率為115.2kbit/s。G.703 E1/T1接口類型。
物理層介質(zhì)和物理層設(shè)備
物理層介質(zhì)：同軸電纜、雙絞線、光纖、無(wú)線電波；物理層設(shè)備：中繼器、集線器；
數(shù)據(jù)鏈路層功能
MAC Sub-layer：Media Access Control Sub-Layer 介質(zhì)訪問(wèn)控制子層指定數(shù)據(jù)如何通過(guò)物理線路進(jìn)行傳輸，并與物理層通信LLC Sub-layer：Logic Link Control Sub-layer邏輯鏈路控制子層識(shí)別協(xié)議類型并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸
數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議
數(shù)據(jù)鏈路層局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)協(xié)議
數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備：以太網(wǎng)交換機(jī)
網(wǎng)絡(luò)層功能與設(shè)備
功能 ：在不同的網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包設(shè)備：路由器、三層交換機(jī)
網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)就是要選擇合適的路徑并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，使數(shù)據(jù)包能夠正確無(wú)誤的從發(fā)送方傳遞到接收方。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能包括：
編址：網(wǎng)絡(luò)層為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配標(biāo)識(shí)，這就是網(wǎng)絡(luò)的地址（address）。地址分配也為從源到目的的路徑選擇提供了基礎(chǔ)。
路由選擇：網(wǎng)絡(luò)層的一個(gè)關(guān)鍵作用是要確定從源到目的的數(shù)據(jù)傳遞應(yīng)該如何選擇路由，網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備在計(jì)算路由之后，按照路由信息對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)層路由選擇的設(shè)備成為路由器（router）。
擁塞管理：如果網(wǎng)絡(luò)同時(shí)傳送過(guò)多的數(shù)據(jù)包，可能會(huì)產(chǎn)生擁塞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或延遲，網(wǎng)絡(luò)層也負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的擁塞進(jìn)行控制。
異種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)：通信鏈路和介質(zhì)類型是多種多樣的，每種鏈路都有其特殊的通信規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)層必須能夠工作在多種多樣的鏈路和介質(zhì)類型上，以便能夠跨越多個(gè)網(wǎng)段提供通信服務(wù)。
網(wǎng)絡(luò)層處于傳輸層和數(shù)據(jù)鏈路層之間，他它負(fù)責(zé)向傳輸層提供服務(wù)，同時(shí)負(fù)責(zé)將網(wǎng)絡(luò)地址翻譯成對(duì)應(yīng)的物理地址。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議還能協(xié)調(diào)發(fā)送、傳輸及接收設(shè)備的處理能力的不平衡性，如網(wǎng)絡(luò)層可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段和重組，以使得數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度能夠滿足該鏈路的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議所支持的最大數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度。
網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議
當(dāng)某一網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)應(yīng)用程序需要發(fā)送報(bào)文到位于另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的目的地時(shí)，與該主機(jī)在同一網(wǎng)絡(luò)上的路由器的一個(gè)接口會(huì)接收到數(shù)據(jù)幀，路由器的鏈路層檢查該幀，確定被攜帶的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)類型，去掉鏈路層幀頭，并將網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)送往相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行處理；
網(wǎng)絡(luò)層檢查報(bào)文頭以決定目的地址所在網(wǎng)段，然后通過(guò)查找路由表以獲取相應(yīng)輸出接口；
輸出接口的鏈路層為該報(bào)文加上鏈路層幀頭，封裝成數(shù)據(jù)幀并發(fā)送到下一跳；
每一個(gè)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)都要進(jìn)行這一過(guò)程。在到達(dá)目的主機(jī)所在網(wǎng)絡(luò)時(shí)，報(bào)文被封裝成目地網(wǎng)絡(luò)的鏈路層數(shù)據(jù)幀，發(fā)送給相應(yīng)的目的主機(jī)。目的主機(jī)接收到該報(bào)文后，經(jīng)過(guò)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層的處理，去掉鏈路層幀頭、網(wǎng)絡(luò)層報(bào)文頭后，送給相應(yīng)的協(xié)議。
路由器能支持多個(gè)相互獨(dú)立的路由協(xié)議（例如IP RIP、OSPF、IPX RIP等），能為不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（如 TCP/IP、IPX）相對(duì)應(yīng)的路由協(xié)議維護(hù)各自的路由表。路由器的這種能力允許路由器能同時(shí)支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，進(jìn)行報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。
傳輸層功能
最終目標(biāo)是向用戶（一般指應(yīng)用層的進(jìn)程）提供有效、可靠的服務(wù)。傳輸層主要定義了主機(jī)應(yīng)用程序間端到端的連通性，它一般包含四項(xiàng)基本功能。
分段上層數(shù)據(jù)
建立端到端連接
將數(shù)據(jù)從一端主機(jī)傳送到另一端主機(jī)
保證數(shù)據(jù)按序、可靠、正確傳輸
傳輸層位于OSI參考模型第四層，最終目標(biāo)是向用戶— 一般指應(yīng)用層的進(jìn)程，提供有效、可靠的服務(wù)。傳輸層主要定義了主機(jī)應(yīng)用程序間端到端的連通性，它一般包含四項(xiàng)基本功能：
將應(yīng)用層發(fā)往網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)分段或?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)層發(fā)往應(yīng)用層的數(shù)據(jù)段合并。
建立端到端的連接，主要是建立邏輯連接以傳送數(shù)據(jù)流。
將數(shù)據(jù)段從一臺(tái)主機(jī)發(fā)往另一臺(tái)主機(jī)。在傳送過(guò)程中通過(guò)計(jì)算校驗(yàn)和以及通過(guò)流控制的方式保證數(shù)據(jù)的正確性，流控制可以避免緩沖區(qū)溢出。
部分傳輸層協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳送正確性。主要是在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中確保同一數(shù)據(jù)既不多次傳送也不丟失。同時(shí)還要保證數(shù)據(jù)包的接收順序與發(fā)送順序一致。
傳輸層協(xié)議主要有TCP/IP協(xié)議棧的TCP協(xié)議和UDP協(xié)議，IPX/SPX協(xié)議棧的SPX協(xié)議等。其中，TCP協(xié)議和SPX協(xié)議為應(yīng)用程序提供可靠的、面向連接的服務(wù)；UDP協(xié)議提供不可靠的、無(wú)連接的服務(wù)。
傳輸層主要協(xié)議對(duì)比
應(yīng)用層功能
應(yīng)用層的主要功能
為用戶提供接口、處理特定的應(yīng)用
數(shù)據(jù)加密、解密、壓縮、解壓縮
定義數(shù)據(jù)表示的標(biāo)準(zhǔn)
