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计算机网络的临时注意事项

更新时间：2026年03月27日作者：spoto 标签(Tag)：

计算机网络是由相互连接的计算机设备构成的系统。这些设备通过有线或无线通信方式相互连接，以使用定义明确的通信协议来交换数据、共享资源以及提供各种服务。

计算机网络是现代通信系统的基础，包括互联网、云服务以及分布式应用程序等。

计算机网络的目标

计算机网络的主要目标包括：

资源共享– 共享硬件（打印机、存储设备）、软件以及数据
沟通– 电子邮件、消息传递、视频会议
可靠性– 备份路径以及容错机制
可扩展性随着用户数量的增加，其扩展变得相对容易。
成本效益– 通过共享基础设施来降低成本

计算机网络的基础知识

网络组件

每一个计算机网络都由以下基本组成部分构成：

发送方/来源– 能够生成数据的设备
接收者（目标）– 用于接收数据的设备
消息/信息– 正在传输的信息
传输介质– 用于数据传输的物理或无线路径
协议/规范– 一套用于规范沟通行为的规则/准则

网络拓扑结构

网络拓扑结构指的是在计算机网络中，各种设备（节点）以及它们之间的通信连接的物理或逻辑排列方式。它决定了设备之间是如何相互连接的，以及数据在网络中的流动方式。在计算机网络中，存在多种不同的拓扑结构。

网格拓扑结构

每个设备都通过专用的通信链路直接连接到其他所有设备。
对于 N 个设备来说，所需的总链接数为：链接数 = (N×(N-1)) / 2
由于存在多条备用路径，因此具有极高的可靠性和容错能力。
由于需要连接大量的部件，因此安装和维护起来既昂贵又复杂。

总线拓扑结构

所有设备都连接在一个名为“主干电缆”的共享通信通道上。
对于N台设备来说，只需要一根主电缆即可。这根主电缆通过分支线路与每台设备相连。
由某个设备传输的数据会被广播到网络中的所有设备上。
实施起来非常简单且成本效益高。
对于大型网络来说，这种方式的可靠性和效率都较低。

星形拓扑结构

所有设备都通过点对点电缆连接到中央设备（集线器或交换机）。
对于N台设备来说，需要N根电缆。
易于安装、管理和故障排除。
单个设备的故障并不会影响到网络的其余部分。
中央设备的故障可能会导致整个网络无法正常运行。

环形拓扑结构

每个设备都恰好与两个相邻的设备相连，从而形成了一个闭环结构。
数据以循环的方式传输，即顺时针或逆时针方向传输。
能够有序且可控地传输数据。
单个设备或连接的故障就可能导致整个网络的崩溃。

了解更多关于……的信息网络拓扑结构.

传输模式

单纯模式这种通信方式是单向的，就像在单行道上一样。在连接中，只有其中一个设备能够发送数据，而另一个设备只能接收数据。
半双工模式每个站点都可以进行发送和接收操作，但不会同时执行这两种功能。
全双工模式这两个站点都可以同时进行发送和接收操作。

了解更多关于……的信息传输模式.

OSI模型

OSI的缩写是开放系统互连它是由ISO开发的。国际标准化组织在1984年，它采用了七层架构设计。每一层都拥有特定的功能，共同完成整个系统的运行。

理解OSI模型的各个层次

物理层

那个物理层它是OSI模型的最底层，负责在物理通信介质上传输原始比特位（即0和1）。
它定义了在设备之间建立和维护物理连接所需的机械、电气以及程序方面的特性。

物理层的核心职责

通过物理介质进行比特传输
定义了二进制数据的电压等级。
指定数据速率（每秒比特数）
确定比特同步情况
定义线路配置方式（点对点或多点连接）。
指定物理拓扑结构
定义了传输模式：单工、半双工、全双工。

传播媒介

传输介质指的是在计算机网络中，数据从发送方传输到接收方的物理或无线路径。这些路径主要被分为有导向的（有线）和无导向的（无线）两种类型。

有导向的传输介质（有线方式）

在受控的媒体使用中，数据信号是通过物理路径（如电缆）来传输的。

特点/特征

数据通过固体导体进行传输。
更安全、更可靠
减少干扰和噪音
行动能力有限

类型/种类

双绞线电缆– 成本较低，通常用于局域网中。
同轴电缆– 更好的抗噪声能力，适用于有线电视领域
光纤– 极高的传输速度和带宽，适用于长距离通信。

非引导传输介质（无线方式）

非有线媒体通过电磁波来传输数据，无需使用物理电缆。

特征/特点

不需要任何物理上的连接。
支持移动性和灵活性
更轻松、更快捷的部署方式
更容易受到干扰和安全风险的影响。

类型/种类

无线电波– Wi-Fi，蓝牙
微波炉– 蜂窝通信与卫星通信
红外线– 短距离通信

切换技术

切换技术是指在网络中用于建立路径、并将数据从源节点传输到目标节点的方法。

电路交换

In 电路交换为整个通信会话，会建立一条专用的通信路径。
连接建立 → 数据传输 → 连接终止
整个通信过程中，带宽都是固定的。
例如：传统的电话网络（PSTN）。
优点：数据流动具有可预测性和连续性。
缺点：资源使用效率低下，即使处于空闲状态时，也会占用资源。

消息交换

In 消息交换整个消息会被发送到中间节点，在那里被存储并继续转发，直到最终到达目的地。
不需要专门的路径来连接它们。
例如：电子邮件系统。
优点：能够高效利用资源，且不需要专门的路径。
缺点：由于需要存储和转发大量消息，因此会导致延迟。

分组交换

In 分组交换数据被分割成多个数据包，然后这些数据包分别被路由到各自的目的地。
不需要专门的路径来连接它们。
数据包可能会经过不同的传输路径。
例如：互联网（TCP/IP协议）。
优点：能够高效利用带宽，具有灵活性且可扩展性良好。
缺点：可能导致数据包的重新排序，同时还需要为数据包的头部处理额外的开销。

各种切换技术的比较

电路交换分组交换消息交换

使用专用的端到端路径	没有建立任何专用的路径。	没有使用专门的路径。
数据以连续流的形式进行传输。	数据被划分为多个数据包。	数据以完整的信息形式被发送出去。
连接建立后，延迟值很低。	延迟程度会因路由和排队情况的不同而有所差异。	由于采用存储转发方式，因此延迟较高。
带宽利用率很低。	带宽利用率很高	带宽利用率很低
用于传统的电话网络中	用于互联网中	在古老的电报系统中被使用

数据链路层

它是OSI模型中的第二层，负责在节点之间传输数据。它通过处理帧的封装、错误控制、流量控制以及介质访问控制等功能，确保数据能够在物理链路上可靠地传输。

数据链路层的功能

框架/结构– 将原始比特流分割成多个帧。
错误控制– 能够检测并纠正传输过程中的错误。
流量控制– 防止发送方对接收方造成过度负担。
媒体接入控制（MAC）– 控制对共享介质的访问权限
物理寻址– 使用MAC地址

基本时间延迟

传输延迟（Td）

将帧中的所有比特位传输到传输介质上所需的时间。

Td = 数据包的长度 / 带宽

2. 传播延迟（Pd）

信号从发送方传输到接收方所需的时间。

Pd = 距离 / 传播速度

3. 往返时间（RTT）

帧到达接收端以及其确认信息返回所需的总时间
也被称为“最小确认等待时间”。

流量控制机制

流量控制可以确保发送方传输数据的速度不会超过接收方能够处理的速度。

“停止并等待协议”

每次只发送一帧数据。
发送方在发送下一帧之前，会等待接收方的确认信号。
虽然很简单，但效果却很差。

效率（线路利用率）：

E = Td(frame) / (Td(frame) + 2Pd + Qd + Prd + Td(ACK))

吞吐量：

吞吐量 = L / Td(frame) + 2Pd + Qd + Prd + Td(ACK)

2. Go-Back-N 自动重传请求机制

也被称为“保守协议”
使用累积确认机制
接收器窗口大小 = 1
发送方窗口大小 = 2ⁿ − 1，其中k是序列中各个位数的数量。

效率：

E = N×Td(frame) / (Td(frame) + 2Pd + Qd + Prd + Td(ACK))

吞吐量：

吞吐量 = N × L / Td(frame) + 2Pd + Qd + Prd + Td(ACK)

3. 选择性重传ARQ

仅重新传输那些丢失或损坏的帧。
比Go-Back-N更高效。
减少了不必要的重传次数
更高的缓冲需求

效率：

E = N×Td(frame) / (Td(frame) + 2Pd + Qd + Prd + Td(ACK))

数据链路层协议的比较

将代码封装在DLL中 :框架/结构它提供了一种方式，让发送方能够向接收方传递一组对接收方来说有意义的比特数据。

字符/字节填充：当帧由多个字符组成时，就会使用这种表示方法。如果数据中包含ED，那么会在一个字节中插入一个额外的字符，以区分它与ED的区别。
一些无关紧要的填充内容/无意义的信息发送方稍微调整了一下数据格式，即在数据中添加了一个“0”。因此，现在的数据变成了“0111”。 0 1.

媒体接入控制协议

它们负责管理设备如何共享同一通信介质，从而确保数据的传输既高效又不会发生冲突。MAC协议通常可以分为以下几类：

基于竞争的协议

在这些协议中，各个设备会争夺网络资源，因此可能会出现冲突的情况。这些协议适用于流量较大的网络环境。

示例：

阿洛哈

In 纯Aloha模式这些设备可以在任何时间发送数据。当发生冲突时，会通过重新传输的方式来解决这些问题。
In 带槽的ALOHA传输时间被划分为多个时间段，这样可以降低发生冲突的概率。

CSMA（载波感知多路访问）

In CSMA在传输之前，这些设备会先感知介质的状态。
CSMA/CD（碰撞检测）它被用于以太网中，能够检测冲突并重新传输数据。
CSMA/CA（冲突避免机制）在无线网络（例如Wi-Fi）中，它通过使用RTS/CTS信号来避免冲突。RTS表示“请求发送”，而CTS则表示“清除发送”。

受控访问协议

这些协议通过控制对介质的访问来避免冲突。例如：

In投票/选举一个中央设备会查询其他设备，从而让这些设备能够访问该介质。
令牌传递机制该令牌在网络中流通，只有持有该令牌的设备才能进行传输。

错误控制

汉明码: 汉明码它是一组错误校正码，可以用来检测和纠正在数据从发送方传输到接收方过程中可能出现的错误。

冗余位：2 ≤ m + r + 1
其中，r表示冗余位；m表示数据位。

循环冗余校验 : CRC在发送方和接收方都使用了多项式生成器来检测传输数据中的错误。例如，如果要传输的数据是1010000，那么用于计算的多项式形式为x。3+1. 下面将介绍CRC算法。

校验和: 校验和与其他错误检测方式相比，这种方法的可靠性更高。它要求发送方使用校验和生成器来生成校验和，而接收方则使用校验和检测器来验证接收到的校验和是否准确无误。例如：

网络层

网络层负责在不同网络之间进行逻辑寻址、路由选择和数据包转发。它确保数据能够准确地到达目标位置，即使数据需要经过多个路由器时也是如此。

类满地址分配这是一种IP地址分配方法，它将地址空间划分为五个不同的类别。A、B、C、D和E根据IP地址的前几个比特位来确定。每个类别都有固定的网络部分和主机部分。.

类满地址分配

IPv4数据报头部

IPv4头部包含了所需的信息。路由数据包、片段数据包以及控制数据包在各个网络之间传输。

版本/型号:IP协议的版本信息（4位），其中IPv4的版本为4。
HLEN：IP头部长度（4位），即头部中包含的32位字的个数。该字段的最小值为5，最大值为15。
服务类型： 低延迟、高吞吐量、高可靠性（8位）
总长度： 头部长度加上数据部分的总长度，为16位。其最小值是20字节，最大值则是65,535字节。
识别/鉴定:用于识别单个IP数据报中各个片段的唯一数据包ID（16位）
旗帜:3个各为1位的标志位：预留位（必须为零），不分割标志位，还有更多的分割标志位（顺序相同）。
片段偏移量：它表示在特定的数据报中，位于该特定片段之前的Data字节的数量。这个数值以8字节为单位来表示，其最大值为65,528字节。
是时候活下去了。:数据报的存活时间（8位），这一参数通过限制数据包在传输到目标地址之前需要经过的跳数，从而防止数据报在网络中循环往复。
协议/规范： 数据将被传输到的协议名称（8位）
头部校验和:16位头部校验和用于检查数据报头部中的错误
源IP地址:发送方的32位IP地址
目标IP地址:32位IP地址接收者/接受方
选项：可选的信息，例如源路由、目标路由等。网络管理员会利用这些信息来检测路径是否正常工作。

子网划分

子网划分所谓“子网划分”，就是将大型IP网络划分为多个较小的逻辑网络的过程。这一过程能够提升网络管理的效率、安全性以及性能，同时还能有效利用IP地址资源。

为什么需要子网划分呢？

减少了广播流量
提升了网络安全性能
有效利用IP地址
简化了路由和网络管理流程

实施/执行：

让我们来考虑一个网络吧。192.168.1.0/24（子网掩码：255.255.255.0），我们需要创建相应的网络结构。4个子网络.

请找出可以划分出的子网数量。:

2n ≥ 子网数量
在这里，n=2（因为2）2= 4).

确定新的子网掩码。:

子网掩码是一个32位的数字，在IPv4协议中，它被用来将一个IP地址划分为多个部分。

网络部分

主机部分

路由器使用子网掩码来识别网络地址，并据此做出路由决策。

原始子网掩码：/24
为进行子网划分，需要添加2位：/26
新的子网掩码：255.255.255.192

查找子网范围:

子网大小 = 232−新的前缀=232−26每个子网有64个IP地址。
每个子网可使用的IP地址数量 = 64 - 2 = 62个（不包括网络地址和广播地址）。

子网:

子网1：192.168.1.0到192.168.1.63
子网2：192.168.1.64到192.168.1.127
子网3：192.168.1.128到192.168.1.191

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