【25软考网工笔记】第一章 计算机网络概述

一、计算机网络发展与分类

1. 计算机网络形成和发展

1）ICT

• ICT: 信息技术（IT）与通信技术（CT）的结合，即ICT（Information and Communications Technology）。
• 应用: 在华为认证中，ICT工程师是未来发展的趋势，融合了IT和CT的技术。

2）计算机网络的发展

• 早期网络
  • 时间: 早期阶段
  • 应用: 主要在军事和特定领域使用，如美国空军的SABRE-I防空系统、飞机订票系统。
  • 典型例子: ARPAnet，作为互联网的前身。
• 厂商独立发展阶段
  • 时间: 第二阶段
  • 特点: 各个厂商独立发展，形成自己的标准和体系结构，如IBM的SNA，DEC的DNA。
• 标准化阶段
  • 时间: 第三阶段
  • 特点: 全面的标准化，OSI参考模型成为重要标准，尽管未普及，但为TCP/IP模型奠定基础。
  • TCP/IP: 现在的互联网使用的主要协议。

3）我国互联网发展

• 1987年: 钱天白教授通过意大利公用分组交换网ITAPAC发出我国第一封电子邮件。
• 1989年: 国家计委组织建立中关村地区教育与科研示范网络(NCFC)。
• 1992年: NCFC建设完成，连接北京大学、清华大学和中国科学院。
• 1994年: 接入国际Internet的64k专线。
• 1997年: 组建中国互联网络信息中心(CNNIC)。
• 截至2023年6月:
  • 网民规模达10.79亿人
  • 域名总数3024万个
  • IPv6地址数量68055块/32
  • IPv6活跃用户数7.67亿
  • 互联网宽带接入端口11.1亿个
  • 光缆线路总长度6196万公里
  • 移动电话基站1129万个，其中5G基站293.7万个
  • 活跃App数量260万款
  • 物联网终端用户21.23亿户

2. 计算机网络分类

1）通信子网和资源子网

• 通信子网: 包含通信节点（如集线器、交换机、路由器、防火墙等）和通信链路（如电话线、同轴电缆、无线电线路、卫星线路、微波中继线路和光纤缆线），负责中间传递信息。
• 资源子网: 包含用户资源，如PC、服务器等，负责存储和访问资源。

2）PAN、LAN、MAN、WAN

• 个人网（PAN）: 覆盖范围一般20米以内，典型案例如蓝牙、家庭Wi-Fi，由个人运营。
• 局域网（LAN）: 覆盖大楼内部或园区内部，典型案例如校园网、企业内部网络。
• 城域网（MAN）: 覆盖建筑物之间或城区内，由运营商或教育部门管理，如教育城域网、运营商城域网。
• 广域网（WAN）: 覆盖国内或国际范围，主要由运营商负责，典型案例如运营商骨干网。

3）其他分类方式

• 按交换技术分类:
  • 电路交换网络: 类似快递，独占资源，如传统电话网络。
  • 报文交换网络: 将原始数据进行拆散，一跳一跳进行传送，传送数据之前先建立虚电路。
  • 分组交换网络: 数据分组传送，虚电路（如X.25、FR、ATM）和数据报（如IP）两种方式，数据报传送前不用建立虚电路，数据到达目的地可走多条路径。
• 按协议分类: 如IP网、IPX网等，其中IPX网络已被淘汰。
• 按传输介质分类:
  • 无线网: 如Wi-Fi、蓝牙等。
  • 有线网: 可分为双绞线网络、同轴电缆网络、光纤网络等。
• 按用途分类: 如教育网络、科研网络、商业网络及企业网络等。

3. 计算机网络应用

1）应用概述

• 应用类型: 计算机网络应用广泛，包括电子商务、远程协作、网上购物、远程教育、网上购票、远程医疗、网上转账、网上办公、政府部门的电子政务、校园网上办公系统等。
• 发展趋势: 随着时代的发展，网络应用越来越多，涵盖信息发布、娱乐、社交、学习、医疗等多个领域。

2）例题

题目解析

• 题干: 网络应用需要考虑实时性，以下网络服务中实时性要求最高的是哪一个？
• 选项分析:
  • A. 基于SNMP协议的网管服务
  • B. 视频点播服务
  • C. 邮件服务
  • D. Web服务
• 答案: B
• 解析:
  • 一般应用时延要求200ms以内。
  • 音视频时延要求50ms以内，故视频点播服务对实时性要求最高。
  • 基于SNMP的网管服务虽然业务重要性高，但对延迟没有太高的要求。

3）例题

题目解析

• 题干: 对网络进行QoS规划时，划分了语音业务、管理业务、IPTV业务、上网业务，其中优先级最高和最低的是哪一种？
• 答案:
  • 优先级最高: 管理业务
  • 优先级最低: 上网业务
• 解析:
  • 业务优先级从高到低排序：管理业务、语音业务/IPTV业务、上网业务。
  • 管理业务优先级最高，上网业务优先级最低。

4）视频监控网络拓扑分析

网络架构

• 企业概况: 占地500亩，有五层办公楼1栋，大型仓库10栋。
• 设备部署:
  • Switch A、服务器、防火墙、管理机、Router A等部署在办公楼一层的数据机房中。
  • Switch B部署在办公楼一层配线间作为接入设备。
  • Switch C和Switch D分别部署在仓库1和仓库2，用于接入摄像头。
• 接入方式: 各仓库的交换机与Switch A相连，办公楼其他楼层及仓库的交换机接入方式与Switch B、C、D相同。

带宽需求分析

• 摄像头配置: 每栋仓库内外配置16台视频监控，共计160台。
• 传输质量: 若接入的IPC采用1080P的图像传输质量。
• 带宽需求:
  • 每路摄像头带宽需求为4M。
  • 一个仓库的带宽需求为 16∗4=64M
  • Switch C作为接入交换机，使用百兆交换机满足带宽要求。
  • Switch A作为核心交换机，需接入10个仓库的视频数据，总带宽需求为 160∗4=640M，故需使用千兆交换机。

结论: Switch C可以使用百兆链路，Switch A不能使用百兆，带宽不够。

答案与解析

• 【参考答案】Switch C可以使用百兆链路，Switch A不能使用百兆，带宽不够。
• 【summer解析】参考下表，1080P视频带宽需求一般为4M，Switch C下有16路IPC，带宽需求：164=64M，低于100M，且有一定富余，可以通过百兆交换机接入。SwitchA下有160路IPC，共计带宽需求：1604=640M，远超百兆，故至少需要配置千兆交换机。
• 分辨率、帧数与带宽需求对应关系：

本节知识小结

二、OSI和TCP/IP参考模型

• TCP/IP 来源于OSI
• OSI未实际使用

1.OSI模型

OSI模型将网络通信的功能划分为七个层次，从下到上依次为：

物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

各层功能

• 物理层：负责处理物理介质上的信号传输，包括电缆、光纤、无线等介质的特性，以及信号的编码、调制和解调等。
• 数据链路层：将物理层接收到的信号转换为数据帧，并进行差错检测和纠正，同时负责将数据帧从一个节点传输到另一个节点。
• 网络层：负责将数据从源节点传输到目标节点，通过路由选择算法确定数据的传输路径，并进行数据包的分片和重组。
• 传输层：为应用程序提供端到端的通信服务，确保数据的可靠传输，主要协议有 TCP 和 UDP。
• 会话层：负责建立、维护和管理会话，提供会话的同步和恢复功能。
• 表示层：对数据进行转换、加密和解密、压缩和解压缩等处理，确保数据在不同系统之间的正确表示。
• 应用层：为用户提供各种网络应用服务，如 HTTP、FTP、SMTP 等。

OSI参考模型各层功能如下：

2.TCP/IP 参考模型

TCP/IP 参考模型是互联网采用的网络体系结构模型，它由四个层次组成，从下到上分别是：

网络接口层、网际层、传输层和应用层。

各层功能

• 网络接口层：负责将数据帧发送到物理网络上，并从物理网络上接收数据帧，它包含了 OSI 参考模型中的物理层和数据链路层的功能。
• 网际层：负责将数据包从源节点传输到目标节点，通过 IP 协议实现地址分配、路由选择和数据包的分片和重组等功能。
• 传输层：与 OSI 参考模型中的传输层功能类似，为应用程序提供端到端的通信服务，主要协议有 TCP 和 UDP。
• 应用层：包含了各种应用层协议，如 HTTP、FTP、SMTP、DNS 等，为用户提供各种网络应用服务。

3.两者的比较

相同点

• 都分层，且各层的功能大致相似，如都有网络层、传输层和应用层等。
• 都是基于协议栈的概念，协议栈是一系列协议的集合，用于实现网络通信。

不同点

• OSI 参考模型有七层，而 TCP/IP 参考模型有四层，OSI 参考模型的会话层和表示层在 TCP/IP 参考模型中被合并到应用层中。
• OSI 参考模型先有模型，后有协议，而 TCP/IP 参考模型是先有协议，后有模型。
• OSI 参考模型的网络层支持无连接和面向连接的通信，而 TCP/IP 参考模型的网际层只支持无连接的通信。
• OSI 参考模型的传输层只支持面向连接的通信，而 TCP/IP 参考模型的传输层支持面向连接和无连接的通信。

1)例题

2）例题

3）例题

三、数据封装与解封

1.封装

OSI 数据封装是指在 OSI 参考模型中，数据在从应用层传输到物理层的过程中，每一层都会给数据添加特定的头部（有时还包括尾部）信息，形成不同的协议数据单元（PDU），具体过程如下：

1. 应用层：用户的原始数据首先进入应用层。应用层会根据具体的应用协议对数据进行处理，例如添加一些与应用相关的标识信息等，但此时数据还没有被封装成特定的网络格式，通常被称为消息（Message）。
2. 表示层：表示层会对应用层传来的消息进行处理，如加密、解密、压缩、解压缩以及数据格式转换等操作，使数据能够以适合网络传输的格式进行传输。处理后的数据依然被称为消息。
3. 会话层：会话层负责建立、维护和管理会话。它会在消息中添加一些与会话相关的控制信息，如会话标识、会话状态等，以确保通信双方能够正确地进行会话管理。经过会话层处理后的数据还是称为消息。
4. 传输层：传输层主要负责端到端的可靠数据传输。它会将上层传来的消息分割成合适大小的数据段/报（Segment），并添加传输层的头部信息，如 TCP 协议中的源端口、目的端口、序列号、确认号等（TCP报头），或 UDP 协议中的源端口、目的端口等信息。这些信息用于实现数据的可靠传输、流量控制和差错检测等功能。
5. 网络层：网络层将传输层传来的数据段封装成数据包/分组（Packet）。它会在数据段的基础上添加网络层的头部信息（IP报头），主要包括源 IP 地址、目的 IP 地址等，这些信息用于在网络中进行路由选择，确保数据包能够从源节点正确地传输到目的节点。
6. 数据链路层：数据链路层把网络层传来的数据包进一步封装成数据帧（Frame）。它会在数据包的前后分别添加数据链路层的头部和尾部信息，头部通常包含源 MAC 地址、目的 MAC 地址等（以太网报头），尾部一般包含用于差错检测的帧校验序列（FCS）等信息。数据帧是数据在局域网中传输的基本单位。
7. 物理层：物理层将数据帧转换为比特流（Bit），通过物理介质（如电缆、光纤、无线等）进行传输。在传输过程中，物理层会根据物理介质的特性对比特流进行编码、调制等处理，以便在物理介质上正确地传输数据

2.解封

解封过程是封装的逆过程，数据从物理层到应用层，每一层会去掉对应层添加的头部（或尾部）信息，将数据还原为上一层的格式。

1）例题

2）例题

3）例题