【计算机网络最全知识点问答】第一章 概述

重点和难点

• 重点：

  • 计算机网络的定义、发展历程、组成部分、分类以及网络体系结构等方面的内容。

  • 重点掌握 OSI 七层模型和 TCP/IP 模型的特点和功能。

  • 电路交换、报文交换、分组交换的特点。

• 难点：

  • 理解网络体系结构中各层的功能及相互关系。

  • 区分 OSI 模型和 TCP/IP 模型的异同点。

关键问题

1. 什么是计算机网络？

2. 计算机网络的发展历程中有哪些重要事件？

3. 因特网由哪些部分组成？

4. 计算机网络有哪些分类方式？

5. 电路交换、报文交换、分组交换各自有什么特点？

6. OSI 七层模型各层的功能是什么？

7. TCP/IP 模型有哪些层次？各层的功能是什么？

8. OSI 模型和 TCP/IP 模型有哪些异同点？

什么是计算机网络？

• 计算机网络是一个系统，它通过通信设备、线路和通信软件（操作系统、协议等）将位于不同位置的多台自治计算机互连起来，以实现资源共享。网络是计算机和通信技术的集成，一个互联的自主的计算机集合。Tanenbaum 将其定义为一个互联的自主的计算机集合，其中互联是指计算机之间有通信信道相连且可以交换信息，自主是指计算机之间没有主从关系，所有计算机平等独立。计算机网络建立的主要目的是实现计算机资源的共享，包括硬件、软件、数据共享。连网计算机必须遵循全网统一的网络协议。

计算机网络的发展历程中有哪些重要事件？

• 1969 年起源于美国国防部高级研究计划署的 ARPANET。

• 1979 年，研究开发 TCP/IP，80 年代 TCP/IP 应用于 UNIX。

• 1983 年，TCP/IP 成为 ARPANET 上的标准协议，同年 ARPANET 分解成两个网络：ARPANET（进行实验研究用的科研网）和 MILNET（军用计算机网络）。

• 1985 年，美国国家科学基金会 NSF 投入 TCP/IP 的研发，建成 NSFNet。

• 90 年代后，Internet 飞速发展，入网的用户数呈指数增长。

• 93 年美国政府提出建立信息高速公路（国家信息基础设施，NII，National Information Infrastructure），之后，GII（Global Information Infrastructure）在全球掀起。

• 1997 年 7 月，美国提出了 NGI（Next Generation Internet）。

• 2005 年美国 NSF 启动 GENI（Global Environment for Networking Innovation）和 FIND (Future INternet Design)。

因特网由哪些部分组成？

• 从因特网的工作方式上看，可以划分为边缘部分和核心部分。边缘部分由所有连接在因特网上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享。核心部分由大量网络和连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。

计算机网络有哪些分类方式？

• 按照传输技术可分为广播网络、点点网络；按规模可分为局域网、城域网、广域网、接入网；按拓扑结构可分为星型网、总线网、树型网、环型网、网状网；按交换技术可分为电路交换、报文交换、分组交换、混合交换网络；按网络使用者可分为公用网、专用网络。

电路交换、报文交换、分组交换各自有什么特点？

• 电路交换必定是面向连接的，包括建立连接、通信、释放连接三个阶段。其优点是通信过程中通信线路被独占，数据传输稳定可靠。缺点是通信线路利用率低，不适合计算机数据的突发性传输。

• 报文交换的时延较长，现在已经很少有人使用。

• 分组交换采用存储转发技术，高效灵活迅速可靠。优点包括动态分配传输带宽，对通信链路逐段占用；以分组为传送单位和查找路由；不必先建立连接就能向其他主机发送分组，充分使用链路的带宽；有完善的网络协议和自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。缺点是分组在各结点存储转发时需要排队，会造成一定的时延，分组必须携带的首部也造成了一定的开销。

OSI 七层模型各层的功能是什么？

• 物理层：在物理媒体上传输原始的比特流，包括机械的、电气的和通讯过程的接口，如信号的编码、网络接插件的电、机械接口等。

• 数据链路层：通过一定的手段，将有差错的物理链路转化成对网络层来说没有传输错误的数据链路。以数据帧为单位进行传输，进行成帧、差错控制、流量控制、物理寻址、媒体访问控制等。

• 网络层：进行路由、转发和拥塞控制，确定分组如何从源端到目的端，当分组需跨越多个网络时，解决不同网络的寻址方法不同、分组长度可能不同、两个网络使用的协议不同等问题。

• 运输层：为上层用户提供不依赖于具体网络的高效的端到端数据传输服务，提供面向连接、无连接以及安全连接服务。

• 会话层：负责建立（或清除）在两个通信的表示层之间的通信通道，包括交互管理、同步，异常报告，管理不同主机上各个进程间的对话。

• 表示层：为上层用户提供数据或信息语法的表示变换，负责机器内部的数据表示与抽象数据表示之间的变换，数据的加密／解密，压缩／解压缩等变换。

• 应用层：处理应用进程之间所发送和接收的数据中包含的信息内容，为应用进程提供访问 OSI 环境的手段，如域名服务、文件传输、电子邮件、虚拟终端等。

TCP/IP 模型有哪些层次？各层的功能是什么？

• 应用层：向用户提供应用服务，如 FTP、TELNET 等各种应用层协议。

• 运输层：提供可靠的面向连接的传输层协议 TCP 和不可靠的非连接传输层协议 UDP。

• 网际层 IP：提供非连接的分组交换功能。

• 网络接口层：与物理网络具体实现有关，没有专用协议。

OSI 模型和 TCP/IP 模型有哪些异同点？

• 相同点：

  • 都是基于独立的协议栈概念。

  • 两者都有功能相似的应用层、传输层、网络层。

• 不同点：

  • 在 OSI 模型中，严格地定义了服务、接口、协议；在 TCP/IP 模型中，并没有严格区分服务、接口与协议。

  • OSI 模型支持非连接和面向连接的网络层通信，但在传输层只支持面向连接的通信；TCP/IP 模型只支持非连接的网络层通信，但在传输层有支持非连接和面向连接的两种协议可供用户选择。

  • TCP/IP 模型中不区分、甚至不提起物理层和数据链路层。

1. 计算机网络与分布式系统有什么区别？

2. 什么是 Internet？它与 internet 有什么不同？

3. 计算机网络在中国的发展历程是怎样的？

4. 局域网、城域网、广域网和接入网各自有什么特点？

5. 分组交换网的工作原理是什么？

6. 在网络体系结构中，协议的组成要素有哪些？

7. 网络分层有哪些好处？

8. 各层设计中需要考虑哪些问题？

9. OSI 模型中数据的传送过程是怎样的？

10. TCP/IP 四层协议表示方法中，路由器在转发分组时用到哪些层次？

11. 五层协议的体系结构是怎样的？各层的功能是什么？

12. 客户进程和服务器进程使用 TCP/IP 协议进行通信的过程是怎样的？

计算机网络与分布式系统有什么区别？

• 分布式系统在分布式 OS 统一调度下，各计算机协调工作，共同完成一项任务，如并行计算。用户面对的是一台逻辑上的计算机，组成分布式系统的各计算机如何协同工作是对用户透明的，用途主要是科学计算和数据处理。

• 计算机网络非协调性，各计算机对用户非透明，用户必须指定资源的位置，用途主要是资源共享。

什么是 Internet？它与 internet 有什么不同？

• internet（互联网或互连网）：通用名词，泛指由多个计算机网络互连而成的网络。

• Internet（因特网、国际互联网）：专用名词，指全球最大的、开放的，由众多网络相互连接而成的特定计算机网络，它由美国阿帕网（ARPANET）发展而成，主要采用 TCP/IP 协议作为通信的规则。起源于美国阿帕网，端系统包括计算机、手机、电话、PDA、信息家电、汽车等，区别在于软件。

计算机网络在中国的发展历程是怎样的？

• 1989 年 9 月，国家计委向世界银行贷款建设中关村地区教育与科研示范网络（NCFC），1992 年 NCFC 工程全部完成，后改名中国科技网（CSTNet）。

• 1994 年 4 月，NCFC 代表中国正式加入 Internet，向 InterNIC 注册 CN 域名。

• 1994 年 9 月，中国公用计算机互联网（Chinanet）建设正式启动，96 年 1 月正式开通。

• 1994 年 10 月，中国教育科研网（Cernet)开始启动。

• 1996 年 9 月，中国金桥网（ChinaGBN)正式开通。

• 1997 年，Chinanet 与 CSTNet、Cernet、ChinaGBN 互联互通。

• 随着时间的推移，中国的互联网不断发展，网民数量、国际出口带宽、网站数等不断增加。

局域网、城域网、广域网和接入网各自有什么特点？

• 局域网（LAN）：距离短、通信时延小（几十微秒）、数据速率高（10 - 1000Mbps）、低误码率（10 - 8~10 - 11）。一般采用 Broadcast 技术，具有简单的拓扑结构，有总线型和环型两种广播式网络。

• 城域网（MAN）：同 LAN 非常相似，也是使用 Broadcast 技术，但为了获得较好的可扩展性，使用一种分布式队列双总线机制（DQDB，IEEE802.6）。

• 广域网（WAN）：由端点系统和通信子网组成。端点系统是运行用户程序的计算机集合，通信子网负责在用户计算机之间传输消息，包括传输线路和交换单元。路由器遵循存储转发原则。

• 接入网：满足用户对高速上网的要求而出现的网络技术，是从居民住宅至某个 ISP 之间的中间网络。常用的技术有 xDSL、Cable Modem、以太网接入等。

分组交换网的工作原理是什么？

• 分组交换采用存储转发技术。在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段，每一个数据段前面添加上首部构成分组。分组交换网以“分组”作为数据传输单元，依次把各分组发送到接收端。接收端收到分组后剥去首部还原成报文，最后在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。

在网络体系结构中，协议的组成要素有哪些？

• 语法：数据与控制信息的结构或格式。

• 语义：需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应。

• 同步：事件实现顺序的详细说明。

网络分层有哪些好处？

• 容易解决通信的异构性问题，上层解决不同种语言的相互翻译（数据的不同表示），下层解决信息传递，使复杂问题简化，高层屏蔽低层细节问题。

• 每层只关心本层的内容，不用知道其他层如何实现。

• 使设计容易实现，每个层次向上一层提供服务，向下一层请求服务。

各层设计中需要考虑哪些问题？

• 地址问题：每层都要有识别发送方和接收方的机制。

• 数据传送规则：包括单工通信、半双工通信、全双工通信。

• 差错控制：通信链路上的故障，如检错和纠错机制。

• 顺序问题：有些信道不能保证报文发送的先后顺序。

• 流量控制：发送方过快，可能会“淹没”接收方。

• 报文的分割和重组问题。

• 多路复用和分用：发送端的几个高层会话复用一条低层的连接，在接收端再进行分用。

• 路由：源和目的端之间有多条通路时，需要进行路由选择。

OSI 模型中数据的传送过程是怎样的？

• 发送进程将数据发给应用层，应用层在收到的数据上加上该层的控制信息，然后将封装好的数据传给表示层；表示层收到数据后，加上表示层控制信息，然后传给会话层；以此类推，每一层在收到的数据上加上控制信息，并传给下一层。当传到物理层，数据通过物理媒体传到接收机器。

• 在接收机器上，每一层从收到的数据中去掉本层的控制信息，然后传给上一层；逐层上传，直到接收进程。

TCP/IP 四层协议表示方法中，路由器在转发分组时用到哪些层次？

• 路由器在转发分组时最高只用到网络层，而没有使用运输层和应用层。

五层协议的体系结构是怎样的？各层的功能是什么？

• 应用层：处理应用进程之间所发送和接收的数据中包含的信息内容，为应用进程提供访问 OSI 环境的手段。

• 运输层：为上层用户提供不依赖于具体网络的高效的端到端数据传输服务。

• 网络层：进行路由、转发和拥塞控制，确定分组如何从源端到目的端。

• 数据链路层：进行成帧、差错控制、流量控制、物理寻址、媒体访问控制等。

• 物理层：在物理媒体上传输原始的比特流，包括机械的、电气的和通讯过程的接口。

客户进程和服务器进程使用 TCP/IP 协议进行通信的过程是怎样的？

• 客户发起连接建立请求，服务器接受连接建立请求。以后就逐级使用下层提供的服务（使用 TCP 和 IP）。

• 首先，客户发起连接建立请求。客户进程在需要与服务器进行通信时，会主动向服务器发送一个请求，以建立连接。这个请求会通过网络层、数据链路层和物理层等底层协议进行传输。

• 然后，服务器接受连接建立请求。服务器进程在接收到客户的连接请求后，会对请求进行处理。如果服务器同意建立连接，它会向客户发送一个确认信息，表示接受连接请求。

• 连接建立后，双方就可以逐级使用下层提供的服务（使用 TCP 和 IP）进行数据传输。在这个过程中，数据会从应用层开始，依次经过运输层、网络层、数据链路层和物理层进行封装和传输。在接收方，数据会按照相反的顺序进行解封装，最终到达应用层，被应用进程接收和处理。

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