计算机网络

内容须知

本教程可能涉及到wireshark专业化的分析，大部分内容只需要理解和科普，从底层分析和通俗易懂理解计算机网络,每一个知识点都涉及专家版本和大众版本，对于不从事网络方面的同学来说，不需要理解专家版本。

1.概述

1.2 因特网的概述

1.2.1 网络、互联网与因特网的区别和关系

1.网络

由若干节点和连接这些节点的线路组成，各种网络设备相互链接构成网络框架

网络是一个最宽泛的概念。只要有两台或两台以上的设备（电脑、手机、甚至打印机）连接在一起，能够互相通信、共享资源，这就构成了一个网络。

  • 生活例子： 你家里的 Wi-Fi。你的手机、iPad、笔记本都连在路由器上，它们组成了一个“家庭局域网”。
  • 核心： 只要连在一起，就叫网络。

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2.互联网

由若干个网络和连接这些网络的路由器组成的

互联网（小写的 internet）指的是由多个网络连接而成的集合。

  • 形象理解： 如果说一个公司是一个“小网”，另一个公司也是一个“小网”，那么把这两个公司连接起来的技术和结构，就是互联网。
  • 本质： 它是“网络的网络”（Network of Networks）。

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3.因特网

因特网（大写的 Internet）是我们每天刷抖音、看网页、发邮件所使用的那个全球性网络。

  • 唯一性： 全世界只有一个因特网。它是目前全球规模最大、覆盖最广、由无数个大大小小的网络连接而成的庞大系统。
  • 标准： 它必须遵循一套特定的规则（协议），即 TCP/IP 协议族。
  • 误区纠正： 很多人把“万维网”（WWW，即网页）等同于因特网，但实际上因特网是底层的公路，而万维网、电子邮件、文件传输只是跑在公路上的车。

4.区别

概念 范围 比喻
网络 任意两台或多台设备连接 一条街道上的几家人
互联网 多个网络连接在一起 连接不同街道的道路网
因特网 全球范围的、特定的互联网 连接全世界所有城市的高速公路系统

1.2.2 因特网的发展历程

1.发展

1.从单个分组交换网向互联网发展
2.逐步建成三级结构的因特网
3.逐步形成多层次的ISP结构的因特网

2.三层ISP

维度 第一层 (Tier-1) 第二层 (Tier-2) 第三层 (Local)
覆盖范围 全球或全国 区域、省份 社区、学校、公司
收费关系 互不收费（对等） 向 Tier-1 ISP交钱 向 Tier-2 (ISP)交钱
你的关系 离你最远（核心核心） 离你较远（骨干网） 离你最近（就在家门口）
流量分析视角 决定跨国/跨省的骨干路径 决定跨城市的路径 决定你接入互联网的第一跳

1.2.3 因特网的标准化工作和管理机构

1.因特网的标准

所有的因特网标准都以 RFC (Request For Comments，请求评论) 的形式发表。

演进路径： 并不是所有的 RFC 都是标准。要成为正式标准，需经过：因特网草案 (Internet Draft) → 建议标准 (Proposed Standard) → 因特网标准 (Internet Standard)。

比喻： 就像写一部法律。先出一个“草案”，大家讨论修改；然后变成“试行办法”（建议标准）；最后大家都觉得没问题了，才变成“正式法律”（因特网标准）。

2.管理机构：四级组织架构

因特网的管理不是由某个国家控制的，而是由一系列非营利组织协调。

① ISOC (Internet Society) —— 因特网协会

  • 专家视角： 顶层组织，负责促进因特网的发展和普及，下设 IAB。

  • 大众视角： “最高理事会”，负责大的发展方向。

② IAB (Internet Architecture Board) —— 因特网架构委员会

  • 专家视角： 负责因特网体系结构的长期演进，并监督协议的审核。

  • 大众视角： “技术顾问团”，负责把关技术长得合不合理。

③ IETF (Internet Engineering Task Force) —— 因特网工程任务组

  • 专家视角： 最重要的实干部门。由 80 多个工作组组成，负责具体的协议开发（如 HTTP 3.0, QUIC）。RFC 主要是由他们产出的。
  • 大众视角： “一线工程师联盟”，专门负责制定各种具体规则（比如怎么传输视频、怎么加密）。

④ IRTF (Internet Research Task Force) —— 因特网研究任务组

  • 专家视角： 关注长期的战略性课题，如反垃圾邮件技术、未来的网络架构。
  • 大众视角： “实验室/研究院”，研究未来 10 年网络可能遇到的问题。

1.2.4 因特网的组成

1.边缘部分 (The Edge) —— 流量的源头与终点

这是由所有连接在因特网上的端系统（End Systems / Hosts）组成的。

专家版本

  • 核心功能： 运行各种网络应用进程（如 HTTP, FTP, P2P）。
  • 通信方式： 1. 客户-服务器方式 (C/S)： 严格区分请求方和响应方。在 Wireshark 中，你会观察到 Server 端口通常固定（如 80, 443），而 Client 端口是随机的高位端口。 2. 对等方式 (P2P)： 每一个端系统既是客户又是服务器。你在抓包时会发现大量的双向数据交换，且 IP 节点非常分散。
  • CTF/实战关联： 所有的流量分析题，其逻辑起点和终点都在边缘部分。你分析的每一条 TCP 数据流，其实就是两个边缘端系统之间的应用层对话。

大众版本

  • 比喻： 边缘部分就像是整个物流系统的“收件人”和“寄件人”。

  • 大白话： 就是你手里的手机、家里的电脑、摄像头，甚至是你家的智能冰箱。它们负责产生数据（寄快递）和接收数据（拆快递）。

2. 核心部分 (The Core) —— 流量的中转与调度

这是因特网最复杂的部分，由大量的网络和连接这些网络的路由器组成。

  • 专家版本

    • 核心功能： 负责数据交换和路由转发，提供连通性。
    • 关键设备： 路由器 (Router)。它是实现分组交换 (Packet Switching) 的关键。路由器收到分组后，先放入缓存（存储），查找转发表，再决定从哪个接口发出去（转发）。
    • 实战关联： * 当你使用 traceroute 命令时，每一跳返回的 IP 地址其实就是核心部分中路由器的入接口地址。
      • 在核心部分，数据只处理到网络层 (Network Layer)。所以路由器通常不看你的 TCP 载荷或 HTTP 内容，它们只看 IP 首部。

  • 大众版本

    • 比喻： 核心部分就像是全国的“高速公路网”和各个城市的“分拣中心（中转站）”。
    • 大白话： 它是隐藏在幕后的。当你点了一下发送按钮，数据会经过无数个路由器中转。核心部分存在的唯一目的，就是确保你的数据能用最快的路径找到对方。

1.3 电路交换、分组交换和报文交换

1.3.1 电路交换 (Circuit Switching)

核心机制： 端到端资源预留。通信前必须经过“建立连接（分配资源）→ 通话（一直占用）→ 释放连接（归还资源）”三个阶段。

专家版本

技术特点： 独占带宽，无排队时延，数据直达。但对于计算机网络这种“突发性”流量（比如你抓包时看到的点下网页后的流量激增，随后又是长时间空白），电路交换的线路利用率极低。

大众版本

  • 比喻： 像老式电话。你拨通电话后，这一整条物理线路上所有的资源就只归你们俩用。就算你们对着电话发呆不说话，别人也用不了这根线，非常浪费。
  • 大白话： 霸道总裁式连接，“这根线被你承包了”。

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1.3.2 报文交换 (Message Switching)

核心机制： 存储转发（Store and Forward）。以完整的报文（Message）为单位进行转发。

专家版本（给你的）：

  • 局限性： 节点路由器必须有足够大的缓冲区来缓存整个报文。如果报文太大（比如一个 4GB 的 ISO 镜像），会导致严重的排队时延，且一旦出错必须重传整个报文。

大众版本

  • 比喻： 像整箱托运。必须等一整箱货全部装满到车站，仓库管理员检查完后，才能发往下一站。
  • 大白话： 整体搬运，不分块，速度慢且占地方。

1.3.3 分组交换 (Packet Switching) —— 因特网的选择

核心机制： 将长报文划分为等长的小型分组（Packet）。每个分组独立添加首部（Header）。

专家版本

  • Wireshark 关联： 你在抓包工具里看到的每一个编号条目就是一个分组。包含源/目的 IP 的首部让分组可以“自寻址”。

  • CTF 视角： 分组交换允许“流水线”操作，降低了对路由器内存的要求，且某个分组损坏只需重传该分组。

大众版本

  • 比喻： 像快递包裹。你寄一套家具，快递公司把它拆成桌腿、面板、螺丝等多个包裹（分组），每个包裹都贴上快递单（首部）。
  • 大白话： 化整为零，分头行动。包裹虽多，但路更好走，效率更高。

传输过程：

1. 发送方（你的电脑）：化整为零 + 穿衣服（封装）

  • 大众版本： 你的原始数据（比如一张图片）太大了，电脑会自动把它切成很多小块。每一块都塞进一个“信封”，信封上写好你家的地址和朋友家的地址。

  • 专家版本（给你的）： 应用层报文在 运输层 被切分为 Segment（添加 TCP 首部），在 网络层 被封装为 Datagram（添加 IP 首部），最后在 链路层 变成 Frame（添加 MAC 首部）。

2.路由器：拆快递单 + 找路（存储转发）

  • 大众版本： 快递中转站收到包，先放进仓库（存储）。快递员看一眼单子上的目的地，查查地图，发现走高速 A 比走国道 B 快，就把它发往下一个分拣中心（转发）。

  • 专家版本： 路由器接收比特流并还原成帧，解封装去掉帧头读取 IP 首部。根据目的 IP 地址查询 路由表，确定输出端口。如果输出链路正忙，分组会在队列中等待（产生排队时延）

3.接收方（朋友的电脑）：脱衣服 + 合体（解封装）

  • 大众版本： 朋友收到一堆小零件，把快递信封撕掉，按照零件上的编号把它们重新拼好，图片就显示出来了。

  • 专家版本： 这是一个逆向过程。从物理层的比特流开始，层层剥离首部（MAC头 -> IP头 -> TCP头），最后将载荷（Payload）交付给应用进程。

分组交换的优点如下：

●没有建立连接和释放连接的过程，分组传输过程中逐段占用通信链路，有较高的通
信线路利用率。

交换节点可以为每一个分组独立选择转发路由，使得网络有很好的生存性。

分组交换也带来了一些问题：

●分组首部带来了额外的传输开销。

●路由器存储转发分组会造成一定的时延。

●无法确保通信时端到端的通信资源全部可用，在通信量较大时可能造成网络拥塞。

●分组可能会出现失序（未按序到达）和丢失等问题。

1.3.4 区别

特性 电路交换 报文交换 分组交换
资源独占 是（预分配） 否（动态） 否（动态）
实时性 极高 低（时延大） 较高
数据单位 比特流（连续） 整个报文 分组（切片）
存储转发 否（直接通过） 是（整报文存储） 是（分块存储）
查错重发 很难（靠终端） 容易（整报文） 极易（分块效率高）

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1.4 计算机网络的定义和分类

1.4.1 定义

计算机网络是一个将地理位置不同、具有独立功能的多个计算机系统，通过通信设备和线路连接起来，在功能完善的网络软件（协议、OS等）管理下，以资源共享和信息传递为目的的系统。

大众版本（给小白朋友）：

  • 比喻： 就像一个“全球对讲机+共享仓库”系统。
  • 大白话： 把散落在各地的电脑用网线或 Wi-Fi 连起来，让它们能互相说话（发微信）、互相传东西（看电影、下资料）。最重要的是，每台电脑都是独立的，谁也不是谁的附属品

1.4.2 网络分类

分类方式很多，最常用的是按地理覆盖范围来分

地理覆盖范围

1.广域网 (WAN, Wide Area Network)
  • 专家视角： 跨越非常大的物理范围（几十到几千公里），通常连接不同城市或国家。因特网的核心部分就是由许多广域网连接而成的。
  • 大众视角： “大网”。跨城市、跨国的网络，比如连通北京和纽约的网络。
2. 城域网 (MAN, Metropolitan Area Network)
  • 专家视角： 覆盖范围通常为一个城市（5到50公里），常作为城市内不同局域网的互连骨干。
  • 大众视角： “中网”。覆盖一个城市的网络，比如某个城市的“教育网”或“政务网”。
3. 局域网 (LAN, Local Area Network)
  • 专家视角： 覆盖范围小（几百米到几公里），数据传输速率高，误码率低。通常由一个单位、学校或家庭自行建设。
  • 大众视角： “小网”。你家里的 Wi-Fi、办公室的电脑网、学校机房的网。
4. 个域网 (PAN, Personal Area Network)
  • 专家视角： 指个人工作地方把属于个人使用的电子设备（如手机、耳机、电脑）用无线技术连接起来的网络。
  • 大众视角： “随身网”。你手机连着蓝牙耳机和智能手表，它们几个之间传数据，就构成了个域网。

按使用者分

  • 公用网 (Public Network)： 只要交钱就能上的，如电信、联通的移动网络。
  • 专用网 (Private Network)： 特殊部门用的，如军队、银行内部网络（你在分析流量时可能会遇到这类私有 IP 协议）。

按交换方式分：

  • 电路交换网
  • 报文交换网
  • 分组交换网（这就是我们现在用的因特网）

按拓扑结构分

  • 星型： 大家都连着中间一个路由器（像海星）。
  • 总线型： 大家都挂在一根长绳子上。
  • 网状型： 乱七八糟互相连，最稳固，因特网核心部分就是这种。

1.5 计算机网络和性能指标

1.5.1 速率

速率 (Speed / Data Rate)

介绍速率之前，我们先看看数据量的单位

1.比特

比特是计算机数据量的基本单位，一个比特就是二进制的0和1

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2.网络速率

计算机网络中的速率是数据的传输速率（即每秒传送多少个比特），也称为数据率(Data Rate)或者比特率(Bit Rate)。

数据的跑动速度。就像自来水管每秒钟能流出多少水。

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1.5.2 带宽

在计算机网络中，指数字信道所能传送的最高数据率。

众版本： 道路的宽度。马路越宽（带宽越大），最高限速下单位时间内能跑的车就越多。

注意： 带宽增加，只是提高了发送端的发送速率，并没有改变信号在电缆里的传播速度（光速）。

1.基本单位

  • bps (bit per second)：每秒传输的比特数，是最基础的带宽单位。
  • Kb/s、Mb/s、Gb/s：分别表示千比特、兆比特、吉比特每秒。
单位 含义 常见场景 换算关系
bps bit per second，比特每秒 最基础单位 1 Byte = 8 bit
Kbps 千比特每秒 (10³ bps) 早期拨号上网 1 Kbps = 1000 bps
Mbps 兆比特每秒 (10⁶ bps) 家用宽带、服务器带宽 1 Mbps = 1000 Kbps
Gbps 吉比特每秒 (10⁹ bps) 数据中心、光纤骨干网 1 Gbps = 1000 Mbps
MB/s 兆字节每秒 文件下载速度显示 1 MB/s = 8 Mbps

2.换算示例（必考）

  • 100 Mbps 带宽 理论下载速度 = 100 ÷ 8 = 12.5 MB/s 也就是说，下载一个 1 GB 文件大约需要 80 秒（不考虑网络波动）。
  • 10 MB/s 下载速度 对应带宽 = 10 × 8 = 80 Mbps。

3.木桶效应

在网络中，“木桶效应”指的是 数据传输速率由链路中最薄弱的环节决定。就像木桶能装多少水取决于最短的木板一样，网络传输能力取决于主机接口速率、线路带宽、交换机/路由器接口速率三者中的最小值。

数据传送速率=min⁡(主机接口速率,线路带宽,交换机/路由器接口速率)
主机接口速率 线路带宽 交换机/路由器接口速率 实际传输速率
1 Gb/s 1 Gb/s 1 Gb/s 1 Gb/s
100 Mb/s 1 Gb/s 1 Gb/s 100 Mb/s
1 Gb/s 100 Mb/s 1 Gb/s 100 Mb/s
1 Gb/s 1 Gb/s 100 Mb/s 100 Mb/s

可以看到，哪怕线路带宽和交换机接口都很快，如果主机网卡只有 100 Mb/s，那么最终传输速率也只能是 100 Mb/s。

1.5.3 吞吐量

吞吐量（Throughput） 是衡量网络实际数据传输能力的重要指标。它表示在单位时间内，系统成功传输的数据量。

概念：吞吐量是指网络在实际运行中，单位时间内成功传输的数据量。

单位：通常用 bps（bit per second） 或 B/s（Byte per second） 来表示。

区别于带宽：带宽是理论最大值，而吞吐量是实际达到的传输速率。

1.5.4 时延

网络时延一般由以下几部分构成：

  1. 发送时延（Transmission Delay）
    • 数据从主机发送到链路上所需的时间。
    • 公式：发送时延=数据长度发送速率
  2. 传播时延（Propagation Delay）
    • 信号在介质中传播所需的时间。
    • 公式：传播时延=链路长度传播速率
  3. 处理时延（Processing Delay）
    • 路由器或交换机在接收数据包时进行检查、转发所需的时间。
  4. 排队时延（Queuing Delay）
    • 数据包在路由器/交换机缓存中等待转发的时间，受网络拥塞影响最大。
posted @ 2026-03-10 16:11  ssot_HACKED  阅读(41)  评论(0)    收藏  举报