计算机网络学习笔记（未完结）

计算机网络学习笔记（未完结）

参考书目：《xxx》，忘记具体啥书了，回去拿到书补上

请注意：由于本篇博客引用了较多课堂上PPT的截图，未经允许本篇博客不允许转载。

联系邮箱：809581242@qq.com

导语

定义及特点

• 计算机网络就是指将地理位置不同，并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，且利用功能完善的网络软件（网络协议及网络操作系统等）实现网络资源共享和数据通信的系统。
• 特点
  • 连通性
  • 资源共享

概述

• 互联网与互连网

  • 互联网：一个特指，仅使用TCP/IP，是专有名词
  • 互连网：一个泛指，除了TCP/IP，还可使用其他协议，是一个通用名词

• 目前阶段

  正处于互联网基础结构发展的第三阶段，形成多层次ISP（互联网服务提供者）结构的互连网

  • 向ISP缴纳费用，获取所需IP地址的使用权并通过该ISP接入互联网
  • ISP分层：主干ISP、地区ISP、本地ISP

• 互联网的组成

  • 边缘部分：包括所有连接在互联网上的主机，由用户使用

    • 端系统之间通信：主机之间的通信实际上是主机上进程之间的通信

      • 客户—服务器方式（C/S方式）

        工作方式：服务器持续运行，客户机请求服务，服务器提供服务

      • 对等方式（P2P）

        工作方式：在主机都运行P2P软件时，每个主机都既是客户机也是服务器，

  • 核心部分

    包括大量网络和连接这些网络的路由器，为边缘部分提供服务（使边缘部分中的任一主机能向其他主机通信）。

    路由器：实现分组交换的关键构件，用来转发收到的分组，这是核心部分最重要的功能

  

  • 分组交换原理

    将数据先分组，在分组数据上加首部（含目的地址和源地址等控制信息），路由器根据首部信息转发数据包。数据包之间是相互独立的。

    在传输转发的过程中，路由器需要先暂存再转发。

    问题：

    • 转发时必须先存储，导致需要排队，造成时延
    • 必须携带首部，造成一定的开销。

• 互联网的分类

  • 按作用范围分为：广域网WAN、城域网MAN、局域网LAN、个人区域网PAN
  • 按使用者分为：公用网、专用网
  • 用来把用户接入到互联网的网络：接入网AN，不属于核心也不属于边缘部分，是从用户端系统到互联网中第一个路由器之间的一种网络。只是起到一个接入的作用。

• 计算机网络的性能指标

  速率（单位：bit/s数据率）

  带宽：指最高数据率（单位：赫、bit/s）

  吞吐量：单位时间内通过某个网络的数据量（即实时速率，受网络的带宽或网络的额定速率的限制）

  时延：发送时延（数据帧长度/发送速率）、传播时延（信道长度/信号速率）、处理时延、排队时延的总和（即发送端到接收端传输的总时间）

  ​ 对于高速网络链路，我们提高的仅仅是数据的发送速率而不是比特在链路上的传播速率

  时延带宽积=传播时延*带宽，也称为链路长度（单位bit），即单位长度链路最多传输比特量

  往返时间RTT：从发送方发送数据开始，到发送方收到来自接收方的确认，总共经历的时间，其中包括各中间结点的总时延

  利用率：分为信道利用率和网络利用率

  • 信道利用率：某信道有百分之几的时间是有数据通过的，完全空闲的信道的利用率是零。
  • 网络利用率：全网络的信道利用率的加权平均值

由公式可见，信道利用率并非越高越好。当某信道的利用率增大时，该信道引起的时延也就迅速增加

• 计算机网络的体系结构

  • 五层协议体系结构

    分层的优点：灵活、各层独立、便于实现和维护、结构上分开、促进标准化

    • 应用层
    • 传输层
    • 网络层
    • 数据链路层
    • 物理层

    传输的过程：

    主机一：应用层产生数据加应用层首部成为PDU，传送到传输层加首部成为传输层报文，再传到网络层加首部成为分组（IP数据报），再传到数据链路层加首部、尾部成为数据链路层帧，再传到物理层把比特流传送到物理传输媒体。

    主机二：从物理传输媒体收到比特流，上交数据链路层剥去帧首帧尾，上交网络层剥去首部，上交传输层剥去首部，上交应用层剥去首部还原为原始数据上交应用进程。

    如果需要中间路由器转发，在路由器中只需处理到网络层就继续转发，如图

• 协议

  是控制两个对等实体进行通信的规则的集合。指计算机网络中的数据交换必须遵守事先约定好的规则，明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题。在协议的控制下，两个对等实体间的通信使得本层能够向上一层提供服务。

  三要素

  • 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

• 服务

  协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。
  服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的，上层使用服务原语获得下层所提供的服务。

• 服务访问点：同一系统相邻两层的实体进行交互的地方，实际上是一个逻辑接口

• 实体：表示任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

  一般的TCP/IP

实际上现在某些应用可以直接使用IP层甚至直接使用最下面的网络接口层

物理层

基本概念

定义：在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流的方法，而不是具体的传输媒体。

作用：尽可能屏蔽不同传输媒体和通信手段的差异

用于物理层的协议通常也称为物理层规程

主要任务

确定与传输媒体接口的一些特性

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

数据通信基础知识

数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）

术语介绍

有关信道

• 信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
  单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
  双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
  双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。

• 基带信号（基本频带信号）：来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。

• 调制：基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)

  • 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码。

  • 带通调制：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）

    带通调制方法：

    • 调幅（AM）
    • 调频（FM）
    • 调相（PM）

  • 带通信号：经过载波调制后的信号

限制码元传输速率的因素

• 因为信道带宽受限，所以最高码元传输速率受到限制。超过最高速率就会出现码间串扰造成严重失真。提高带宽是加快速率的有效途径。

• 信噪比

  噪声随机产生，瞬时值有时会造成对码元的判断错误。

物理层下面的传输媒体

• 导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播

  • 双绞线（最常用的传输媒体），通信距离一般为几到十几公里，分为屏蔽双绞线STP和无屏蔽双绞线UTP

  • 同轴电缆：具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。质量决定带宽。

  • 光纤：一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

    优点：通信容量大、传输损耗小、抗电磁干扰性能好、无串音干扰、体积小重量轻

    • 多模光纤：多条不同角度入射光线同时传输
    • 单模光纤：光一直向前传播，不会产生多次反射

• 非导引型传输媒体：电磁波的传输常称为无线传输

有关复用

允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率

• 频分复用FDM：将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。

• 时分复用TDM：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。

• 统计时分复用STDM：STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。

  在光纤中还有波分复用，另外，码分多址也是常用的复用手段

• 波分复用：波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

• 码分多址：请参照dog250的csdn文章，写得非常生动精彩，文章链接：码分多址(CDMA)的本质-正交之美

宽带接入技术

• 有线

  • 非对称数字用户线ADSL：把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用

  • DSL（数字用户线）中还有

    HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线
    SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线
    VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线
    DSL (Digital Subscriber Line) ：数字用户线
    RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率）

  • 还有HFC网、FTTx技术、无源光网络PON等技术

• 还有一些无线技术

数据链路层

概述

作用

在物理层提供的不可靠比特流服务的基础上，实现对网络层的无差错传输。

概念区分

• 链路和数据链路

  链路：一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间无其他交换结点

  数据链路：物理链路+一些必要的通信协议

链路层协议

• 最常用的方法是使用网络适配器（即网卡，既有硬件也有软件）来实现这些协议，一般的适配器都包括数据链路层和物理层

• 基本问题

  • 封装成帧，帧首尾的作用是帧定界。帧定界也可采用特殊的帧定界符。

• 透明传输：采用字节填充法。装在帧中的数据部分如果出现了控制字符SOH或EOT，就在其前面插入转义字符ESC，防止传输中错误地结束了帧。使得帧内部的数据好像透明的一样。

• 差错控制：由于信噪比的存在，可以理解误码率的存在。广泛采用循环冗余检验CRC的检错技术

  CRC介绍

  优点：只要除数P位数足够大，可以说一定能检测出来；过程都由硬件完成，速度很快，不会延误数据传输。

  缺点：不能确定究竟是哪一个或哪两个比特出现差错。并且光靠检错技术是不能实现无差错传输的，因为检错技术只是把错的丢了，不能让发送端把正确的再发一遍。

  1. 先确定冗余码的位数n，选定长度为n+1位的除数P
  2. 在原始数据M后面加入n个0，得到被除数M1
  3. M1与P作模2除法得到余数R，即帧检验序列FCS
  4. 将余数R拼接在M后面，得到帧M2，将M2发送出去
  5. 在接收端，M2与P作模2除法，如果数据无误，则余数为0，接受；如果有误，余数不为0，丢弃。

使用点对点信道

传输单元是帧，不必考虑物理层如何实现比特传输的细节。

点对点协议PPP

• 组成部分

  • 将IP数据包封装到串行链路的方法

  

  • 在处理透明传输时，面向字符的传输（异步传输）使用字节填充法，面向比特的传输（同步传输）采用硬件实现的比特填充

  • 用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP

  • 网络控制协议NCP

• 工作方法

  1. 用户接入ISP，路由器的调制解调器确认拨号，建立物理连接

  2. PC机向路由器发送LCP分组

     • 建立数据链路层连接并选择了一些PPP参数

     • 进行了网络层配置

     • 通过网络控制协议NCP获得一个临时IP地址

     到此，PC机成为因特网上的一个主机

  3. 通信完毕时，NCP释放网络层连接、收回临时IP，LCP释放数据链路层连接，最后释放物理层连接。

使用广播信道

局域网的链路层

特点：网络为一个单位拥有，地理范围和站点数目有限

• 广播信道需要媒体共享技术
  1. 静态划分信道：频分、时分、波分、码分等复用方法
  2. 动态媒体接入控制：随机接入、受控接入

CSMA/CD协议

集线器

以太网

网络层