计算机网络知识（上）
2024-01-19 11:02:07 0 举报AI智能生成
计算机网络知识（上）
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大纲/内容
计算机网络-1-体系结构
计算机网络的概述
组成
组成部分：硬件、软件、协议三大部分组成 协议是核心
功能组成：通信子网和资源子网组成。 通信子网：传输介质、通信设备、网络协议 资源子网：资源共享设备及其软件的集合
功能： 数据通信、资源共享、分布式处理、提高可靠性、负载均衡
分类
范围分类：广域网(WAN)【因特网的核心部分 利用交换机使用交换技术】、 城域网(MAN)【以太网技术】
局域网(LAN)【广播技术】、 个人局域网(PAN)【无线技术】
局域网(LAN)【广播技术】、 个人局域网(PAN)【无线技术】
传输技术分类
广播式：所有联网计算机共享一个通信信道
点对点：物理线路连接一对计算机，如果没有直接线路就要通过之间点存储-转发
分组存储转发和路由选择是区分点对点和广播的重要方法
交换技术分类
电路交换网络：两点之间建立一条专用的通路来传送数据，不便于差错控制
报文交换网络(存储-转发)：数据加上其他辅助信息，封装成报文。传送到相邻的结点，一直重复传送直到目的结点
分组交换网络(包交换)：把数据拆分成固定长度的较短数据块，加上辅助信息组成分组，以存储转发的方式传输。
基本概念
协议：控制两个对等实体进行通信的规则的集合(水平的)，由语法(传输数据的格式)、语义(完成的功能，控制信息 )、同步(操作的条件和时序)
接口：同意结点内相邻两层间交换信息的连接点，是一个系统内部的规定。
服务：下层为紧邻的上层提供服务，是垂直的。只有高一层能“看得见”的功能才称为服务， 下面的协议对上层的服务用户是透明的。
服务种类
1
面向连接：通信前双方必须建立连接才能传输数据，传输结束后要释放连接和资源
无连接：直接发送数据，系统选定线路，尽最大努力交付
2
可靠服务：有纠错、检错、应答机制。保证数据正确
不可靠服务：尽量正确、可靠传输。但不保证。 尽力而为
3
有应答：接收方收到数据后给出应答，该操作由传输系统自动完成
无应答：接收数据不应答
体系模型
OSI参考模型
应用层：最高层，用户与网络的界面。为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段
表示层：处理两个通信系统中交换信息的表示方式，进行数据压缩、加密和解密
会话层：管理主机间会话进程的建立、管理以及终止。 用校验点来恢复通信，实现数据同步。
传输层：【单位：报文段、用户数据报】提供端到端的通信，提供流量控制、差错控制、拥塞控制，进程之间的通信
网络层：【单位：数据报、分组】进行路由选则，实现流量控制、拥塞控制、差错控制【不一定纠错】等功能
数据链路层：【单位：帧】封装数据报成帧，差错控制【丢弃错误的信息】、流量控制【没有拥塞控制】等、 点到点的通信
物理层：【单位：比特】透明传输比特流
TCP/IP模型：分为 应用层、传输层、网际层、网络接口层 4层
对比(考的多)
OSI在 网络层支持无连接和面向连接的通信，传输层仅支持面向连接
TCP/IP在 网络层仅支持无连接的通信，在传输层支持无连接和面向连接
计算机网络-2-物理层
通信基础
通信交互方式
单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，只需要一条信道。 电视广播，村里的喇叭广播
半双工通信：通信双方都可以发送和接收信息，但任何一方不能同时发送和接收信息。 对讲机，电报机。
全双工通信：双发可以同时收发信息。 电话。
数据传输速率
码元传输速率(波特率)：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数。单位是波特(Baud)
信息传输速率(比特率)：单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(比特数)。单位是(b/s)
换算： 比特率 = 波特率 × 每码元携带的比特信息 要注意n比特有2^n个离散电平
信号转换
1、数据 → 模拟信号【调制】、 数据 → 数字信号【编码】
数字数据→数字信号： 各种编码方式
曼彻斯特编码：利用上升和下降沿来区分0和1
差分曼彻斯特编码：分界处相同为1，不同为0
两个曼彻斯特都能包含时钟信号，自行同步。 NRZ不行，且没有检错功能
数字数据 → 模拟信号 利用调制解调器。有 幅、频、相等移键控
模拟数据 → 数字信号：常见于对音频信号进行编码的脉冲调制(PCM)，步骤：采样、量化、编码
模拟数据 → 模拟信号：频分复用(FDM)技术
数据交换方式
电路交换：需要建立一条专用的物理通信路径。 优：时延小，有序，无冲突。 缺：建立连接时间长，效率低，灵活性差。
报文交换(基本上被分组所替代)：采用存储转发方式，数据交换单位是报文。 优：无需建立连接，随时发生。动态分配路线，多目标服务
缺：有转发时延，因报文大小无限制，需要较大的缓存空间
缺：有转发时延，因报文大小无限制，需要较大的缓存空间
分组交换：存储转发，数据分组，大小合理且相等。 优无：建立时延。 缺：有传输时延，还有额外的信息量(每个分组都需要有辅助信息)
分组交换
数据报 ： 不需要连接，随时发送，最大努力交付，没有可靠性，没有按序到达，每个分组都有发送和接收端的地址
虚电路
建立一条逻辑上的虚电路，每个分组的辅助信息中没有目的地址但是有通过的虚电路号
虚电路上每个结点都维持一张虚电路表，表中有打开的虚电路信息，前后结点
致命缺点：若链路中某一环出现问题，则整个链路崩塌
两个定理
奈奎斯特定理(奈氏准则)
1、理想情况下
2、 极限传输速率 = 2W log2 (V) 单位为(b/s)
3、W 理想信道带宽 (Hz), V每个码元离散电平数
香农定理
1、有限条件下
2、极限传输速率 = W log2(1 + S/N) 单位为(b/s)
3、W信道带宽， S/N为信噪比， 【注意S/N的换算 若给出信噪比则直接用，若给出dB 则 dB = 10 log10 (S/N)，求出S/N】
传输介质
光纤
多模光纤：光源为发光二极管，适用于近距离传输。
单模光纤：光源为激光二极管，适用于远距离传输。成本高
接口特性
机械特性：规格、引线数目、引脚数量
电气特性：电压高低、阻抗匹配、传输速率、距离限制
功能特性：某一电平电压的含义、信号线的用途
规程特性(过程特性)：物理线路的工作规程和时序关系
物理设备
中继器
作用于数字信号，同一局域网
把信号整形再放大，再转发。属于信号再生
两端口的网段必须同一协议
5-4-3规程 10BASE5以太网中，最多串联4个中继器，5段中只能有3个段连接计算机
集线器(Hub)
多端口的中继器，放大转发功能
半双工，不能隔离冲突域也不能隔离广播域
转发时，转发给除了输入端口的所有端口
计算机网络-3-数据链路层
基础
功能：数据链路层为网络层提供：无确认无连接、有确认无连接、有确认面向连接的服务。(有连接一定有确认)
流量控制是限制发送方的数据流量，使其不超过接收方的接受能力。
差错控制是保证接收到的信息一定没错。一般利用循环冗余校验(CRC)、 奇偶校验，校验位在首部。
组帧：目的是为了在出错的时候只重发出错的帧，不必重发全部数据从而提高效率
组帧需要添加首尾部。字符计数法【在帧头部用一个计数字段来标明帧内字符数】、字符填充首位定界【转义字符】
比特填充【逢5个连续的1就在后面加0，用连续的6个1来表开始和结束】
比特填充【逢5个连续的1就在后面加0，用连续的6个1来表开始和结束】
流量控制和传输机制
停止-等待协议【发=1，接=1】
发送方发送单个帧之后必须等待确认，没有收到确认帧不能发送下一个。
差错
到达时已经被破坏。 发送方装有计时器，超时重发。
确认帧被破坏。 发送方未收到确认帧超时重发，接收方收到同样的帧会丢弃，并重发一个确认帧
发送接收双方都有帧缓冲区，方便差错重传。
信道利用率低
后退N帧协议GBN【发>1，接=1】
发送方可以在窗口允许内多发，但是接收方只能按照顺序接收。若出现问题，发送方要从出现问题的地方重发。 支持累计确认
用n比特对帧进行编号，发送窗口Wt <= 2^n - 1，若超过则无法区分新旧帧
选择重传协议SR【发>1，接>1】
可多发也可多收，只用重传有差错的帧和超时的帧。
用n比特对帧编号，接收窗口Wr + 发送窗口Wt <= 2^n。 其中接收窗口Wr <= 2^(n-1)
介质访问控制
使得广播时两对结点之间的通信不会发生相互干扰的现象
信道划分
频分多路复用(FDM)
把多路基带信号调制到不同频率的载波上，在叠加形成一个复合的信号。 充分利用传输介质的带宽，系统效率高。
相当于一条马路分两个车道一个是机动车一个是非机动车来运输货物
时分多路复用(TDM)
把物理信道按时间分成若干时间片，轮流的分配给多个信号使用
机动车和非机动车交替驶入马路，类似于操作系统CPU的时间片轮转。 【STDM统计时分(异步时分)】是TDM的改进，动态分配时隙
波分多路复用(WDN)
传输不同波长的光信号，在到达时利用波长分解复用器分解
飞机和机动车都在AB之间运行，分别运XY两种货物。到达时进行区分
码分多路复用(CDM)
用不同的编码区分各路原始信号
在机动车道用车来同时运输XY两种货物
随机访问
争用型，谁抢到信道谁用。
ALOHA协议
纯ALOHA：不检测，直接发。当碰撞时等待一段随机的时间，未确认就一直发。
时隙ALOHA协议：同步时间，划分为等长的时隙，各站只能在时隙的开始发送数据。 碰撞时也是等待随机一段时间
CSMA协议
1-坚持CSMA：先侦听，空则发；若不空，一直侦听到其空闲，若碰撞则等待一段随机时间，然后侦听
非坚持CSMA：先侦听，空则发；若不空放弃侦听，随即等待一个时间再听
P-坚持CSMA(用于时分信道)：先侦听，若空则按照P的概率发；若选择不发则一直侦听，若不空则选择等下一个时隙再听
CSMA/CD协议
碰撞检测，总线型网络或者半双工
先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发
若发现冲突则停止发送，并发一个48bit的拥塞信号。
帧的传输时延 >= RTT 规定以太网的最短帧长为64B
利用二进制指数退避算法。参数K不大于10，并且重传次数不超过16次。
CSMA/CA协议
应用于使用无线连接的局域网，碰撞避免(不是完全避免，是尽量避免)
避免方法
预约信道：发送数据前通知其他站点自己需要的传输时间
ACK帧：其他站点正确接收数据后要发送一个ACK确认帧。若未收到则一直重发，直到收到确认帧或者到达重发次数
RTS/CTS帧：可选的碰撞避免机制，主要用于解决无线网中的“隐蔽站”问题
轮询访问：令牌以固定次序交换，由一组特殊的比特组合而成的帧。适用于负载高的广播信道
局域网和和广域网
局域网
传输介质的适用情况 P104表
以太网的MAC帧(48bit)
【目的地址6·源地址6·类型2·数据46~1500·FCS4】，不需要帧结束符
数据类型为46~1500，因为以太网最短帧为64，减去首尾18，数据最短为46.
校验码需要校验目的地址-数据末尾
广域网
PPP协议：串行线路通信面向字节的协议，因为不是总线型，所以不采用CSMA/CD协议也没有最短帧要求。差错不纠错。不可靠，点对点，全双工，两端可以使用不同的协议
HDLC协议：面向比特，透明传输，可靠传输
1、链路配置
非平衡：由一个主站控制整个链路
平衡配置：链路两端都是复合站
站：主站是发送命令帧，从站发送响应帧，复合站有以上两种功能
数据操作方式：正常响应【非平衡的结构，从站只有在主站的许可后才能响应】，异步平衡【平衡结构】，异步响应【非平衡结构，但是从站未被允许也传 输】
HDLC有三种帧：信息帧I，监督帧S，无编号帧U。
物理设备
网桥
处理对象是帧，把多个以太网链接成一个更大的以太网。
能够隔离冲突域，不能隔离广播域。
分类
透明网桥：选择的不是最佳路由，使用生成树算法
源路由网桥：选择的是最佳路由(时间最佳)，使用发现帧来探测。
交换机
多端口的网桥(隔离冲突域)
直通式：只检测帧的目的地址(6B)，接收后立即传出去，无法支持具有不同速率的端口
存储转发式：先把帧缓存，并检查是否正确。支持不同速率端口，可靠性高，延迟大。
协议的总结
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