计算机网络复习笔记

概论

计算机网络的基本概念

计算机网络：是一个将分散的、具有独立功能的计算机系统，通过通信设备与线路连接起来，由功能完善的软件 实现资源共享和信息传递的系统。 最简洁的说法是互联、自治的计算机集合。互联即互联互通，自治即没有主从关系，相互独立。不能互相控制对方。

计算机网络发展历程

1. 第一阶段是从单个网络 ARPANET 向互联网发展的过程。
2. 第二阶段的特点是建成了三级结构的互联网
3. 第三阶段的特点是逐渐形成了多层次ISP结构的互联网

互联网的组成、各组成部分的工作原理

1. 边缘部分：这部分由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，用来进行通信和资源共享。
2. C/S方式：客户是服务请求方，服务器是服务提供方。
3. P2P方式：从本质上看仍然是使用客户-服务器方式，只是对等连接中的每一台主机既是客户又同时是服务器。
4. 核心部分：由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分用来为边缘部分提供服务。

分类

按作用范围

1. 广域网WAN (Wide Area Network)
2. 城域网MAN (Metropolitan Area Network)
3. 局域网LAN (Local Area Network)
4. 个人区域网PAN (Personal Area Network)

按使用者

1. 公用网(public network)
2. 专用网(private network)

计算机网络主要度量的含义

• 速率：

定义：数据的传送速率；常指额定速率或标称速率，并不是实际的速率

单位：bit/s(比特每秒)

• 带宽：

定义：表示网络中某通道传送数据的能力，即单位时间内网络中某信道能通过的最高数据率

单位：bit/s

• 吞吐量：

定义：单位时间内通过某网络的实际的数据量

单位：bit/s

• 时延：

定义：数据从网络的一段传送到另一端所需的时间；又称延迟或迟延

组成：

1. 发送时延（传输时延）：是主机或路由器发送数据帧所需要的时间

发生位置：在机器内部的发送器中，即网络适配器中，与信道长度无关

计算公式：

2. 传播时延：是电磁波在信道中传播一定距离所需要的时间

发生位置：在机器外部的传输信道媒体上，与信号的发送速率无关，只与信号传送的距离有关

计算公式：

电磁波在在不同介质中传播速率不同，在自由空间中为光速3*10⁵ km/s；在铜线中为2.3*10⁵ km/s；在光纤中为2.0*10⁵ km/s

3. 处理时延：主机或路由器收到分组后处理分组所用的时间；如分析首部、提取数据、差错检验、转发路由查找等
4. 排队时延：分组经过路由器时，在路由器中经历输入和输出的排队等待时间

发生位置：各中转路由器中；取决于网络的通信量，通信量很大时会发生队列溢出，使分组丢失，相当于时延无限大

$$ 总时延=发送时延+传播时延+处理时延+排队时延 $$

• 时延带宽积(以比特为单位的链路长度)：

定义：

$$ 时延带宽积(bit) = 传播时延(s) * 带宽(b/s) $$

• 往返时间RTT：

定义：双向交互一次所需的时间；包含中间各结点的处理时延、排队时延、转发数据时的发送时延

• 利用率：

信道利用率：指某信道有百分之几的时间是被利用的 网络信道利用率：全网络的信道利用率的加权平均数

$$ D=\frac{D_0}{1-U} $$

其中D是网络时延、D₀是空闲时网络时延、U是利用率

特点：信道或网络利用率过高会产生非常大的时延

计算机网络的体系结构和参考模型

1）物理层（Physical Layer）

激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。* 该层为上层协议提供了一个传输数据的可靠的物理媒体。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。* 物理层记住两个重要的设备名称，中继器（Repeater，也叫放大器）和集线器。

2）数据链路层（Data Link Layer）

数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。为达到这一目的，数据链路必须具备一系列相应的功能，主要有：如何将数据组合成数据块，在数据链路层中称这种数据块为帧（frame），帧是数据链路层的传送单位；如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处理传输差错，如何调节发送速率以使与接收方相匹配；以及在两个网络实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释放的管理。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。

有关数据链路层的重要知识点：

• 1> 数据链路层为网络层提供可靠的数据传输；
• 2> 基本数据单位为帧；
• 3> 主要的协议：以太网协议；
• 4> 两个重要设备名称：网桥和交换机。
• 3）网络层（Network Layer）

网络层的目的是实现两个端系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止等。它提供的服务使传输层不需要了解网络中的数据传输和交换技术。如果您想用尽量少的词来记住网络层，那就是" 路径选择、路由及逻辑寻址"。

网络层中涉及众多的协议，其中包括最重要的协议，也是TCP/IP的核心协议——IP协议。IP协议非常简单，仅仅提供不可靠、无连接的传送服务。IP协议的主要功能有：无连接数据报传输、数据报路由选择和差错控制。与IP协议配套使用实现其功能的还有地址解析协议ARP、逆地址解析协议RARP、因特网报文协议ICMP、因特网组管理协议IGMP。具体的协议我们会在接下来的部分进行总结，有关网络层的重点为：

• 1> 网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。此外，网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能；
• 2> 基本数据单位为IP数据报；
• 3> 包含的主要协议：
• IP协议（Internet Protocol，因特网互联协议）;
• ICMP协议（Internet Control Message Protocol，因特网控制报文协议）;
• ARP协议（Address Resolution Protocol，地址解析协议）;
• RARP协议（Reverse Address Resolution Protocol，逆地址解析协议）。
• 4> 重要的设备：路由器。

4）传输层（Transport Layer）

第一个端到端，即主机到主机的层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。 传输层的任务是根据通信子网的特性，最佳的利用网络资源，为两个端系统的会话层之间，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责端到端的可靠数据传输。在这一层，信息传送的协议数据单元称为段或报文。 网络层只是根据网络地址将源结点发出的数据包传送到目的结点，而传输层则负责将数据可靠地传送到相应的端口。 有关网络层的重点：

• 1> 传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输以及端到端的差错控制和流量控制问题；
• 2> 包含的主要协议：TCP协议（Transmission Control Protocol，传输控制协议）、UDP协议（User Datagram Protocol，用户数据报协议）；
• 3> 重要设备：网关。

5）会话层

会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。

6）表示层

表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。

7）应用层

为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。

会话层、表示层和应用层重点：

• 1> 数据传输基本单位为报文；
• 2> 包含的主要协议：FTP（文件传送协议）、Telnet（远程登录协议）、DNS（域名解析协议）、SMTP（邮件传送协议），POP3协议（邮局协议），HTTP协议（Hyper Text Transfer Protocol）。

计算机网络的一些基本设计方法

• 各层之间是相互独立的；
• 每一层需要有足够的灵活性；
• 各层之间完全解耦。

典型交换方式及其优缺点

物理层

物理层基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

用于物理层的协议也常称为物理层规程

物理层基本特性

• 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。

物理层功能

如何在连接各计算机的传输媒体上传输数据比特流

数据链路层将数据比特流传送给物理层

物理层将比特流按照传输媒体的需要进行编码

然后将信号通过传输媒体传输到下一个节点的物理层

数据通信系统的模型

• 源系统（发送端，发送方）

  • 源点（源站，信源）：源点设备产生要传输的数据
  • 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。

• 传输系统（传输网络）

• 目的系统（接收端，接收方）

  • 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器。
  • 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来)。终点又称为目的站，或信宿。

通信的目的是传送消息(message)。如话音、文字、图像、视频等都是消息。

数据(data)是运送消息的实体。根据RFC 4949给出的定义，数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机或其他机器（或人）处理或产生。

信号(signal)则是数据的电气或电磁的表现。

在使用时间域(或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。

信息交互的方式

1. 单向通信（单工通信）：即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
2. 双向交替通信（半双工通信）：即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送或接收。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。
3. 双向同时通信（全双工通信）：即通信的双方可以同时发送和接收信息。

单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条)。双向同时通信的传输效率最高。

调制方式

• 编码方式
  • 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
  • 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
  • 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。但也可反过来定义。
  • 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特(Manchester)编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中 提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力)，而曼彻斯特编码具有自同步能力。

基带调制：仅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。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的 数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码(coding)。

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。经过载波调制后的信号称为带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

调幅(AM) ：即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。 调频(FM) ：即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f₁或f₂。 调相(PM) ：即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制QAM (Quadrature Amplitude Modulation)。

信道的最大数据传输速率

信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位

带宽

• 在通信领域（模拟传输），带宽指某个信号具有的频带宽度。单位是赫(或 千赫、兆赫、吉赫、太赫等)。如话音信号的带宽是3.1kHz (300Hz～ 3400Hz)。
• 在计算机领域（数字传输），带宽指计算机网络的通信线路所能传送数据的能力，即在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能达到的“最高数据速 率”。单位是b/s (bit/s)

奈氏准则

香农定理

增加最大传输速率的方法增加系统带宽、提升源端信号发射功率、降低噪声 信息量:I=-log_ap a表示进制。a=2时，I的单位为比特；a=自然数e，I的单位为奈特 例子：8只灯泡，一只坏了，二分法判断。p=1/8。故该事件不确定度大小为：-log₂1/8=3bit. 也就是查3次就能查不来。

不同传输介质的特点

一、有线传输介质：

1、双绞线 优缺点：成本低，密度高，节省空间，安装容易，高速率，抗干扰性一般，连接距离较短。

2、同轴电缆

优缺点：抗干扰性好，接入复杂。

3、光纤

优缺点：通信容量大，传输损耗小，抗干扰性好，保密性好，体积小重量轻，需要专用设备连接。

二、无线传输介质：

1、短波通信

优缺点：通信质量较差，速率低。

2、微波通信

又分地面微波接力通信和卫星通信

地面微波接力通信

优缺点：信道容量大，传输质量高，投资少，相邻站点间直视，易受 天气影响，保密性差。

卫星通信

优缺点：通信距离远，通信容量大，传播时延大270ms。

传输介质类型	传播途径
导向性传输介质	电磁波沿着固体媒介（铜线or光纤）被导向传播
非导向性传输介质	自由空间，介质如空气，水等等

不同多路复用技术的基本原理和特点

复用：允许用户使用一个共享的信道进行通信，降低成本，提高利用率

频分复用

原理：用户在分配到一定频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带

特点：所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽

时分复用

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

特点：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

统计时分复用

原理 ：使用STDM帧来传送复用的数据，每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数；各用户有数据就发往集中器的输入缓存，集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，没有数据的缓存就跳过，当一个帧放满即发送，因此STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙。某用户占用的时隙不是周期性出现的，因此统计时分复用又称为异步时分复用；而时分复用又称为同步时分复用

波分复用

原理：就是光的频分复用，使用同一根光纤同时传输多个光载波信号

码分复用(码分多址)

原理：各个用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会互相干扰

码片：每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片

工作方式：

每个站被指派一个唯一的m bit码片，若发送1，则发送自己的m bit码片

若发送0，则发送该码片的二进制反码

码片实现扩频：由于一个比特可转换成m个比特的码片，因此实际发送数据率提高了m倍

重要特点：每个站的码片必须各不相同，并相互正交

码片正交关系：不同码片正交，就是向量S和T的规格化内积为0，（规格化内积即对应为相乘）

正交关系的重要特征：任何码片与自己的规格化内积为1，与自己反码的规格化内积为-1

例2-16：共有四个站进行码分多址通信，四个站的码片序列分别为

A(-1-1-1+1+1-1+1+1) B(-1-1+1-1+1+1+1-1)

C(-1+1-1+1+1+1-1-1) D(-1+1-1-1-1-1+1-1)

现收到这样的码片:(-1+1-3+1-1-3+1+1)，问哪些站发送了数据，发送的是0还是1

解：

A站的内积：(-1-1-1+1+1-1+1+1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1

B站的内积：(-1-1+1-1+1+1+1-1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1-1-3-1-1-3+1-1)/8=-1

C站的内积：(-1+1-1+1+1+1-1-1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1+1+3+1-1-3-1-1)/8=0

D站的内积：(-1+1-1-1-1-1+1-1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1+1+3-1+1+3+1-1)/8=1

所以A、D站发送了1，B站发送了0，C站没有发送

物理层主要任务

确定与传输媒体的接口有关的一些特性。

数据通信的基本术语

通讯的目的——传送信息

数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列

信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式

数字信号：代表消息的参数取值是离散的

模拟信号：代表消息的参数取值是连续的

信源：产生和发送数据的源头

信宿：接受数据的终点

信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某个方向传送信息的介质，因此，一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道

按传输信号分为模拟信道（传送模拟信号）和数字信道（传送数字信号）

按传输介质分，无线信道和有线信道

不同传输方式的特点

• 串行传输 速度慢，费用低，适合远距离
• 并行传输 速度快，费用高，适合近距离，用于计算机内部数据传输

传输性能的刻画与度量

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。

可以用码元传输速率和信息传输速率表示

1） 码元传输速率（波特率）

表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数）

单位是波特（Baud）码元/s

n波特表示数字通信系统每秒传输n个码元

这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关

2）信息传输速率（比特率）

表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），

单位是比特/秒（b/s）

关系： 若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud 的码元传输速率所对应的信息擦混熟速率为M * n bit/s

例：每个信号值可表示3位，则比特率是波特率的3倍；每个信号值可表示1位，则比特率和波特率相同

3）带宽：表示单位之间内从网络的某一点到零一点所能通过的“最高数据率”，通常用来表示网络的通信线路所传输数据的能力

单位是 b/s

数据链路层

链路 (link) ：一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。 一条链路只是一条通路的一个组成部分。

数据链路 (data link)：把实现控制数据传输的协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

帧：点对点信道的数据链路层的协议数据单元。

三个基本问题

封装成帧

在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧。

透明传输

“字节填充”或“字符填充”法

差错控制

检错码

PPP协议

三个组成部分：

• 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
• 一个链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。
• 一套网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

帧格式

当 PPP 用在异步传输时，使用字节填充法。

当 PPP 用在同步传输链路时，采用零比特填充法。

信道共享

静态划分信道：

1. 频分复用
2. 时分复用
3. 波分复用
4. 码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）：

1. 随机接入：所有的用户可随机地发送信息。
2. 受控接入：用户必须服从一定的控制。如轮询(polling)。

适配器作用

• 进行串行/并行转换。
• 对数据进行缓存。
• 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
• 实现以太网协议。

CSMA/CD

MAC

最小帧长

$$ 2 * 传输时间 * 数据传输速率 $$

扩展以太网

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网络层

虚电路服务与数据报服务的主要区别

ICMP

IP6

传输层

流量控制

拥塞控制